Metabolismo Bacteriano y Medioambiente PDF

## 7.2. Metabolismo bacteriano y medioambiente Las bacterias, aunque son organismos muy simples, pueden realizar todos los metabolismos conocidos e incluso una misma especie puede tener dos tipos de metabolismo diferentes, dependiendo de las características del medio y la abundancia de nutrientes....

## 7.2. Metabolismo bacteriano y medioambiente Las bacterias, aunque son organismos muy simples, pueden realizar todos los metabolismos conocidos e incluso una misma especie puede tener dos tipos de metabolismo diferentes, dependiendo de las características del medio y la abundancia de nutrientes. Muchos de los elementos químicos que componen los materiales terrestres están sometidos a unos ciclos en los que pasan de formar parte de la materia inorgánica inerte a construir la materia orgánica de seres vivos, para, posteriormente, volver a formar materia inorgánica inerte. Estos ciclos son los ciclos biogeoquímicos. ### Ciclos biogeoquímicos - Los microorganismos desempeñan un papel fundamental en estos ciclos, puesto que solo ellos son capaces de realizar la función de descomposición de la materia orgánica compleja muerta (cadáveres de animales y restos vegetales) en materia orgánica sencilla y su posterior transformación en materia inorgánica. - Esta transformación permite, por un lado, incorporar materia inerte a la biosfera, impidiendo que esta se agote, y, por otro lado, poner a disposición de los organismos vegetales materia inorgánica utilizable. ### Tipos de bacterias según su forma de obtener energía - **La mayoría de las bacterias que se alimentan de materia orgánica muerta transforman las macromoléculas orgánicas de carbono en dióxido de carbono (CO2) que liberan a la atmósfera.** - **Las cianobacterias son aerobias y fotoautótrofas. Poseen un pigmento azul, además de clorofila. Pueden ser unicelulares, pluricelulares o formar colonias filamentosas.** - La mayoría de las cianobacterias son acuáticas y viven libres en el mar o en las aguas dulces; otras son capaces de resistir aguas termales de hasta 90 °C; y otras establecen asociaciones simbióticas con hongos para formar líquenes. - Gracias a su metabolismo fotoautótrofo, fueron durante más de 1500 millones de años, la principal fuente de aporte de carbono a los océanos de la Tierra. Además de que se las considera las responsables de la incorporación de oxígeno a la atmósfera primitiva, a que durante su metabolismo liberan oxígeno. - **Las bacterias purpúreas no sulfúreas son fotoheterótrofas y contienen un pigmento similar a la clorofila. Son generalmente anaerobias. Viven en las zonas poco profundas de lagos y otros medios acuáticos ricos en sulfuro de hidrógeno. Durante su metabolismo producen hidrógeno, por lo que se están estudiando como fuente biológica de producción de hidrógeno para emplearlo como energía alternativa a los combustibles fósiles.** ### Tipos de bacterias según su uso del nitrógeno - **Las bacterias fijadoras de nitrógeno tienen un metabolismo quimiosintético y la mayoría viven en simbiosis con raíces de plantas. Son capaces de fijar nitrógeno gaseoso de la atmósfera y proporcionárselo a la planta en una forma que ellas puedan asimilar.** - **Las bacterias nitrificantes son quimioautótrofas, viven en suelos y en los sedimentos marinos y transforman los nutrientes inorgánicos nitrogenados en moléculas que aprovechan las plantas.** - **Las bacterias desnitrificantes transformarán de nuevo esos compuestos inorgánicos en nitrógeno atmosférico que liberarán a la atmósfera.** ## 7. El metabolismo bacteriano El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de una célula y por las que obtiene la materia y la energía que necesita para crecer y reproducirse. **Las reacciones metabólicas se agrupan según liberen o consuman energía en:** ### Catabolismo - Reacciones que liberan energía. - En ellas se rompen moléculas en componentes más sencillos. - Algunos ejemplos son la respiración o la fermentación. ### Anabolismo - Reacciones que consumen energía. - Son las reacciones en las que se sintetizan azúcares, aminoácidos, nucleótidos o ácidos grasos, moléculas que forman las biomoléculas orgánicas. Por tanto, para la obtención de energía y materia necesarias, en las células ocurren tanto reacciones catabólicas como anabólicas. ## 7.1. Tipos de metabolismo No todos los organismos consiguen la energía o los bioelementos necesarios para las reacciones metabólicas de las mismas fuentes. Uno de los principales bioelementos que forma parte de todas las macromoléculas es el carbono, por ello se le considera imprescindible en el metabolismo. Según de donde obtengan los organismos el carbono o la energía, se distinguen diferentes tipos de metabolismo. ### Tipos de metabolismo según la fuente de carbono - **Autótrofos.