Microbiología 2do Cuatrimestre 2021- Parte 1 PDF

MICROBIOLOGÍA 2do Cuatrimestre 2021- Primera parte I. Microrganismos y Biosfera Curiosidades del Brock Bacterias: “un grupo muy grande de células muy pequeñas” (pág. 1) OJO está siendo cuestionado el tema del tamaño. Hay bacterias tan grandes que pueden verse a simple vista! En relación a la estructura, “Hemos excluido los virus a propósito, porque aunque parecen células en muchos aspectos, los virus no son células, sino una categoría especial de microorganismos.” (pág. 2) RAARO comparar virus con células, nada que ver! “El citoplasma es una mezcla acuosa de macromoléculas…” (pág. 2) Este concepto de citoplasma como sopa de compuestos está bastante errado, se sabe que es una estructura organizada y regulada. “Las células procariotas son propias de Bacteria y Archaea; suelen ser pequeñas y de estructura bastante sencilla” (pág. 2) Estructura sencilla? NO LO KREO. De sencillas no tienen NADA. OJO siempre leer bibliografía con un ojo crítico, mismo el Brock que es nuestro libro de referencia tiene cosas dudosas. La tierra tiene una edad aproximada de 4500 m-a- y la evidencia de vida microbiana data los 3850m.a. Se sabe que la vida microbiana tuvo influencias ENORMES en las condiciones de la biosfera, mientras que la aparición de macrofósiles es de 600-700m.a. Microrganismos han modelado las condiciones ambientales actuales. Se encuentra C12 en rocas sedimentarias, isótopo resultado en general de actividad biológica. ESTROMATOLITOS evidencia fósil de existencia bacteriana. Son formaciones multilaminares fósiles de carbonato de calcio. Se encuentran en aguas oceánicas y dulces. El primero fue descubierto en Australia y encierran en sus capas evidencia de microorganismos: estos secretan exopolisacáridos que mezclados con los minerales de las rocas los embeben y permiten su conservación. Existen microfósiles de este tipo de 3456 m.a., hay también más recientes. Estromatolitos en Laguna Socompa. Laguna de la puna Andina argentina donde se encontraron estromatolitos. En sólo 7mm se observa una drástica sucesión de adaptaciones metabólicas: los de la capa superior toleraban alta radiación UV por ejemplo. Distintos tipos de microorganismos adaptados a las distintas condiciones de los estratos. Esta laguna cuenta además con condiciones extremas (alto arsénico, alta radiación UV, alta latitud, gran amplitud térmica) Descubrimiento da idea de que bacterias con capacidades metabólicas diferentes pueden funcionar y dar lugar a una estrategia cooperativa para sobrevivir en uno de los ambientes más extremos de la Tierra. ¿Cómo eran las condiciones ambientales? ▪ Temperatura entre 0° y 100°C )para que haya vida debe haber agua líquida) ▪ Atmósfera anóxica, reductora con mucho metano, dióxido de carbono, nitrógeno, amonio, trazas de CO e hidrógeno gaseoso y sulfuros, productos de actividad volcánica ▪ Precondición de vida: presencia de compuestos orgánicos ▪ El oxígeno no pudo haberse formado en gran cantidad (hoy constituye no más del 20%) ¿Dónde se originó la vida? Luego del experimento de Miller de síntesis abiótica de compuestos orgánicos se pensaba que así había ocurrido el primer ensamblaje de moléculas orgánicas que posteriormente se habrían asociado y organizado para dar lugar a la primera célula. Pero el descubrimiento de Vertientes hidrotermales submarinas, ubicadas en distintos lugares del mundo, a altísimas profundidades oceánicas, cambió el panorama. En estas vertientes hay fumarolas, esto es un flujo de aguas termales a altas temperaturas que se caracterizan por un pH alcalino y alto contenido de compuestos inorgánicos reducidos. El gradiente de estas condiciones con las de las profundidades oceánicas (bajas temperaturas, bajo pH) se cree que fue el que dio lugar en un principio a la formación de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos reducidos en esa estructura proporcionada por la fumarola de pirita, silicatos, carbonatos, etc. Teoría de la pirita: origen de primeros microorganismos Reacción del azufre de hierro de las profundidades oceánica y el azufre de aguas termales en presencia del sulfhídrico habrían dado lugar a la pirita (disulfuro de hierro) Esta es una reacción irreversible y exotérmica (mucha E), que provee E necesaria para la fijación de CO2 y de esa manera en la superficie de la pirita (alta carga +) se habrían quedado unidas las primeras macromoléculas que luego darían lugar al ciclo de acidos tricarboxilicos Se postula la necesidad de soporte para la generación de primeras macromoléculas, dado por la pirita. En paralelo se postula con esta teoría un esquema básicos e hipotético de cómo habría sido el mecanismo de generación de E y almacenamiento en moléculas de ATP. El hidrógeno gaseoso, actuando como dador de e- y el azufre como aceptor habrían generado un gradiente protón motriz, que en presencia de hidrogenasa primitiva habría facilitado la generación de una fuerza protón motriz que con una ATPasa primitiva habría resultado en la generación de las primeras moléculas de ATP Hoy se discute que este fenómeno de aprovechamiento de fuerza protón motriz a partir del H2 como dador también podría ocurrir en cualquier parte de la subsuperficie oceánica a partir de la radiólisis de moléculas de agua (no solo en fumarolas) Radiólisis podría estar generalizada en cualquier roca que contuviera agua en la subsuperficie. Escala Temporal Se cree que la aparición de cianobacterias oxigénicas llevó a un aumento del oxígeno atmosférico que dio lugar posteriormente a microorganismos aeróbicos y posteriormente a macrorganismos. Desde el origen hasta la actualidad las bacterias y Archaeas nos acompañan! FILOGENIA Atención que eucariota y procariota NO es una distinción filogenética. 1979 Carl Woese describe Arquibacteria, diferenciándolas de las bacterias que se conocían hasta el momento (también llamadas eubacterias) Esto plantea a los procariotas como un grupo NO monofilético, gran cambio de paradigma. Se divide ahora a los organismos en 3 reinos y no más en 5 dominios a. Bacteria b. Archaea c. Eukarya Se llega a esta clasificación de los tres dominios mediante estudios del rRNA 16S. Se observa que a nivel molecular y bioquímico, las diferencias entre Archaea y Bacteria son más grandes que entre un humano y una planta. Básicamente ambos son procariotas pero NADA QUE VER. Eukarya a su vez tiene genes que provienen de Archaea (genes que contienen información) y de Bacteria (genes más operacionales, de tipo metabólico) POSIBLE ORIGEN DE LA VIDA ¿Cómo llegamos al LUCA (last universal common ancestor)? Primera etapa con mundo RNA, luego se habría evolucionado hacia la producción de distintas proteínas y finalmente a la aparición del DNA junto con el desarrollo de estructuras de membrana (primer ancestro) MODELO DEL BIG GANG GEOLÓGICO Koonin, 2007 Plantea la evolución de los distintos dominios a partir del LUCA. En la evolución de cada dominio habría habido momentos de rápida evolución y otros de un proceso evolutivo más lento que habría dado lugar a distintas ramas del árbol FASE I etapa de evolución rápida, intercambio de material genético. Luego aparecen primeras células protobacterianas, primeras con membrana. Estas son integrantes de la etapa rápida de la fase II FASE II habría habido fuerte intercambio de material genético (ya contenido en estructura protocelular) y a partir de eso habrían evolucionado bacterias y archaeas por lados distintos. FASE III Dominio Eukarya surge a partir del fenómeno de endosimbiosis partiendo de células protoarhaeales. Surgen mitocondrias y cloroplastos. TEORÍA ENDOSIMBIOTICA protocélula habría fagocitado una bacteria (protobacteria) que a lo largo de la evolución habría dado lugar a las mitocondrias. En el caso de los cloroplastos se habría fagocitado una cianobacteria. En ambos casos las organelas comparten características con los grupos bacterianos de origen. PROCARIOTAS EUCARIOTAS Cromosoma circular siempre en citoplasma Cromosoma lineal doble en núcleo con envoltura nuclear Sin nucléolo Con nucléolo Respiración en membrana celular Respiración en mitocondrias DNA extracromosomal en plásmidos DNA extracromosomal (cloroplastos y mitocondrias) Locomoción con flagelos que rotan (flagelina) Locomoción con flagelos que ondulan Ribosomas en citoplasma Ribosomas en organelas La variable TAMAÑO ya no se tiene muy en cuenta al describir microrganismos: hay bacterias visibles al ojo humano desnudo, el tema tamaño no tiene sentido dentro de la clasificación porque siempre hay excepciones. HISTORIA