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7. ENERGÉTICA MICROBIANA I. MECANISMOS DE OBTENCION DE ENERGÍA. AUTÓTROFOS
Durante los procesos metabólicos los microorganismos extraen Energía (E) y poder reductor (PR) del medio que los rodea y los utilizan para sintetizar sus propios componentes celulares. La E liberada durante los procesos catabólicos es almacenada, normalmente en forma de ATP que será utilizado para poder realizar reacciones endergónicas durante los procesos anabólicos.
El PR generado en los procesos de oxidación que acompañan al catabolismo será utilizado para reducir formas oxidadas de C a los estados de oxidación reducidos en los que, normalmente, se encuentra en las macromoléculas. En la mayor parte de los procesos de óxido-reducción biológicos interviene un nucleótido de piridina: el NAD o el NADP. En la mayor parte de los casos las oxidaciones biológicas implican la pérdida de 2 e- y 2 H+ simultáneamente, lo que equivale a la eliminación de 2 H.
CATEGORIAS METABÓLICAS
FUENTES DE CARBONO Autótrofos CO única o principal Heterótrofos Moléculas orgánicas reducidas FUENTES DE ENERGÍA Fotótrofos Luz Quimiótrofos Oxidación compuestos FUENTES DE ELECTRONES Litótrofos Moléculas inorgánicas reducidas Organótrofos Moléculas orgánicas
MECANISMOS BIOQUÍMICOS/MOLECULARES PARA LA SÍNTESIS DE ATP
- Fosforilación a nivel de substrato: El ATP se obtiene mediante la transferencia al ADP de un grupo P de alta energía cedido por un intermediario de una ruta catabólica. Ver ejemplos en la glucolisis y Ciclo de Krebs.
- Mediante cadena transportadora de e- Con excepción de la fermentación, los diferentes modos de metabolismo obtienen el ATP mediante el transporte de e- a través de unas moléculas situadas y orientadas en la mb celular. Estas molécula son capaces de sufrir oxidaciones/ reducciones reversibles, de tal manera que cada miembro de la cadena puede ser reducido por el anterior y oxidado por el siguiente. Algunos transportan H (H+ + e-) y otros sólo e-. La orientación en la cadena es tal que los transportadores de H realizan el transporte hacia el exterior celular, mientras que los de e- lo hacen hacia el interior. De esta manera se liberan H+ al exterior y se crea un gradiente electroquímico. La E libre almacenada en tal gradiente se denomina fuerza protón-motriz. La transformación de la E de óxido-reducción del transporte electrónico en E del enlace fosfato del ATP se explica de acuerdo con la Teoría del acoplamiento quimiosmótico (Mitchell, 1961). La diferencia de concentración de H+ a ambos lados de la mb origina dos gradientes: i) un gradiente de masa y ii) un gradiente de carga o de potencial eléctrico. A la suma de ambos se la denomina gradiente electroquímico.
GENERACIÓN HETEROTRÓFICA DE ATP: REACCIONES DE MANTENIMIENTO DE LOS
HETEROTROFOS
Implica la conversión de una molécula orgánica en moléculas más simples (catabolismo) de tal forma que se desprenda suficiente E libre como para sintetizar ATP. Puesto se trata de procesos de oxidación deben de estar acoplados con reacciones de reducción simultáneas (normalmente NAD-->NADH).
METABOLISMO RESPIRATORIO.
Respiración: oxidación de un compuesto orgánico por medio de un aceptor externo de e-. Si éste es el O2 se denomina respiración aerobia; si es otra molécula: respiración anaerobia. El proceso respiratorio de los heterótrofos se puede subdividir en tres fases:
- la conversión del substrato orgánico en ácido pirúvico y acetil-CoA, quien interviene directamente en el ciclo de Krebs - el ciclo de Krebs, en el que el C orgánico es convertido en CO2 y se genera ATP y especialmente poder reductor (NADH/FADH2)
- y la fosforilación oxidativa, por la que los CoA nucleotídicos son re-oxidados y, por medio de una cadena transportadora de e-, se genera ATP.