** Obtienen el carbono del dióxido de carbono (CO2) atmosférico. - **Heterótrofos.** Obtienen el carbono de materia orgánica como la glucosa, las proteínas o las grasas. ### Tipos de metabolismo según la fuente de energía - **Fotosintéticos.** La fuente de energía es la luz. - **Fotoautótrofos.** Utilizan luz como fuente de energía y obtienen CO2 de la atmósfera. Un ejemplo son las cianobacterias. - **Fotoheterotrófos.** Requieren energía luminosa y moléculas orgánicas como fuente de carbono. Un ejemplo son las bacterias púrpuras no sulfurosas. - **Quimiosintéticos.** Obtienen la energía de las propias reacciones químicas. - **Quimioautótrofos.** Forman compuestos orgánicos gracias al CO2 atmosférico y a la energía liberada en reacciones de compuestos inorgánicos. Por ejemplo, las bacterias nitrificantes. - **Quimioheterótrofas.** Son la mayoría de las bacterias que se alimentan de materia orgánica muerta como cadáveres de animales y restos vegetales. ## 8.3. La conjugación Este proceso de transferencia genética implica el contacto directo entre dos bacterias. El material genético pasa de una bacteria donadora a otra receptora a través de un pelo sexual. La información para formar el pelo sexual está codificada en un plásmido. Así, la bacteria donadora que contiene el plásmido lo transfiere a una bacteria receptora que no lo tiene. - Solo una de las cadenas del ADN del plásmido o de la bacteria donadora se transmite a la bacteria receptora. - Tanto la bacteria receptora como la donadora sintetizarán una nueva cadena, de forma que tanto el ADN y el plásmido vuelvan a ser de doble cadena. - Si el plásmido se encuentra integrado en el cromosoma bacteriano, puede transferirse, además del plásmido, parte del propio material genético de la bacteria donadora. - El fragmento transferido se integra en el ADN de la bacteria receptora y en la bacteria donadora se forma ADN de doble cadena. ## 8.4. La resistencia a antibióticos Estas transferencias se producen tanto en bacterias grampositivas como en gramnegativas y pueden provocar que las bacterias resistan los efectos bacteriostáticos o bactericidas de los antibióticos. Es lo que se conoce como resistencia a antibióticos. Esta resistencia puede ser natural o adquirida. - **Resistencia natural.** Si todas las bacterias de la misma especie son resistentes a un antibiótico. Se debe a particularidades de la pared bacteriana que impiden acceder al antibiótico al interior de la bacteria. - Por ejemplo, todas las bacterias gramnegativas, por las características de su pared celular, no permiten la entrada de la penicilina. - **Resistencia adquirida.** Si solo algunas bacterias de una especie, normalmente sensible a un antibiótico, presentan resistencia. Se genera por mutación o por adquisición de nuevos genes mediante mecanismos de transferencia horizontal. Estos mecanismos de transferencia de información genética son los principales fenómenos de aparición de bacterias resistentes a antibióticos. ## 8.2. La transducción Es un proceso de intercambio genético entre bacterias en el que interviene un virus como agente transmisor. Se trata de un virus que, por azar, contiene segmentos cortos del ADN de la bacteria que ha empleado para reproducirse. Según el virus siga un ciclo lítico o lisogénico, se distinguen dos tipos de transducción: generalizada y especializada. ### Transducción generalizada - El virus sigue un ciclo lítico en el que, durante el ensamblaje de los virus hijos, se introducen fragmentos de ADN de la bacteria destruida, en lugar de genoma vírico. A estos virus se les conoce como partículas transductoras, ya que no son infectivas. - El ADN de la primera bacteria se integra en el de la segunda. Esta bacteria, al no tener genoma vírico, vivirá y sus genes serán heredados por todas sus bacterias hijas. - El virus forma copias de su material genético y fragmenta el de la propia bacteria. - Algún fragmento del ADN