DE LA MICROBIOLOGÍA Se comienza estudiando microorganismos que producían enfermedades, que ahora sabemos es solo la punta del iceberg de lo que es el mundo micro) INVENCIÓN DEL MICROSCOPIO (Leeuvenhoek 1636-1723) dibujos de lo que observaba en el microscopio primitivo se veían muy similares a las formas que sabemos tienen hoy muchos microorganismos Primera etapa: inmunología médica y microbiología Pasteur y Jenner como protagonistas: estudios en fermentación, contaminación bacteriana, vacunación contra la viruela por parte de Jenner (obtención de virus atenuado a partir de fístulas de una ama de llaves e inyección a un niño sano) Segunda etapa tratar de comprender ecología, metabolismo y adaptaciones de microorganismos. Se los empieza a estudiar como agentes de modificación de nivel ambiental. Dos científicos con aporte notables: Neijerinck (1851-1931) y Winogradsky (1850-1953) pos sus descripciones de metabolismos, microbiología del suelo, bacterias NO causantes de enfermedades. Neijerinck Describió métodos de enriquecimiento, descubrió y describió muchos grupos de bacterias: reductoras del sulfato, fijadores de nitrógeno, desnitrificantes y realizó los primeros trabajos con bacterias lácticas Winogradsky se lo considera el padre de la microbiología del suelo, instaló el concepto de autotrofía, estudió y describió la nitrificación, la oxidación de H2S, S, Fe(II) e hizo estudios en Quimioautotrofía - e- donores = inorgánicos Tercera etapa abarca el estudio de microorganismos como agentes de mejora de la vida humana en campos como la biotecnología, agricultura, comida, salud, energía y medio ambiente. ¿Por qué estudiar microbiología? Porque fueron las primeras formas de vida Crearon la biosfera que permitieron la evolución de organismos multicelulares Más del 50% de la biomasa está compuesta por microorganismos Su estudio resulta en notables aportes en el campo de salud, agricultura, alimentos y medio ambiente. II. Diversidad Microbiana Clasificación e identificación de microorganismos Se conocen pocos microorganismos y hay poca información sobre ellos, por el simple hecho de que no se pueden ver a simple vista (LIMITACIÓN) Otro problema es que no tienen grandes diferencias morfológicas, para conocerlos a algunos hay que cultivarlos y muchos otros NO son cultivables. CLASIFICACIÓN: Agrupación basada en similitudes y diferencias. Es más fácil estudiarlos en grupos, ayuda a identificar organismos nuevos y se usa como base de la nomenclatura. Idealmente la clasificación refleja las relaciones filogenéticas. Pero ¿Qué características usamos para clasificar? 1. Características fenotípicas Características morfológicas son las que se observan primero y pueden corresponder a las células o a las colonias de las mismas. Algunos ejemplos son la forma de las células, ubicación de los flagelos, aspecto de colonias. Pero OJO porque en procariotas organismos morfológicamente distintos pueden estar muy emparentados y viceversa. Además la diversidad morfológica en bacterias es muy limitada no como en insectos o en plantas por ejemplo. Características fisiológicas En procariotas son mucho más diversas, pero están muy relacionadas con el hábitat por una cuestión de convergencia evolutiva (existen por ejemplo múltiples bacterias fotosintética con distintos orígenes filogenéticos) Entonces…Qué características comparar? Las morfológicas NO son suficientes para clasificar los microorganismos. Además la morfología de un microorganismo puede cambiar frente a distintas condiciones de crecimiento (ambientales) por ejemplo la forma de las colonias o las células. A continuación se muestra una imagen de la misma cepa creciendo en condiciones diferentes. Algunas características fenotípicas muy usadas ⮚ Tinción de Gram: refleja la composición de la pared, se usa para identificar grandes grupos de bacterias. ⮚ Otras características de cultivo como el olor, color, aparición de sedimento, etc ⮚ Morfología de las células y/o de las colonias ⮚ Características bioquímicas como Serología (reacción frente a determinados anticuerpos), análisis de ácidos grasos (FAME), presencia o ausencia de enzimas o productos metabólicos, crecimiento y aspecto en medios de cultivo especiales ⮚ Características ecológicas relacionadas con otros organismos, requerimiento de pH, temperatura, salinidad, oxígeno ⮚ Proteómica: se analizan las proteínas presentes en un determinado cultivo en determinadas condiciones (MALDI-TOF-MS) ANÁLISIS DE ÁCIDOS GRASOS (FAME-Fatty Acid Methyl Esters) Se estudia la composición de ácidos grasos de la membrana de las células. Se extraen los ácidos grasos, se los desnaturaliza para formar los ésteres metílicos y se lleva adelante una cromatografía gaseosa. Este perfil de ácidos grasos se mantiene dentro de un grupo de bacterias y por eso se lo utiliza para clasificación. Se hace en condiciones estrictas de cultivo porque varía mucho según el medio. Las características fenotípicas pueden usarse en conjunto para determinar la identidad de un organismo. Usadas en microbiología clínica y para identificación de rutina en el laboratorio, es decir básicamente cuando tengo un puñado de opciones. LIMITACIONES de las características fenotípicas Es necesario crecer las células y se debe disponer de un cultivo puro (esto en la microbiología clínica por ejemplo no es una limitación) Pueden cambiar con las condiciones de cultivo. No necesariamente se corresponden a la filogenia (por varias razones pero muy frecuentemente por convergencia evolutiva) Por estas razones las clasificaciones por estas características son clasificaciones artificiales. 2. Características Genotípicas FILOGENIA: Analiza las relaciones evolutivas entre los organismos. La filogenia ideal establecería las relaciones entre todos los organismos que existen. Se llega a una clasificación NATURAL mediante un análisis filogenético. Usando información genética puedo comparar organismos y establecer relaciones filogenéticas. Registro fósil permite comparar características de organismos de distintas épocas y establecer relaciones de parentesco. Problema: el registro fósil de microorganismos es muy limitado y sólo se puede ver caracteres morfológicos. ¿Cómo hacemos si no tenemos antecesores fósiles? Linus Pauling (1901-1994) ¿Es posible que dentro de los organismos sobreviva gran parte de la información sobre su historia? Plantea en 1965 la posibilidad de usar las moléculas como documento de historia evolutiva: los ácidos nucleicos y proteínas contenían en su propia estructura la historia evolutiva de los organismos. ANALISIS DE MACROMOLECULAS se analiza las diferencias y similitudes entre las secuencias nucleotídicas de organismos actuales. Alternativa por falta de fósiles. RELOJ MOLECULAR concepto que postula que la cantidad de cambios producidos en las moléculas está relacionado con el tiempo evolutivo de divergencia entre esos dos organismos (es proporcional a éste) Si comparo una molécula de dos organismos diferentes el número de cambios es proporcional al tiempo de divergencia) más diferencias, más tiempo de divergencia) Para distinguir entre relaciones cercana o distantes necesito diferentes “velocidades de evolución” hay proteínas/genes que cambian mucho y otros que cambian poco. Por eso puedo usar cualquier proteína o gen siempre y cuando esté presente en todos los organismos que estoy analizando ¿Qué secuencias usar? El reloj molecular más utilizado fue la subunidad pequeña del 16SrRNA REVOLUCIÓN DE WOESE (1977) estudios de RNAribosomal Comparando las secuencias de la subunidad pequeña del rRNA 16S podía construir una filogenia universal y cuantitativa, se podían ver 3 grandes grupos con esta filogenia: los 3 actuales dominios. Este estudio es el que originalmente propone la existencia de Archaea. Las regiones con más variabilidad se utilizan para estudiar los organismos más relacionados ¿Por qué el rRNA 16S? Está muy conservado: todos los organismos vivos lo tienen y cumple en todos la misma función: es esencial para la producción de proteínas. Tiene baja tasa de evolución, pocos cambios a lo largo de la evolución. Es una secuencia muy conservada pero tiene regiones con más variabilidad Poco tamaño, fácil de secuenciar En la práctica Se establecen similitudes y diferencias mediante el alineamiento de secuencias en una región altamente conservada del 16S/18S rRNA. Hay regiones que son idénticas para todos los organismos! Los alineamientos se cuantifican y se representan gráficamente (X n° de cambios por sitio) con el largo de las ramas del árbol. En