METABOLISMO FERMENTATIVO
Fermentación: un substrato orgánico actúa como donador de e-, y un producto del substrato actúa como aceptor. No existe cambio neto en el estado de oxidación de los productos en relación con la molécula de substrato inicial: los productos oxidados son contrabalanceados por productos reducidos logrando un equilibrio. Las fermentaciones son las únicas reacciones de mantenimiento (productoras de E) que no requieren de una cadena transportadora de e. El NAD es reducido en una fase del proceso deben de ser oxidado en otra. Como consecuencia, no hay cambio global del estado de oxidación. Y el rendimiento energético es bajo (2-3 ATP/mol glucosa).
8. ENERGÉTICA MICROBIANA II. AUTOTROFOS.
Los autótrofos obtienen su C celular a partir de CO2. Para fijarlo deben de obtener tanto E como poder reductor.
QUIMIOLITOTROFOS Obtienen la E y poder reductor mediante la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos. Los sustratos inorgánicos que pueden ser utilizados por los quimiolitótrofos son formas reducidas de N (NH4+, NO2-), S (H2S, S0, S2O32-), Fe (Fe2+), el H2 y el CO. Obtención de energía: metabolismo respiratorio. Los electrones generados en la oxidación de los substratos pasan a través de una cadena transportadora de e- que genera un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP. El aceptor terminal de e- es el O2. Generación del poder reductor. Los substratos (con excepción del CO y el H2) no poseen un potencial de reducción lo suficientemente elevado como para reducir directamente al NAD+. Para ello tienen que recurrir a un proceso denominado transporte inverso de electrones. Parte de la fuerza protón motriz se usa para conducir los e- en una dirección termodinámicamente desfavorable desde el substrato inorgánico hasta el nucleótido de piridina oxidado (ver esquema en un libro o en clase). Metanobacterias. Las arqueas metanogénicas obtienen su energía formando CH4 mediante la reducción del CO2 por el H2.
FOTOTROFOS
Los organismos fotótrofos convierten la energía lumínica en energía metabólica y poder reductor. Las clorofilas absorben la E luminosa activándose a un estado excitado en el que ceden un e- a una cadena de transporte de e- ligada a la mb (fotosistema) análoga a la de la fosforilación oxidativa. La transferencia establece un gradiente de H+ que puede ser empleado para la síntesis de ATP. La clorofila actúa como dador y como aceptor de e-. Como dador externo de e- se emplean el H2O, H2S, H2 o compuestos orgánicos. Clases de fotosíntesis y fotofosforilación. En función de la fuente de e- se distinguen dos tipos de fotosíntesis:
• oxigénica: el H2O actúa como donador de e-, liberando O2 como subproducto. Propio de plantas, algas y cianobacterias.
• anoxigénica: emplea H2S o H2 como fuente de e-. Propio de bacterias rojas y verdes.
Dependiendo de que haya o no fuente externa de e- para reducir a la clorofila oxidada se distinguen dos modelos de fotofosforilación.
• fotofosforilación cíclica. La clorofila activada del centro de reacción sirve como dador y aceptor de e- a/de una cadena transportadora.
Puesto que los e- no pueden ser extraídos del sistema, para generar poder reductor se recurre al transporte inverso de e-.
• fotofosforilación no cíclica. La clorofila oxidada del centro de reacción es reducida por los e- cedidos, a través de una cadena
transportadora, por un donador externo. Los electrones liberados por la bacterioclorofila excitada son utilizados para reducir el NADP +.
FIJACIÓN DEL CO Su fijación y conversión autotrófica en compuestos orgánicos requiere poder reductor en forma de NADPH y ATP (respectivamente 3 y 2 por cada CO2 fijado). Otros ciclos:
• Arqueas termófilas S0-dependientes y bacterias fotosintéticas verdes del azufre: Ciclo reductivo de los ácidos tricarboxílicos
• Metanobacterias y algunos Clostridium: ruta del acetil-CoA o del monóxido de carbono.