bacteriano se empaqueta en una cápsida en lugar del genoma vírico. - Una segunda bacteria recibe la partícula transductora con el ADN de la bacteria anterior. - Los nuevos virus salen al exterior y lisan la bacteria. ## 8. La reproducción y la transferencia horizontal en bacterias La reproducción de las bacterias es de tipo asexual y se realiza por bipartición o fisión binaria. Todas las bacterias hijas son genéticamente iguales a la bacteria de la que proceden. - Antes de comenzar la división es necesario que se duplique la molécula de ADN, formándose una molécula idéntica de material genético. - Cada una de las moléculas de ADN se separa en las dos bacterias hijas que son genéticamente idénticas. Así, las colonias de bacterias que proceden de la reproducción de una sola son clones de individuos. Existen unos mecanismos mediante los que las bacterias pueden intercambiar información genética entre ellas, sean o no de la misma especie. Son los mecanismos de transferencia horizontal. Se conocen tres mecanismos de intercambio genético: la transformación, la transducción y la conjugación. ## 8.1. La transformación Es un proceso por el que una bacteria introduce en su interior fragmentos de ADN que aparecen libres en el medio, procedentes de la lisis de otras bacterias. La entrada de ADN puede deberse a proteínas de membrana. Los genes que entran se integran con el ADN bacteriano. Este modo está muy generalizado entre bacterias gramnegativas y grampositivas. - Captación de fragmentos de ADN de otra bacteria. - Incorporación del nuevo ADN. ## 1. La nutrición de las plantas Las plantas son organismos autótrofos que realizan la fotosíntesis. Obtienen agua, sales minerales y dióxido de carbono del medio en que viven y utilizan la luz como fuente de energía para fabricar su propia materia orgánica. ### Nutrición en plantas briofitas Las briofitas, musgos y hepáticas, son consideradas las plantas más primitivas. Son vegetales estructuralmente muy sencillos que carecen de tejidos conductores. No presentan raíz ni tallo ni hojas, aunque tienen estructuras parecidas, rizoides, cauloides y filoides, que recuerdan a las de las plantas cormofitas. - Al no poseer tejidos especializados, toda la planta está implicada en la absorción de nutrientes, el intercambio de gases y el transporte de sustancias mediante difusión entre sus células y el medio. - Los musgos y las hepáticas viven en medios terrestres, pero necesitan ambientes con mucha humedad. ### Nutrición en plantas cormofitas Estas plantas presentan tejidos y órganos especializados como las raíces, a través de las cuales se realiza la absorción de agua y sales minerales del suelo, and las hojas, que captan la luz y fijan el dióxido de carbono de la atmósfera. - Además, poseen un sistema de vasos conductores por el que se transportan tanto las sustancias incorporadas como las elaboradas en la fotosíntesis. Son las pteridofitas y espermatofitas. - **Intercambio de gases.** - **Transporte de la savia bruta.** - **Incorporación de nutrientes y formación de la savia bruta.** - **Fotosíntesis.** - **Transporte de la savia elaborada.** - **Metabolismo y almacenamiento.** - **Eliminación de sustancias de desecho.** ## 2.2. Absorción de agua Las raíces mantienen el aporte continuo de agua que las plantas necesitan para su nutrición y compensan la pérdida de la misma por transpiración. En algunos casos existen mecanismos de incorporación de agua atmosférica a través de células epiteliales de otros órganos. Al igual que en el caso de los minerales, la zona de la raíz en la que se absorbe el agua es la zona pilífera. La membrana celular actúa como barrera semipermeable entre el exterior y el interior de la célula; mientras que los minerales sufren una absorción selectiva, el agua atraviesa la membrana y penetra en los pelos por ósmosis. ### Factores que afectan a la absorción de agua por las raíces - La temperatura favorece el metabolismo celular y, por tanto, incrementa la absorción. Las temperaturas bajas la disminuyen. - La mayor aireación del suelo provoca un aumento de la superficie de absorción, formándose raíces muy ramificadas y pelos radicales largos y numerosos. - El aumento de la cantidad de agua en el suelo favorece su entrada a las raíces, siempre que la concentración de sales en el suelo sea inferior a la del interior de los pelos radicales. - La capacidad