final de las ramas son los nodos externos (especies conocidas) y los nodos internos corresponden a ancestros comunes entre nodos externos Las distancias evolutivas indican el n° de cambios de las secuencias nucleotídicas: distancia determinada en el árbol filogenético. OJO para llevar estas distancias a unidad de TIEMPO tengo que tener fósiles de referencia para datar, lo cual es más complicado en microorganismos, por lo tanto usamos tiempos evolutivos para hablar de distancia y no tiempos cronológicos. Utilizando distintas moléculas pueden obtenerse árboles muy diferentes, aun utilizando organismos pertenecientes a distintos dominios. Esto se debe a la TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENES entre organismos de diferentes linajes que coexisten en el tiempo (no hay sólo transferencia génica de padres a hijos) Si yo construyo el árbol suponiendo transferencia vertical, dependiendo el gen obtengo distintos resultados porque en microorganismos la trasferencia génica no es únicamente vertical La trasferencia horizontal hace que los árboles parezcan enredaderas. En los genes de 16SrRNA es muy poca la transferencia lateral (si bien hay casos, es menos frecuente) La transferencia lateral entre dominios existe, o entre organismos eucariotas, y hay ejemplos, pero son eventos menos frecuentes que en el caso de los microorganismos EJEMPLO Primer reporte de transferencia genética horizontal entre una planta y un animal. Las mosquitas (Bemisia tabaci) pueden tolerar una toxina presente en las plantas que comen debido a un mecanismo de protección que se encuentra en los genes de la planta. Es probable que estos genes hayan sido adquiridos por las mosquitas a través de un virus hace millones de años. ¿Cuál es la verdadera diversidad de los microorganismos? Estudios de genes de 16SrRNa de muestras naturales (como agua de mar) y comparación con los ya identificados permiten proponer nuevos grupos. De esta manera el árbol es cada vez más denso, con más organismos. En este contexto, cuan relevante es la heterogeneidad? ESPECIE: grupo de organismos que se parecen más entre sí que a los de otras especies. En organismos sin reproducción sexual no se puede usar el criterio de aislamiento reproductivo (como se usa en animales o plantas) entonces, ¿cómo definimos una especie bacteriana? EJEMPLO diversidad genética en E. coli. Especie muy diversa, con gran variedad de cepas, alguna son patogénicas, otras uropatogénicas, etc. Hay mayor diversidad genética dentro de la especie E.coli que entre todos los primates. CONCEPTO DE ESPECIE EN PROCARIOTAS Existen dos tendencias a. Agrupadores o lumpers: proponen agrupar todas las cepas conocidas en unas pocas ”especies” y considerar que esas diferencias son propias de la diversidad dentro de una misma especie b. Divisionistas o splitters: Proponen que si dos cepas difieren aunque sea un poco, sean consideradas especies diferentes. En la práctica Se obtienen los dos genomas a comparar, uno se marca (por ejemplo con P*) y se compara el porcentaje de hibridación de un organismo (100%) con el obtenido al mezclar los dos DNAs Esto varía según cual símiles sean, si ese porcentaje es mayor al 70% se las considera la misma especie. Hoy en día se hace in sílico conociendo la secuencia del genoma de los organismos a comparar, originalmente era solo experimental. Filogenomica filogenia basada en genomas completos. Otros árboles de la vida: Cuando se dispone de genomas completos se pueden elegir diferentes secuencias para hacer el árbol mientras cumplan los criterios de estar presentes en todos los organismos y tener igual función En base a estos estudios el nuevo paradigma es el de 2 dominios: uno de Bacteria y otro compuesto por Eukarya y Archaea VIRUS se encuentran secuencias de origen viral en los genomas de TODOS los organismos secuenciados. No están contemplados en el árbol de la vida porque NO son células no están compuestos por ellas, no tienen ribosomas, no los puedo entonces contemplar en los árboles que vimos. Pero eso no implica que no sean IMPORTANTÍSIMOS nivel evolutivo! III. Estructura de Bacterias y Archaeas Estudio de estructura de células procarióticas está muy vigente y con un avance a medida que avanzan las tecnologías. Vamos a estudiar las estructuras internas de estos organismos (generalidades) 1- DNA-cromosoma que se encuentra libre en el citoplasma 2- Vesículas de gas (especialmente en microorganismos acuático) 3- Materiales de reserva intracelular 4- Membrana celular y pared celular (con o sin estructuras embebidas, dependiendo del caso) DNA-CROMOSOMA En general circular (hay casos de lineal, OJO siempre hay excepciones) y unicopia, con 500 a 12000 genes aproximadamente. Este cromosoma sufre un proceso de super enrollamiento con una DNA girasa y posterior estabilización con proteínas para mantenerlo compactado. Topoisomerasa relaja esta estructura para su copia en la división celular. DNA extracromosomal: PLÁSMIDOS tienen info complementaria que puede ser de utilidad dependiendo del ambiente donde esté creciendo la bacteria. Ribosomas con un coeficiente de sedimentación de 70S (igual para arqueas) pero a veces difieren en su estructura con los de éstas. En las fotografías electrónicas se observan como puntitos negros VESÍCULAS DE GAS Estructuras proteicas en donde se encuentran entrecruzadas dos proteínas (GypA y GypC) tremendamente rígida e insoluble. La composición de la proteína de la vesícula de gas ha sido un problema difícil de resolver debido a la extrema resistencia de la estructura a la solubilización. Se desconoce el mecanismo por el cual se genera este gas que le permite a las bacterias acuáticas ajustar su nivel de flotabilidad en la columna de agua y así alcanzar la altura óptima para captar las longitudes de onda adecuadas para hacer fotosíntesis. MATERIALES DE RESERVA reserva nutricional y aporte para mantener la presión osmótica en la célula. -Compuestos orgánicos almacén de glucógeno y almidón, cianoficina (polímero de asp y arg) y PHB (polihidroxibutiratos, fuente de C que se almacena en vesículas intracelulares) -Compuestos inorgánicos como azufre en granos de S elemental, y fosfatos en unas estructuras llamadas volutina (polímeros de fosfato) ¿Existe la “organización celular” en procariotas? Estudios recientes muestran una organización intracelular con patrón identificable, la distribución “organizada” no es de eucariotas, es más antigua de lo pensado. Se observan dos características fundamentales a. Polos de la célula estructuras que forman parte de un sistema sensorial que les permite responder al ambiente mediante ya quimio y foto taxis. Estructuras especializadas y localizadas en sitio particular determinado. b. Citoesqueleto bacteriano en forma de filamentos intracelulares. Se los conoce como homólogos de la actina B (actina MreB). También hay homólogos d ela tubulina eucariótica (FtsZ) Bibliografía los refiere como elementos de un citoesqueleto por su gran homología con los constituyentes eucarióticos del citoesqueleto. Colaboran para mantener estructura celular, intervienen en la división celular, en la segregación del DNA cromosomal y plásmidos y la organización compartimental de las células. ORGANELAS PROCARIÓTICAS Es falso decir que los procariotas son una bolsa de enzimas. Hay compartimentos y organización intracelular. Poseen estructuras sub celulares que tienen contenido compartimentalizado que facilitan ciertas reacciones metabólicas. Son elementos tipo organelas. ORGANELA: cualquier estructura subcelular unida a membrana, con un contenido proteico definido, que provee un ambiente único para la ejecución y el secuestro de reacciones bioquímicas. CARBOXISOMAS Estructuras proteicas que concentran gran cantidad de Rubisco y facilitan que se lleven a cabo las funciones de fijación de C de una manera localizada/ centralizada. MAGNETOSOMAS cristales de magnetita (Fe3O4) o greigita (Fe3S4) dispuestos a lo largo de la membrana que se desplazan según el campo magnético en el que se encuentran. Permiten el desplazamiento de la célula MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS a modo de especialización para la realizaciónd e la fotosíntesis. Por ejemplo CLOROSOMAS (tipo bolsitas) o capas membranosas tipo tilacoides. MEMBRANAS INTERNAS de Planctomyces, bicapa que rodea el cromosoma bacteriano, tipo membrana nuclear! ENCAPSULINAS Son nanocompartimentos en forma de cápsides icosahédricas más pequeñas y menos complejas que los BMC y están formadas por una única especie de proteínas de cubierta