FIJACIÓN DEL N
N≡N + 8H+ + 8e- --- F 0 E 02NH3 + H2 ∆G=+940 KJ (18-24 ATP) Hay que destacar el elevado consumo energético y de poder reductor. El proceso es anaerobio (aunque los microorganismos fijadores no tienen por qué serlo).
9. CLASIFICACIÓN Y FILOGENIA DE LAS BACTERIAS.
Definición de especie en Microbiología: “grupo de cepas (clones celulares) que mostrando entre si un grado elevado de semejanza fenotípica general, difieren en muchas características de otros grupos de cepas relacionadas (Stanier)”.
TIPOS Y CRITERIOS DE CLASIFICACIÓN BACTERIANA
Bacterias del azufre (tanto rojas como verdes). Hábitats muy especiales: ambientes acuáticos anaerobios con luz y presencia de H2S ó H2. Estas condiciones se presentan en:
- lagos profundos meromícticos, donde tiene lugar una estratificación permanente o estacional de las aguas.
- estanques de poca profundidad, ricos en materia orgánica, CO2, H2 y, generalmente, H2S, producidos por bacterias anaeróbicas de los sedimentos.
- constituyendo los denominados tapetes microbianos (ver estromatolitos y primeras formas de vida).
11. BACTERIAS QUIMIOLITÓTROFAS.
Organismos capaces de crecer en un medio estrictamente mineral y en ausencia de luz, obteniendo su ATP y poder reductor de la respiración de un substrato inorgánico y utilizando el CO2 como fuente de carbono. La mayoría se incluyen en el phylum Proteobacteria.
Metabolismo bacterias quimiolitótrofas:
- O 2: aerobios, O2 aceptor final de e- (algunas respiran NO3-)
- CO2: la fijación tiene lugar por medio del ciclo de Calvin-Benson
- fuente de e-/ substratos: sustancias inorgánicas reducidas
- E: metabolismo respiratorio con cadena transportadora de e- que genera una fuerza motora de protones que impulsa la síntesis de ATP.
- obtención del poder reductor: transporte inverso de e-.
BACTERIAS NITRIFICANTES Llevan a cabo la oxidación biológica de amoniaco a nitrito y de éste a nitrato (nitrificación). Se subdividen en dos grupos metabólicos:
- NH4+ a NO2- Nitrosomonas, Nitrosococcus
- NO2- a NO3- Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira. Hábitat. Son ubicuas: suelos, aguas dulces y marinas, sistemas de tratamiento de residuos sólidos (compostaje) y líquidos. Juegan un papel clave en la eliminación de N de aguas residuales. Solución: sistemas de tratamiento que combinan la oxidación biológica de compuestos amoniacales (nitrificación) con una posterior desnitrificación (anóxica) hasta N2 molecular.
OXIDADORES DE AZUFRE
Dos grandes clases:
- Bacterias oxidadoras de H2S o S0 con formación de depósitos extracelulares de S. Pequeño tamaño celular V.g.: Thiobacillus, Acidithiobacillus, Thiomicrospira
- Bacterias oxidadoras de H2S con formación de depósitos intracelulares de S. Filamentosas V.g. : Beggiatoa y Thiothrix. Hábitat. Sedimentos acuáticos que contienen H2S; suelos ácidos; manantiales ácidos y normalmente calientes; chimeneas negras; efluentes del drenaje de minas que contienen sulfuros metálicos, etc.
Importancia biotecnológica:
- biominería y biolixiviación (solubilización de metales mediada por microorganismos). Empleada para la extracción cobre, oro y uranio. La oxidación de la pirita (FeS2) es una combinación de reacciones químicas y microbiológicas.