de retención del suelo es importante, pues en muchos casos el agua del terreno no es agua libre o circulante, sino que está retenida en forma de coloides. Además, en ocasiones, parte del agua queda fuertemente adherida a las partículas del suelo. - En los suelos salinos, la concentración de solutos en el agua del terreno es superior a la que existe en el interior de los tejidos de la raíz. Las plantas que viven en estos suelos poseen adaptaciones especiales que les permiten obtener agua, acumulando por ejemplo sales minerales en vacuolas de las células radiculares. ## 2.3. Recorrido de la savia bruta hasta el xilema Una vez que el agua y las sales minerales han penetrado en las células epidérmicas, forman la savia bruta, que circula hasta el interior de la raíz, donde se encuentra el xilema. El transporte hasta llegar a los vasos leñosos se puede realizar de dos maneras diferentes: mediante la vía simplástica o por la vía apoplástica. ### Vías de absorción de agua y sales minerales - **Vía A o simplástica.** El agua y los iones son transportados por ósmosis y transporte activo de unas células a otras a través de plasmodesmos, poros en las paredes y membranas celulares que unen los citoplasmas de células vecinas. - **Vía B o apoplástica.** El movimiento se realiza por difusión simple por el exterior de la membrana celular. Esta vía está formada por las paredes celulares y los espacios intercelulares. Este movimiento se ve interrumpido en la endodermis de la raíz, donde se encuentra la banda de Caspary, que bloquea esta vía y obliga al agua y los iones a seguir la vía simplástica. De esta manera se regula el paso de sustancias que llegan al xilema, evitando aquellas perjudiciales para la planta. ## 2. La incorporación de los nutrientes En las plantas cormofitas, la incorporación de la mayoría de los bioelementos se lleva a cabo en las raíces por medio de la absorción de agua y sales minerales del suelo. Además, la raíz puede almacenar sustancias de reserva and is un órgano encargado de la fijación de la planta al suelo. ### Partes de la raíz - **Cuello.** Zona de transición hacia el tallo. - **Zona de alargamiento.** Es la zona en la que se alargan las células y comienzan su diferenciación. No posee pelos absorbentes. - **Zona pilífera.** Contiene numerosos pelos absorbentes formados por extensiones de las células epiteliales cuyas paredes son delgadas y carecen de cutícula. Los pelos absorbentes aumentan la superficie de contacto con el agua del suelo, aumentando la capacidad de absorción. - **Cono vegetativo.** Parte terminal de la raíz. Es responsable de su crecimiento, con la yema vegetativa formada por meristemos primarios y protegida por la cofia o caliptra. ### Estructura primaria de la raíz - **Epidermis.** Situada en el exterior. Generalmente consta de una sola capa de células, sin cutícula y con prolongaciones que forman los pelos absorbentes. La epidermis es sustituida por la exodermis, capa de células cuyas paredes se suberifican, excepto en algunas zonas donde forman los puntos permeables de la raíz. - **Pelos absorbentes.** - **Floema.** - **Xilema.** - **Periciclo.** - **Parénquima cortical.** - **Endodermis.** - **Epidermis.** - **Cilindro central.** Contiene abundante parénquima; la capa más externa se llama periciclo y hacia el interior se encuentran los haces conductores de xilema y floema, en disposición radial. - **Corteza.** Está formada por parénquima cortical, que con frecuencia actúa como tejido de reserva. Su capa más interna es la endodermis, en cuyas paredes hay engrosamientos de suberina que interrumpen el paso del transporte de agua y sustancias disueltas, formando una estructura llamada banda de Caspary. ## 2.1. Absorción de minerales La absorción de sales minerales se realiza en forma de iones. Por ejemplo, el nitrógeno se absorbe como nitrato (NO3) y amonio (NH4+) y no puede incorporarse como N2, que es como se encuentra en la atmósfera. - El mecanismo de entrada es por transporte activo, por lo que es necesario un gasto de energía. Para ello, intervienen enzimas transportadoras localizadas en la membrana plasmática, introduciendo iones del exterior al interior de las células epidérmicas y los pelos absorbentes. También se han observado canales iónicos a través de la membrana que facilitan el proceso. Además, existen mecanismos por difusión e intercambio