que se autoensambla y típicamente encapsula sólo un tipo de proteína. “Especialización y organización multicelular es exclusivo de eucariotas” es un MITO y es FALSO Encontramos bacterias y arqueas en colonias y formando consorcios con otras de su tipo y otros tipos d eorganismos. Un ejemplo de estos son los sistemas de BIOFILMS, está muy estudiado que las bacterias NO crecen como organismos unicelulares por su cuenta y solos. CONCLUSIONES PARCIALES Los procariotas NO son células simples e indefinidas desprovistas de una arquitectura subcelular organizada. Las proteínas como la actina y la tubulina tienen sus homólogos en los procariotas con funciones intercambiadas: NO son exclusivas de eucariotas. Los procariotas presentan compartimentalización intracelular: NO es un hecho exclusivo de las células eucarióticas. Los procariotas viven en comunidad y no como organismos unicelulares aislados. MEMBRANA CELULAR ⮚ Vía de transporte de nutrientes hacia el interior y de desechos hacia el exterior (Permeable de manera selectiva a compuestos químicos) ⮚ Sitio de anclaje de muchas proteínas que participan en el transporte, la bioenergética celular y quimiotaxis ( como enzimas respiratorias) ⮚ Sitio de generación de fuerza protón motriz ⮚ Barrera física primordial Bicapa fosfolipídica con proteínas periféricas e integrales. Fosfolípidos + 200 tipos diferentes de proteínas (70% de la masa) Proporción de proteínas notable frente a otras membranas Posee Replicación del DNA CENTRO PRINCIPAL DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA EN LA CÉLULA PROCARIÓTICA HOPANOIDES que estabilizan la membrana. Son compuestos pentacíclicos similares a los esteroles, cuya función principal es conferir rigidez a la membrana plasmática. Función similar a la del colesterol en eucariotas ARQUEAS varias diferencias con bacterias y las termófilas demás cuentas con adaptaciones para resistir altas temperaturas. Los ácidos grasos son reemplazados por FITANILOS (otros lípidos que no son ácidos grasos) unidos a glicerol por una unión éter. En algunos casos conforman estructura tetra éter (con dos gliceroles) lo que da una forma de MONOCAPA LIPÍDICA única estructura de monocapa, colabora a la adaptación de termófilas en ambientes extremos. SISTEMAS DE TRANSPORTE DE MEMBRANA Son sistemas requeridos para la incorporación de nutrientes y la eliminación de productos de desecho a través de las membranas. Tres tipos generales de transporte de membrana 1. Transporte simple 2. Translocación de grupo: El compuesto se modifica químicamente durante el transporte. Ejemplo sistema fosfotransferasa a. Fosfoenolpiruvato (FEP) (un compuesto de alta energía) provee la energía; b. El fosfato es transferido al nutriente por una serie de reacciones de fosforilación y desfosforilación; c. Está presente en anaerobios obligados y en algunos facultativos. 3. Transportador ABC PARED CELULAR La composición de las mismas es uno de los más importantes factores del análisis y diferenciación de las especies bacterianas. Las paredes celulares de las bacterias no son idénticas. Existen en arqueas pero NO son de peptidoglicano, ese es un componente distintivo de este grupo. Desde el punto de vista clínico contribuyen para provocar enfermedades (es en sí un factor de virulencia) y constituyen el sitio blanco y de acción de ciertos antibióticos (que impiden su formación, impidiendo proliferación bacteriana) Por ejemplo la penicilina inhibe la reacción de transpeptidación: Inhibe la formación del puente peptídico del peptidoglicano Funciones: ⮚ contrarrestar la presión osmótica ⮚ sostener apéndices bacterianos ⮚ sitios de adsorción de patógenos (fagos) no es exactamente función xd TINCIÓN DE GRAM Existen dos tipos de paredes celulares y se distinguen por este tipo de tinción Gram +: mayor proporción de peptidoglicano (40-80% de peso seco en peptidoglicano) Peptidoglicano consiste en azúcares en cadenas de glicanos unidos por puentes peptídicos. Pared por fuera y membrana por dentro Gram -: además de membrana celular interna y pared celular tienen una segunda membrana celular (membrana externa). Misma cadenas que conforman el peptidoglicano. Membrana externa con estructura fosfolipidica con lipopolisacáridos y estructuras proteicas tipo poros. Entre pared y membrana externa se cuenctra espacio virtual llamado PERIPLASM, con enzimas, proteínas, factores quimiotácticos y factores de síntesis de pared celular. GRAM POSITIVA GRAM NEGATIVA PEPTIDOGLICANO Varía entre gram + y gram -. En el segundo caso se une el extremo amino terminal de la cadena peptídica con el carboxilo terminal del N acetil murámico (azúcar) y la cadena tiene distintos tipos de aminoácidos, y la unión entre cadenas peptídicas siempre es entre los aminoácidos D-Ala y DAP. Es decir, el entrecruzamiento del PEP está formado por un enlace peptídico entre el grupoamino de DAP de una cadena de glicano y el grupo carboxilo de la D-ala terminal de la cadena de glicano adyacente. En cambio en gram + la unión entre cadenas peptídicas es entre D-Ala y Lys, pero no es una unión directa sino a través de un puente peptídico (en general de Glisinas) La composición del puente y de las cadenas peptídicas varía según la bacteria, por eso la composición del peptidoglicano puede ser diferente. Características del peptidoglicano (1) Existen más de 100 peptidoglicanos químicamente distintos que varían en sus entrecruzamientos peptídicos y/o en sus puentes. La porción de glicano es la misma en todos los peptidoglicanos, formada por NAG y NAM y siempre enlazados por enlaces β-1,4. O sea que la composición exacta del puente peptídico varía entre las diferentes bacterias (2) La pared celular contiene D- y L- aas; las proteínas contienen sólo L-aas (3) Solo Bacteria tiene peptidoglicano (4) La lisozima rompe los puentes 1,4 entre los azúcares del peptidoglicano y lisa las células LIPOPOLISACÁRIDOS (LPS) en general presentes en membrana externa, suelen ser factores de virulencia Aportan resistencia a la bacteria Gram + y es tóxico en animales PARED CELULAR EN ARQUEAS En el caso de que cuenten con pared suele ser de pseudo peptidoglicano: con HdC distintos a los del peptidoglicano tradicional y puentes peptídicos diferentes OTRAS ESTRUCTURAS que se encuentran por fuera de la pared celular o membrana externa APÉNDICES 1. FLAGELOS Motilidad-movimiento en procariotas. Constituidos por la proteínas flagelina e inserto en memebrana externa, pared y membrana citoplasmática Intervienen en procesos de quimio y fototaxis y requieren mucho ATP. En bacterias usan fuerza protón motriz, en arqueas ATP directo 2. FIMBRIAS Y PILLI estructuras proteicas en las superficies bacterianas. Pilli a veces constituyen factores de virulencia e intervienen en el intercambio de material genético. 3. ENDOFLAGELOS (filamentos axiales) En espiroquetas. Anclados en un extremo de la célula. Su rotación permite el movimiento de la bacteria. Atraviesan interior celular, movimiento rotatorio ESPORULACIÓN Ejemplo bacteriano de desdiferenciación celular. No todas las bacterias lo hacen Ocurre cuando las bacterias están en problemas: déficit de nutrientes-carbono, condiciones ambientales desfavorables. Es un mecanismo de supervivencia (y dispersión) Es un proceso complejo y caro que le permite diferenciarse en una estructura de resistencia ESPORA: Estructuras altamente tolerantes al calor y a la desecación, presentes en suelos y vegetación. Su manera de sobrevivir a condiciones extremas y dispersarse más lejos de su hábitat. La ajustada regulación permite conservar energía y solo esporular cuando es necesario El ciclo de producción de esporas comienza dentro de la célula vegetativa. La espora una vez madura abandona la célula en un proceso llamado proceso de esporulación Comienza por la formación del septum, luego en el fragmento chico se desata la formación de la pre espora. Se sintetizan distintas capas: Membrana+ Pared+ CORTEX+ cubierta (esta última con proteínas asociadas que impiden el daño por luz UV) Estas capas confieren rigidez y protección. Cuando está madura ocurre lisis celular y la espora se libera (célula que la produjo MUERE) Pasaje ESPORA-CÉL VEGETATIVA Activación de la espora por variaciones en la temperatura, pH, potencial redox La espora activada germina, para lo cual necesita nutrientes Aumenta la actividad metabólica Se rompe la cubierta de la espora; se absorbe agua Se sintetizan macromoléculas: DNA, RNA, proteínas. Célula vegetativa disponible Célula vegetativa Espora 90% de agua 50% de agua 0% de dipicolinato de Ca2+ 