- tratamiento de carbones y efluentes industriales (líquidos y gaseosos) para eliminar el H2S y otras formas de azufre, reducir la lluvia ácida, etc.
- pueden causar problemas en depuradoras: participación en fenómenos de flotación de fangos
BACTERIAS DEL HIERRO Algunas bacterias oxidan Fe(II) a Fe(III) y pueden formar precipitados pardo-rojizos de óxidos o hidróxidos del mismo. En la mayoría de los casos se trata de quimioheterótrofos que no obtienen energía del proceso (Vg. bacterias con vaina tipo Leptothrix). Sólo son verdaderos quimiolitoautótrofos Acidithiobacillus ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans (pH ácido, aguas de minas, biolixiviación) y Gallionella (aguas dulces, pH neutro).
12. BACTERIAS GRAM-NEGATIVAS AEROBIAS I. SEUDOMONAS Y BACTERIAS RELACIONADAS.
Metabolismo respiratorio aerobio (todas son catalasa +). Bacilos rectos, móviles por flagelos polares. Pueden oxidar una amplia gama de sustratos orgánicos.
La antigua familia Pseudomonadaceae (incluía a las bacterias Gram- quimioheterótrofas aerobias que presentan flagelos con inserción polar) hoy está distribuida entre:
-Proteobacteria:
• orden Burkholderiales
- fam. Burkholderiaceae, gen. Burkholderia, v.g. B. cepacia.
- fam. Comamonadaceae, gen. Comamonas. En esta fam. se incluyen también las bacterias con vaina filamentosas Sphaerotilus y Leptothrix.
• orden Rhodocyclales, gen. Zooglea, v.g. Z. ramigera.
-Proteobacteria:
• orden Pseudomonadales, fam. Pseudomonadaceae, gen. Pseudomonas, v.g. P. putida, P. aeruginosa.
Hábitat. Ubicuas en suelo y agua, donde juegan un papel fundamental en la degradación aerobia de la materia orgánica. En el hombre pueden ser parásitos oportunistas (P. aeruginosa).
Muy interesantes desde el punto de vista medioambiental por:
- Su capacidad para degradar compuestos antropogénicos y recalcitrantes. Xenobiótico y antropogénico: compuestos creados por el hombre mediante síntesis química y que contienen estructuras que no están presentes en la naturaleza. En un sentido amplio se refieren a aquellos compuestos que liberados en cualquier compartimiento del medio ambiente por acción del hombre se presentan a una concentración mayor de la natural. Recalcitrante: compuestos cuya persistencia en el medio ambiente es grande debido a su difícil biodegradación. Las razones su persistencia son químicas, físicas y biológicas. Biorremediación: para eliminar vertidos y otros problemas medioambientales causados por actividades humanas. Biorremediación: recuperación de un ambiente natural contaminado por actividades humanas. Se trata de estimular los procesos naturales para degradar, destoxificar o inmobilizar los compuestos contaminantes. Dos tipos:
- bioestimulación: favorecer la microflora nativa para degradar más rápidamente el contaminante
- bioaumentación: añadir microorganismos capaces de hacerlo en aquellos lugares donde la microflora indígena no es efectiva Papel de los plásmidos catabólicos en la eliminación de xenobióticos. Importancia de P. putida y B. cepacia.
- Su papel en la depuración aerobia de aguas residuales. El tratamiento de las aguas residuales combina una serie de procesos fisico-químicos y biológicos. Etapas:
- pretratamiento y tratamiento primario: elimina sólidos y flóculos en suspensión
- tratamiento secundario: elimina la materia orgánica biodegradable disuelta y los restos de sólidos en suspensión
- tratamiento terciario: debería eliminar los nutrientes (N y P) y los microorganismos patógenos
Descripción del sistema de fangos activos y la estructura de los flóculos, Papel de: - Pseudomonas y Comamonas: principales degradadores. - Zoogloea: contribuyen de manera importante a la formación de los flóculos - Sphaerotilus: contribuye a la “flotación del fango”