iónico sin gasto energético. - Las micorrizas son una asociación simbiótica entre hongos y raíces de plantas que facilita la absorción de agua y nutrientes del suelo de estas. ## 1.1. Otras formas de nutrición de las plantas ### Plantas carnívoras Estas plantas son totalmente autótrofas; sin embargo, han evolucionado en entornos con suelos pobres en nutrientes minerales por lo que tienen una forma alternativa para obtener esos nutrientes. Las plantas carnívoras disponen de hojas modificadas que actúan como trampas para capturar a sus presas. Además, en muchos casos intervienen glándulas nectaríferas y odoríferas que atraen a los animales. - La digestión de las capturas es siempre extracelular, mediante enzimas excretadas por células especiales, and is completed with the participation of microorganisms. ### Plantas parásitas Se distinguen two types of parasitism, the semiparasitismo and the holoparasitismo. Las plantas semiparásitas, como el muérdago, realizan la fotosíntesis and are autótrofas; sin embargo, viven sobre las ramas de los árboles y sus raíces penetran en el árbol chupando la savia bruta directly. - Las holoparásitas son estrictamente heterótrofas, como el orobanche y la cuscuta; no tiene clorofila and their roots penetrate the stems and roots of other plants from which they obtain the compounds necessary for their nutrition, both inorganic and the organic compounds produced by the host. ### Simbiosis Hay plants that live in symbiosis with other organisms, both benefiting from the relationship, as is the case in bacteriorrizas. The legumes have in their roots nodules with bacteria of the genus Rhizobium, which can directly capture atmospheric nitrogen needed for the synthesis of proteins that are used by the plant. The plant, in turn, provides the sugars needed by the bacteria. ## 1.2. Nutrientes minerales de las plantas Existen diecisiete elements químicos esenciales for the development of terrestrial plants. With few exceptions, all of them come from the soil. These bioelements can be divided into: ### Macronutrientes Se requieren en cantidades relatively large. They are carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S), magnesium (Mg), calcium (Ca), potassium (K) and nickel (Ni). ### Micronutrientes They are needed in very small quantities, so they are also known as trace elements. They are boron (B), chlorine (Cl), copper (Cu), manganese (Mn), zinc (Zn), iron (Fe) and molybdenum (Mo). ## 4.2. La transpiración La transpiración is the loss of water by evaporation that occurs in the leaves through a simple diffusion process. Most of the transpiration of a plant takes place through the stomata of the leaf epidermis. ### Factors that influence the speed of transpiration - **Temperature.** When it rises, water evaporation increases and transpiration increases; however, above 35 °C, the stomata close as the concentration of carbon dioxide increases due to increased cellular respiration. - **Wind.** It facilitates the elimination of water vapor near the leaf and increases transpiration. - **Relative humidity of the air.** If it is high, it decreases transpiration. ## 4.3. Opening and closing of stomata The stomata are made up of differentiated epidermal cells. In the stoma, there are two guard cells, kidney-shaped and with chloroplasts, and between them there is an opening or ostiole that connects with a substomatal chamber. In some cases, the epidermal cells surrounding the guard cells are specialized and are called accessory cells. - Most of the transpiration and gas exchange processes occur through the stomata of the leaves. The opening and closing of the stomata are due to changes in the turgor of the guard cells. When water enters from surrounding cells, the guard cells swell and, due to the different distribution of the cell wall, the ostiole opens; when water is lost, the ostiole closes. This water exchange is regulated by the K+ ion. When the concentration of K+ ions increases in the vacuoles of the guard cells, water enters by osmosis from the adjacent cells, causing the stoma to open. - The exit of K+ ions causes the exit of water and the closure of the stoma. This K+ ion flow occurs through specific channels with energy expenditure. ### Factors that affect the opening and closing of stomata - **Light.