10% dipicolinato de Ca2+ (confiere protección y preserva DNA celular y proteínas del cortex) Alta actividad metabólica Baja actividad metabólica IV. Metabolismo I Células vivas son sistemas fuera del equilibrio, s elas tienen que arreglar para generar cierta estabilidad u HOMEOSTASIS. La energia transformada permite mantener al sistema fuera del equilibrio. ¿Cómo logramos una distribución de los metabolitos constante pero alejada del equilibrio químico? NUTRIENTES Los nutrientes son los compuestos químicos que las células necesitan para poder sintetizar sus propias moléculas. Nutrientes se dividen en a. Macronutrientes: C, O, H, N, P se presentan en concentraciones más elevadas b. Micronutrientes: como metales, se necesitas en menores concentraciones. Estrellas del metabolismo de microorganismos. HIERRO es un metal, y como muchos metales constituye un micronutriente. Puede presentarse en distintos estados de oxidación. Es una parte esencial de muchas moléculas de la célula, como centros ferro-sulfurados, grupos hemo, etc. La captación de muchos metales por parte de los microorganismos se da por la secreción de moléculas quelantes. En el caso del hierro estas moléculas son los SIDEÓFOROS moléculas secretadas extracelularmente que secuestran el metal y luego interaccionan muy afínmente con proteínas de membrana que captan el metal llevado por el sideróforo. Un ejemplo de este tipo de proteínas es FepA, que tiene loops que interaccionan todos en simultáneo con el sideróforo para captar el hierro (unión cooperativa y muy compleja) Los sideróforos están en general formados por aa unidos de manera no clásica (no por uniones peptídicas) Tienen afinidad total por el metal (en este caso el Fe) pero cuando interacciona con la proteína de membrana camia su afinidad para cederlo y que ingrese a la célula. Abajo se ve un ejemplo de un sideróforo que se utilizó en una talasemia: una enfermedad en la que resulta que hay un contenido de hierro muy alto disponible porque la hemoglobina liga mal al metal, entonces a esta gente se le da el sideróforo deferroxamina B, que es producido por una bacteria. COBRE en este caso este micronutriente cuenta con METANOBACTINAS que son péptidos modificados y los equivalentes de los sideróforos para el cobre. Tienen constantes de afinidad (Ka) altísimas para el cobre. Son las cisteínas de estas moléculas las que interaccionan con el cobre y entre sí no forman puentes di sulfuro (sino no podrían interaccionar) La captación también puede ser por PROTEÍNAS ESPECÍFICAS (como metalochaperonas y bombas del metal). ¿Por qué es importante el Cu? Metanótrofos tienen enzimas para catalizar la conversión de CH4 a metanol: Metanomonooxigenasas. Estas enzimas necesitan Cu para su centro catalítico y son muy importantes para el metabolismo de estos organismos. Si no hay cobre existe metanomonooxigenasa (MMO) con hierro (variante soluble de esta proteína) que usa otro mecanismo catalítico. El objetivo de estas MMO es sacar el electrón del metano y usarlo para reducir NAD+ NADH. (A) Los electrones pueden ser tomados por otros aceptores, no necesariamente por NAD+, llevando a generación de gradientes electroquímicos, etc. Entonces hay otros aceptores posibles como el sulfato, el hierro y el manganeso, el nitrito y el nitrato, para esos electrones. (B) El electrón que viene del metano va a permitir reducir el hierro 3 a hierro 2 el cual puede entrar a un centro ferrosulfurado. Puede haber más de un organismo involucrado en estos procesos. OJO La capacidad de captar y utilizar cantidades de cobre en metanótrofos depende de sistemas específicos de manejo del metal ya que en concentraciones elevadas es toxico Cada uno de estos procesos tiene su diferencia de energía libre: algunos son más espontáneos que otros. Por ejemplo, el metano con el SO2-4 tiene un ∆G = -16 kJ/mol, pero resulta que el metano con el hierro 3 tiene un ∆G = -270 kJ/mol, es decir que dependiendo a que par le entregue esos electrones, la diferencia de energía libre (la espontaneidad de ese proceso) va a ser diferente. Hasta acá vimos cómo hay una cierta cantidad de moléculas importantes que intervienen en estos procesos de proteínas de captación de algunos micronutrientes que van a ser necesarios para funciones enzimáticas y generación de un poder reductor o reducción de algún metal. DIVERSIDAD METABÓLICA Existe variedad en los mecanismos de aprovechamiento de E y materia por parte de los microorganismos. Por ejemplo el aprovechamiento de energía puede ser mediante energía lumínica o energía química contenida en esqueletos y compuestos carbonados. Extraer energía en este caso quiere decir extraer electrones de moléculas orgánicas o moléculas inorgánicas. FUENTE DE ENERGÍA QUÍMICA Existen dos grupos, lo que usan moléculas orgánicas o Quimiorganótrofos, el dador de electrones es orgánico y la fuente de carbono también (son heterótrofos). Los que usan moléculas inorgánicas o Quimiolitótrofos tienen como fuente de carbono en general el CO2 (son autótrofos) y el dador de electrones también es inorgánico, que puede ser hidrógeno gaseoso, H2S, hierro, amonio o nitrito. FUENTE DE ENERGÍA LUMÍNICA Dos grupos de fototrófos (los que aprovechan la energía lumínica) algunos que obtienen el carbono exclusivamente de fuentes orgánicas (fotoheterótrofos) y por otro lado los que requieren moléculas inorgánicas para extraer materia (fotoautótrofos). Puede ocurrir es que hayan organismos que generan sulfuro de hidrógeno (flecha naranja punteada) y otros organismos que de alguna manera viven en ese mismo medio y utilizan ese hidrogeno o sulfhídrico generado por los anteriores (flecha azul punteada), lo mismo que ocurría con el metano. Puede ocurrir que exista un microorganismo que tenga la capacidad dual de utilizar moléculas orgánicas (quimiorganótrofo) y fijar dióxido de carbono (autótrofo). Hay que ver el contexto general. FACTORES AMBIENTALES Existe también diversidad metabólica respecto a factores ambientales como pH, temperatura, salinidad, etc. Surgen en la evolución mecanismos que permitieron llevar adelante procesos biológicos en esas condiciones. Un ejemplo de esto es P. ingrahamii (psicófilo) que tiene un tiempo de duplicación de 240 horas porque vive a temperaturas muy bajas y tiene tasas metabólicas bajísimas. Cuenta con una citocromo oxidasa capaz de hacer oxidación y fermentación a esas temperaturas. Medios de cultivo para crecimiento de microorganismos 1. Definido (se conocen los componentes y las concentraciones de manera muy rigurosa). Ej.: 5 g de glucosa cada 1000 ml 2. Complejo (no conocemos exactamente la composición). Ej.: el LB tiene extracto de levadura y tripteina de soja entre otras cosas 3. Enriquecido (para organismos que cuesta mucho crecer). Requieren ingredientes que promueven el crecimiento como la sangre, glucosa, suero, huevo 4. Selectivo (inhibidores, ciertos organismos crecen y otros no). Sales biliares (medio inhóspito para el crecimiento de ciertas bacterias) 5. Diferencial (tienen indicadores que revelan la presencia de organismos que llevan adelante cierta reacción bioquímica). El agar sangre aporta muchos factores de enriquecimiento. También para identificar la capacidad hemolítica de los microorganismos patógenos (se rompen los glóbulos rojos entonces se detecta la presencia de las bacterias) Abajo se ven bacterias creciendo en diferentes medios. La primera columna sería un medio definido. Para la bacteria de la segunda columna se necesita un medio muy definido y con muchos nutrientes extra. Para un thiobacilo se necesita una fuente de azufre (tiosulfato de sodio en este caso). REACCIONES Y POTENCIALES RED-OX Energía en la célula se canaliza o aprovecha mediante este tipo de reacciones. Las proteínas o macromoléculas son los cables! En estos procesos se requieren dos componentes: uno que va a ceder electrones (se va a oxidar; agente reductor) y otro que va a ganar electrones (se va a reducir; agente oxidante). Se necesita una dupla de compuestos. La diferencia de potencial (tendencia a ceder o aceptar electrones) entre un par aceptor y dador de electrones tiene una relación con la energía libre de la reacción. El que tiene un potencial más positivo (E) es el que va a aceptar los electrones Es posible medir esas diferencias de potencial con electrodos. Esto se hace mediante un electrodo de referencia. El que se muestra en la imagen es un electrodo de hidrogeno donde uno va a introducir un compuesto en su forma reducida (X-) y en su forma oxidada (X) y lo va a oponer al otro par que va a ser