** It produces an increase in sugars by photosynthesis in the guard cells. The high concentration of sugars causes water to enter the cell by osmosis and, therefore, the stoma opens during the day. At night, the stomata close as the concentration of sugars decreases. - **Concentration of carbon dioxide.** Elevated carbon dioxide in the mesophyll due to increased cellular respiration causes the closure of the stomata. - **Availability of water.** It can influence by stimulating the closing of the stomata when there is a water deficit in the soil (water stress). ## 4. El intercambio de gases and transpiration The leaves are organs where two essential processes for plant nutrition take place: gas exchange and transpiration. ### Structure of the leaves - **Limb.** Leaf area, usually thin and flat, where the upper surface (adaxial) and underside (abaxial) are differentiated. The veins that are observed correspond to the vascular bundles. - **Nerves.** - **Blade.** - **Veins.** - **Sheath.** - **Petiole.** The part by which the blade is attached to the stem; sometimes, a widening or sheath may develop at the base of the leaf, surrounding the stem above the node. - **Epidermis.** It is composed of a layer of cells that secrete cutin, forming a cuticle that surrounds the limb superficially. Both the cuticle and the epidermis are transparent, allowing light to pass through to the photosynthetic cells of the mesophyll. - **Cuticle.** - **Epidermis of the blade.** - **Palisade parenchyma.** - **Stomata.** They are more numerous on the underside than on the upper surface. They are structures that put the outside of the leaf in contact with the intercellular spaces inside. - **Epidermis of the underside.** - **Spongy parenchyma.** - **Cuticle.** - **Vascular bundles.** They are found in the mesophyll; they are composed of xylem and phloem, forming the leaf venation. - **Mesophyll.** In most plants it is composed of palisade parenchyma, on the upper surface, and spongy parenchyma, on the underside. The first is made up of two or three layers of elongated cells with a large number of chloroplasts and joined in the direction of the leaf surface. In contrast, in the spongy parenchyma, the cells are irregular, leaving many gaps and containing few chloroplasts; it acts mainly as reserve tissue. ### Gas exchange Plants exchange carbon dioxide and oxygen with the atmosphere mainly through stomata. - **During the day.** With illumination, plants carry out photosynthesis and continue to respire. The intensity of gas exchange due to photosynthesis is greater than that of respiration, so overall, plants release oxygen and consume carbon dioxide during the day. - **At night.** In the dark, plants do not carry out photosynthesis, so only consumption of oxygen and release of carbon dioxide occur due to cellular respiration. - In stems older than one year, gas exchange also occurs through lenticels, cracks or gaps present in the cork tissue that put the inner parenchyma in contact with the outside. ## 3.1. Mechanisms of raw sap transport In the upward transport of raw sap, a series of mechanisms are involved which are able to move, through the interior of the vessels and tracheids, a large amount of water against the force of gravity. ### Transport of raw sap through the xylem - **Transpiration suction.** Water evaporates through the stomata of the leaves; this generates a tension or negative pressure and, consequently, the water rises through the xylem vessels. This tension is transmitted along the vascular system, from the stem to the roots, causing the water to move like due to a suction effect. - **Cohesion-adhesion.** Water molecules are strongly bound to each other; this high cohesion and the strong adhesion of water molecules to the walls of the xylem cells allow water to rise. The force of transpiration attraction is transmitted, molecule by molecule, throughout the water column. The fine structure of the xylem vessels and the properties of cohesion and adhesion of water allow the raw sap to rise by capillarity. - **Root pressure.** The pressure exerted by osmotic mechanisms in the root hairs, “pushes” water molecules upward. Under normal conditions, this pressure is very low, but when transpiration conditions are scarce, root pressure can have greater importance. - **Xylem vessel.** - **Stoma.** - **Transpired water.** - **Air.** - **Water.** - **Xylem cell.** - **Soil.**