protón hidrogeno. Si los electrones circulan en el sentido hacia el hidrogeno lo que vamos a tener son burbujas porque lo que se va a tener H2. En cambio podrían circular en el sentido opuesto y reducir a X. ATENCIÓN puntos importantes a. Un mismo dador de e- puede dar diferente E según cuanto se oxide. Por ejemplo H2S a S0 tiene un potencial mayor que si se oxida a sulfato b. Un mismo dador de e- puede dar distinta E según condiciones ambientales (por ejemplo pH para Fe 3+) c. De un mismo dador se puede obtener distinta E según el aceptor ¿Por qué las reacciones de las cadenas de e- no ocurren en un único paso? Permite el aprovechamiento del gradiente de e- para bombear protones (muchos d elos componentes de estas cadenas al recibir y ceder e- bombean protones al periplasma, permietiendo la formación de fuerza protón motriz para sintetizar ATP) Permite una mejor regulación y control (si pasa en multiples pasos, hay mas puntos de regulación) Versatibilidad: puedo aprovechar esos e- en distintas reacciones en distintas etapas En este contexto existen siempre mejores aceptores y mejores dadores (recordar, mayor dif de potencial redox mayor energía libre) Un par muy piola es el glucosa – O2, pero resulta que hay organismos que no viven en presencia de oxígeno, son anaeróbicos, entonces podrán utilizar otros aceptores finales en la reacción, como por ejemplo el hierro, que van a reducirse. La energía que un organismo puede obtener de un determinado dador de electrones depende de: - El grado en el que pueda oxidarlo - Qué aceptor final de electrones pueda usar - Estado metabólico de la célula Esto determina las reacciones que pueden ocurrir y la energía libre transformada que puede liberarse. En la célula todo queda además determinado por las concentraciones, termodinámica, barreras de activación. CADENAS DE TRANSPORTE: GENERALIDADES Los transportadores de electrones son reciclados y por eso NO son aceptores finales. En general pueden estar a. Solubles en medio acuoso (como NAD+/NADH, NADP+/NADPH, Tioles, disulfuros, Coenzima A) b. Asociados a membrana (Citocromos, Centros ferrosulfurados, FAD/FADH, Quinonas) c. Asociados a proteínas solubles (Oxidorreductasas como tiorredoxinareductasas, tiorredoxina, FAD/FMN y –S-S-, también centros ferro sulfuradps, peroxirredoxinas, glutarredoxinas) NAD/NADH (Nincotidamida adenina dinucleótido) una de las más importantes. Puede transportar 2 e- (mientras que los citocromos solo 1 e-) Es soluble e interacciona con múltiples sitios activos de distintas enzimas. En su forma NADH actúa como reductor y en forma de NAD como oxidante. Esto se lo conoce como ciclado NAD+/NADH. Interviene en procesos catabólicos y de oxidación NADP/NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato) Participa en reacciones redox anabólicas (reductivas, la célula en general mantiene el NADP reducido) Hay enzimas específicas para interconversión de NADP en NADPH. Tenemos enzimas que permiten reducir NADPH a costa de NADH. El potencial NADP+/NADPH es idéntico al del NAD en las mismas condiciones fisiológicas El NADH es el más utilizado en procesos bioquímicos de degradación (procesos catabólicos) y el NADP suele utilizarse en procesos de biosíntesis. Hay algunos organismos que utilizan NADP con una enzima del ciclo de Krebs. Entonces abajo vemos que para un organismo esa enzima es distinta y la constante K (de afinidad) para NAD es 85 mientras que para otro con otra enzima es 19.000. Mientras que para NADP ocurre lo contrario. Es decir que una de las enzimas de uno de los organismos usa NADP y el otro NAD, cte michaeliana de las enzimas por NAD- NADP varía según organismo (mientras más baja es Km, más afín es por el sustrato). Quinonas son moléculas hidrófobas no proteínicas. Al ser pequeñas e hidrófobas, tienen libertad de movimiento en el interior de la membrana. Las quinonas son liposolubles y pueden oxidarse o reducirse manteniendo su neutralidad entonces puede difundir a través de la membrana interaccionando con proteínas específicas como en este caso la NADH deshidrogenasa (complejo 1 de la cadena respiratoria). Aceptan 2 e- y 2H+, pero solo donan 2 e-. TIOLES Y DISULFUROS: SISTEMA TIORREDOXINA ¿Cómo funciona? Los electrones del NADPH son tomados por la tioredoxina reductasa que puede transferirlos posteriormente a una tiorredoxina que se encontraba oxidada y reducirla entonces esa tiorredoxina reducida puede reducir a una peroxiredoxina que estaba oxidada. Hay entonces una transferencia de electrones que vienen desde el NADPH hasta la tiolperoxidasa que permiten en definitiva reducir el peróxido de hidrógeno, liberando moléculas de agua y eliminando peróxido de hidrogeno. En microorganismos hay tioles y disulfuros específicos de bajo peso molecular que generan un potencial redox en los distintos compartimentos. Se puede considerar a todos estos distintos actores como parte del mecanismo de potenciales redox es decir del mantenimiento de potenciales redox que tienen que tener las células. ATENCION: Sh = reducido s-s= oxidado Ejemplos de tioles y disulfuros: COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA Además del ATP hay otras moléculas que son energéticamente interesantes y que pueden transferir energía de manera relativamente sencilla porque tienen diferencia de potencial entre sustrato y producto. Las enzimas van a disminuir esas barreras de activación. Además del ATP están GTP, Acetil CoA. Se las conoce también como moléculas carriers de E ¿Cuáles son los mecanismos de generación de ATP? Para llegar a hacer fosforilacion a nivel del sustrato se van oxidando esas moléculas orgánicas y lo que uno va obteniendo finalmente es un equivalente de NADH que va a haber que interconvertirlo y llevarlo otra vez a su forma oxidada para volver hacia atrás (fermentación). Las cadenas de transporte de electrones permiten un aprovechamiento mayor de la energía que tienen esos electrones, pero no todos los microorganismos cuentan con esas cadenas de transporte. Existe una gran diversidad de extractores (molécula que va a ceder sus electrones inicialmente) y de aceptores finales. Hay entonces un sistema de extracción de electrones y un sistema de aceptor de electrones que en este caso del ejemplo es el oxígeno. En estas cadenas hay un proceso que está asociado y que es muy importante y es el transporte de protones: de un lado queda positivo. Las quinonas toman electrones, se los dan a un elemento que difunde en la membrana y luego se regenera la forma oxidada que puede volver a tomar electores de otro complejo y volver a reducir al complejo siguiente. Deshidrogenasas tienen muchos centros ferrisulfurados y hay una parte embutida en la membrana y que sincroniza al proceso de óxido reducción: un proceso de cambio conformacional en la membrana que permite el traspaso de los protones a través de la proteína porque son cargas que se van cediendo entre los distintos residuos que se cargan y descargan permitiendo el pasaje de protones de un lado a otro. IMPORTANTE entender que en este caso el NADH se oxida a NAD y los protones pasan en contra de gradiente, pero eso es reversible. Esa proteína es reversible y se puede hacer lo opuesto: Si hace pasar H+ a favor de gradiente podemos sintetizar NADH y esto se lo llama CICLO REVERSO. Las NADH-deshidrogenasas son proteínas unidas a la superficie interna de la membrana citoplasmática, y tienen un sitio activo que se une a NADH. Los 2 e- y 2 H+ del NADH son transferidos de la deshidrogenasa a una flavoproteína, quedando NAD libre para otra reacción. EJEMPOS DE CADENAS RESPIRATORIAS Si son anaerobios estrictos puede ser el sulfuro el aceptor final o nitrato en el caso de anaerobios facultativos. El H2 es capaz de funcionar como dador de electrones. HIDROGENASA enzima que puede ser soluble o de membrana que le saca el e- al hidrógeno gaseoso y se los entrega a la cadena. Posee un centro de reacción con Ni y Fe. Hay una interacción entre varias subunidades y finalmente hay una interacción con una flavoproteína que permite finalmente reducir el NAD a NADH: ese complejo le saca los electrones al hidrógeno y se los entrega al NAD. Hay ejemplos de cadena que corresponden a organismos facultativos: en presencia de oxígeno, el oxígeno es el último aceptor. Si no hay oxígeno, el último aceptor es el nitrógeno (son desnitrificantes) Otro ejemplo de cadena respiratoria es con el Fe2+ como dador de e-, al oxidarse a Fe3+, que precipita eventualmente (formando hidróxidos) lo que hace que la reacción sea prácticamente reversible. Hay toda una maquinaria proteica que incluye a la proteína flusticianina y a citocromos y electrones. Todo esto a su vez va a permitir que el NADH participe en la fijación de dióxido de carbono. El hierro 3+ al aceptar protones se puede reducir a hierro 2+: el hierro 3+ puede estar incluso por fuera de la célula entonces lo que tiene que hacer el microorganismo es mandar electores hacia afuera, es decir que el aceptor final es extracelular. El H2 es el único que le puede dar electrones al NAD (es mejor dador que el NAD, por encima en la escala redox). Cuando entran directo a la cadena, es xq no pueden darle electrones al NAD. El NAD es el que te permite hacer la cadena más eficiente. FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y REGULACIÓN Abajo se ve un caso de Mycobacterium en el que en dos condiciones metabólicas ocurre algo diferente con la cadena de transporte de electrones y el aprovechamiento: en un caso donde hay oxígeno el aceptor final es el oxígeno y los dadores de electrones pueden llegar a ser desde aminoácidos, que pueden derivar en la producción de NADH, puede ser monóxido de carbono y reducir a una quinona, pueden extraer electrones del succinato, pueden extraer electrones del hidrogeno. Si no hay oxígeno, el aceptor final es otro: se produce otra proteína que lo que genera es nitrato como aceptor final. O alternativamente puede utilizar fumarato que lo reduce a succinato. Entonces tenemos una serie de dadores de electrones y una serie de aceptores de electrones: puede ser una hidrogenasa funcionando en sentido reverso, formando hidrógeno. FERMENTACIÓN Catabolismo de HdC en ausencia de aceptores externos de e- Con glucosa y en presencia de oxígeno es muy buena la obtención de ATP. Pero ¿Qué ocurre cuando no tenemos cadena respiratoria? Cuando tenemos cadena respiratoria, el NADH producido en la glucolisis, Krebs, etc. cede sus electrones a la cadena respiratoria, convirtiéndose en NAD+. Cuando no tenemos cadena respiratoria, la célula tiene que volver a regenerar el NAD. Esto lo hace a través de reacciones de fermentación. En esas reacciones de fermentación permiten hacer un balance redox, balancear a la célula desde un punto de vista redox, y se excretan ciertos productos reducidos que se llevan esos electrones que la célula pudo extraer y que se utilizó la transferencia de electrones en definitiva para generar ATP (fosforilacion a nivel de sustrato). Esas moléculas que se reducen (Acetil-CoA, piruvato, etc.) van a haber caminos metabólicos que van a generar lactato, etanol formato, es decir productos de fermentación. Entonces todos esos caminos metabólicos logran balancear y generar el NAD+ que se va a reutilizar para generar ATP a nivel de fosforilación a nivel del sustrato. Hay una infinidad de microorganismos que generan una infinidad de productos de fermentación diferentes. Hay organismos que por ejemplo solo fermentan hacia el lactato. La fermentación entonces es vital porque es el balance redox que la célula tiene que si o si llevar adelante. La reversibilidad de la ATPasa explica por qué contienen ATPasas las bacterias fermentadoras estrictas que carecen de cadenas de transporte de electrones y son incapaces de llevar a cabo la fosforilación oxidativa. La ATPasa de organismos incapaces de respirar, como las bacterias del ácido láctico, que son fermentadoras estrictas, funcionan de manera unidireccional generando esta fuerza proton motriz necesaria para las funciones celulares a partir del ATP formado en la fermentación durante la fosforilación a nivel de sustrato. En algunos casos se puede extraer un poco más de ATP/energía de esos productos, entonces hay vías de fermentación que son un poco más complejas. ENERGÍA OBTENIDA POR FERMENTACIÓN RESERVAS DE ENERGÍA Y MATERIA Muchas veces los microorganismos tienen reservas de materia, entre ellas grasas, lípidos e hidratos de carbono. También hay variantes como por ejemplo la generación de polihydroxibetabutirato que básicamente es un plástico, es el principio para generar plásticos a nivel de organismos. Estos PHB pueden teñir y formar estas especies de pelotitas intracelulares, son gránulos de agregación, y los hidroxialcanoatos pueden tener cadenas variables, de tres a 18 carbonos. Flexibilidad metabólica algunos organismos aceptan múltiples fuentes de E y materia (carbono), incluso diferentes aceptores de e-. Van a poder utilizar fuentes de carbono, dióxido de carbono en forma directa y fijarlo, van a poder aprovechar energía lumínica para hacer transformaciones, o van a poder aprovechar electrones de moléculas inorgánicas. Entonces flexibilidad metabólica se refiere a organismos cuyo proteoma es decir la dotación de proteínas que tienen le permite llevar adelante alguno de esos mecanismos que se encuentran abajo, lo que eventualmente mediante procesos de regulación de la transcripción, regulación y expresión génica, pueden modificar su proteoma y dedicarse a hacer fotosíntesis o ceder electrones de compuestos inorgánicos. EJEMPLOS DE FLEXIBILIDAD METABÓLICA 1) Rhodopseudomonas palustris que hace absolutamente de todo (hasta fija nitrógeno) dependiendo del ambiente en el que se encuentre. No hace todo de manera simultánea, los mecanismos están regulados. Puede ser: a.Fotoautotrófico o fotosintético (energía d ela luz y C del CO2) b. Fotoheterotrófico ( E de la luz y C de compuestos orgánicos) c. Quimioheterotrófico (C y E de compuestos orgánicos) o d. Quimioautotróficos (E de compuestos inorgánicos y C del CO2) 2) Rhodobacter sphaeroides (es un chasis ¿? Muy versátil) Puede generar H2, PHB, isoprenoides entre otros (se usa para síntesis) Obtiene E mediante fotosíntesis en anaerobiosis pero pueden ser quimioheterótrofas anaerobias en ausencia d eluz. También fija N 3) Shewanella o. a través de este sistema puede transportar electrones a traves de la membrana interna hacia la membrana externa y logra reducir el hierro 3+ que está extracelular a hierro 2+. Es decir, estos organismos logran reducir el hierro 3+ que esta extracelular e insoluble a través de todo este sistema. Hace respiración d emetales extracelular! Todo este sistema anterior de shewanella se lo puede meter a E. coli por transformación y hacer que E. coli reduzca hierro 3+ a hierro 2+. Lo que uno ve es que en función del tiempo aparece hierro 2+. También tenemos unos investigadores que hicieron lo opuesto: tomaron a Shewanella, le metieron un sensor de luz (es una proteorredoxina), entonces transporta protones y lo que hace en definitiva es usar el electrodo al revés: inyectan una corriente eléctrica que permite mandar los electrones de forma reversa hacia la NAD deshidrogenasa, pero que ahora funciona como una reductasa y reduce el NAD a NADH el cual es utilizado en la síntesis de butanoyodo. V. Quimiolitotrofía y Ciclos Biogeoquímicos Quimilitotrofía la oxidación de compuestos inorgánicos para la obtención de energía. Los organismos usan la energía para Biosíntesis, Transporte activo, Mantenimiento (pH, presión osmótica), Movimiento y División celular. En el caso de los quimiolitótrofos esa energía proviene de la oxidación de compuestos inorgánicos (a diferencia de las plantas que la obtienen de la luz, o nosotros que la obtenemos de compuestos orgánicos) Cuando hablamos de compuestos de carbono inorgánico hablamos de compuestos que no tienen uniones C-C (ej.: CO2, CH4). Cuando se utilizan compuestos orgánicos como dadores de energía en general siempre se utilizan esos mismos compuestos orgánicos como fuentes de carbono. Sin embargo, en algunos casos, como en los quimiolitótrofos, puede ser que se use un compuesto CO2 como fuente de carbono y otros compuestos inorgánicos como fuente de energía. En este caso, la fuente de energía es la misma que funciona como dador de electrones (obvio existen excepciones). Eso también sirve para el caso de los quimioorganotrofos. Cuando el dador de energía es un compuesto químico, es normalmente ese compuesto químico el que cede los electrones que después van a ser usados en los distintos procesos microbianos. ATENCIÓN el compuesto inorgánico que se use como fuente de energía debe ser un compuesto en estado reducido para poder oxidarlo y obtener E del mismo. Ej. de compuestos inorgánicos que pueden usarse como fuente de energía: H2S, H2, NH3. Este compuesto químico que es fuente de energía también es dador de electrones. El tipo de cadena respiratoria va a depender del tipo de compuesto que se está utilizando: si el elemento es muy electronegativo, va a ser un compuesto que puede ceder muchos electrones entonces se van a poder transferir electrones en varios elementos entonces la cadena va a ser larga y se va a generar mucho ATP. Además la cantidad de energía que se obtiene de la oxidación de un dador va a depender de cuál es el aceptor de electrones total. Por ese motivo, la mayoría de los quimiolitótrofos son aerobios porque el oxígeno es el mejor aceptor de electrones entonces al ser el aceptor que tiene el mejor potencial redox va a poder tomar electrones de casi cualquier compuesto permitiendo una cadena de electrones más larga. QLT están adaptados para crecer en ambientes con poco C orgánico, tienen mecanismos de fijación del C como ciclo de Calvin y otros. A este tipo de organismos (que fijan C inorgánico) se los conoce como autótrofos. Los quimiolitótrofos son quimótrofos autótrofos. MIXÓTROFOS algunos QTL necesitan compuestos orgánicos como fuente de C. Usan compuestos orgánicos oxidados que les sirven como fuente de C pero NO como fuente de energía FIJACIÓN DE CO2 Los autótrofos tienen que convertir el CO2 o carbono inorgánico en compuestos orgánicos con gran gasto de energía. Mientras que la oxidación de los compuestos orgánicos reducidos genera no solo fuente de carbono sino también de energía, la fijación de carbono inorgánico requiere energía y poder reductor. CICLO DE CALVIN es uno de los mecanismos de fijación de C, existen otros. Involucra a la enzima RubisCo y requiere mucha cantidad de ATP y poder reductor. A partir de un compuesto (ribulosa 1-5 bifosfato) se incorpora por la RubisCo un CO2 para dar una molécula de 6 carbonos que es dividida en 2 de 3. Luego este ciclo involucra gasto de ATP y poder reductor para dar lugar a moléculas de fructosa que luego son usadas en distintos mecanismos de biosíntesis y generar las macromoléculas que necesitan las células. Por cada 6 moléculas de CO2 fijadas se gastan 18 ATP y 12 NADPH. Es un proceso costoso. TORRE DE POTENCIALES REDOX Mientras más negativo el potencial mayor capacidad de cede e-, y mientras más positivo mayor capacidad de captar e-. Mientras mayor es la distancia en la torre redox mayor es la diferencia de potencial por lo tanto es mayor la energía obtenida. Por ejemplo si uso un muy buen reductor con un muy buen oxidante, la cadena es muy larga y la energía libre muy alta. OJO en la torre lo que representan no son compuestos individuales si no hemirreacciones donde hay un compuesto y el compuesto que se obtiene por reducción (ej.: de CO2 a glucosa). En todos los casos se llaman hemireacciones porque si se quiere calcular cuanta energía se obtiene hay que considerar dos hemirreacciones: un par dador y un par aceptor. Dentro de la homeostasis celular es indispensable que todos los transportadores se reciclen. Lo mismo para el resto de los elementos de la cadena respiratoria (son compuestos que cambian de estado permanente) pero no hay un pasaje neto de oxidado a reducido porque son parte de un ciclo. ¿Cuánta E obtengo por quimiolitotrofía? Para formar ATP necesito -31 kJ/mol y para formar NADH -218 kJ/mol. Dependiendo dador y aceptor que use obtengo mas o menos energía y me alcanza o no para formar NADH+ATP. Si uso compuestos con potencial redox más positivos que el NAD (mas abajo en la torre) se me imposibilita formar NADH (no l epueden entregar e- al NAD porque el NAD es mejor dador de e- que ellos) ¿Cómo hacen esos organismos para formar NAD? FLUJO INVERSO DE e- hacen andar la cadena de e- en el sentido contarrio. Parte de la E que obtuvieron de oxidar el compuesto orgánico la usan para hacer andar la cadena al revés (con gasto de ATP) Compuestos como el H2 tienen potenciales redox más negativos, por lo que os microorganismos que usan éste como dador no necesitan del flujo inverso, pero los que tienen flechita roja sí. CLASIFICACIÓN DE QUIMIOLITÓTROFOS Se los clasifica según su grupo metabólico, esto es, que compuesto inorgánico utilizan como fuente de E. Tener en cuenta que muchos poseen flexibilidad metabólica. 1. Bacterias del H2 Son abundantes, ya que el H2 se encuentra en múltiples ambientes y es un buen dador. HIDROGENASAS enzimas que oxidan el H2 obteniendo e- y H+. Pueden ser de membrana, dedicadas a la ruptura de H2 para transportar H+, o citoplasmáticas, que transfiere directo los e- al NAD. Siempre la enzima le pasa directamente los e- al NAD (recordar que H2 está por encima en la torre redox). Existen organismos con un solo tipo de hidrogenasas y en ese caso son sólo de membrana y cumplen las dos funciones. Las hidrogenasas son las únicas que generan E y poder reductor a nivel de membrana por el hecho de usar H2. Muchas de estas bacterias oxidadoras del hidrógeno son mixótrofas entonces si bien muchas tienen la capacidad de sintetizar compuestos carbonados a partir de CO2, hay algunas que usan compuestos orgánicos (lactato, acetato) como fuente de carbono porque son compuestos oxidados y no son buena fuente de energía, pero si como fuente de carbono. Estas bacterias muchas veces crecen en lugares donde ocurre fermentación: hay abundante hidrógeno y compuestos oxidados como el acetato que van a poder ser usados como fuente de carbono. La mayoría son facultativas: usan hidrogeno como dador de energía, pero si hay compuestos orgánicos reducidos los usan como fuente de carbono y energía entonces se frena a las hidrogenasas y el ciclo de Calvin porque se frena la fijación del carbono (a la bacteria no le hace falta fijar carbono). 2. Bacterias oxidadoras del S El S es un mal donor de e- por lo que obtienen poca energía de sus fuentes y tienen que metabolizar grandes cantidades y en ambientes con poca competencia. Son bastante flexibles metabólicamente, ya que pueden utilizar compuestos reducidos del azufre como también pueden oxidar hierro ferroso (también pueden usar cobre reducido). Las bacterias que utilizan al azufre producen ácido sulfúrico y prosperan en ambientes ácidos. La oxidación puede comenzar en el HS- que es el estado más reducido o a través de intermediarios. Intervienen distintos complejos enzimáticos, pero siempre obtengo sulfato (SO42-) como producto final. Según el complejo enzimático que posea la bacteria se va a comenzar en distintos compuestos y se va a obtener más o menos E. Utilizando, por ejemplo, el sulfhídrico (HS-) que es el compuesto más reducido que podemos obtener con el azufre (estado de oxidación: -2), este compuesto puede ser: − Oxidado por un sistema por el cual se obtienen 8 electrones en un solo paso − Oxidado a través de la formación de intermediarios como el sulfito (SO32-) usando distintos sistemas enzimáticos Si la bacteria utiliza el sulfhídrico, puede transferir sus electrones al FAD de la cadena respiratoria que luego los va transfiriendo, hasta llegar al aceptor final: el oxígeno (son aerobias) → que se transforma en agua y sale de la célula. Si utiliza S2O32- o S0 como están más abajo en la torre redox no va a poder hacer todos esos pasos en la cadena respiratoria porque no le van a poder transferir electrones al FAD, solo al cyt c entonces la cadena va a ser más corta y con menor generación de ATP. En ninguno de los casos los compuestos van a ser capaces de pasarle sus e- al NAD directamente (están más abajo en la torre redox) ¿como hacen estas bacterias para regenerar poder reductor? Hacen FLUJO INVERSO DE e-, gastando ATP. Recordar que el NADH es importante porque es una fuente de poder reductor para todas las reacciones que se requieren en la célula, por ejemplo para la síntesis de lípidos, la fijación de carbono. 3. Bacterias oxidadoras de Fe Crecen en condiciones sin oxígeno o con bajo pH, donde espontáneamente no ocurra la oxidación de Fe2+ a Fe3+. Muchas son bacterias filamentosas. Fe es de los peores dadores de e- (tiene un potencial redox muy alto), está casi al lado del mejor aceptor de electrones: el oxígeno. Es un elemento tan abundante en la naturaleza que se han desarrollado bacterias capaces de utilizarlo como dador de electrones. No hay generación de NADH sin FLUJO INVERSO DE e-,. Estas bacterias deben oxidar grandes cantidades de hierro para poder crecer, sumado a que en su mayoría son autótrofas entonces les cuesta mucho obtener energía y poder reductor. Ya que se gasta muchísimo generando compuestos orgánicos. ESTRATEGIAS ESPECIALES Tienen cyt c en su membrana externa y rusticianina en espacio periplásmico, que le da un empujoncito a los electrones. Con el cyt c que está en la membrana externa oxida al hierro y transfiere electrones a la Rusticianina (en este caso sí se transfieren electrones de un elemento que está más abajo, el hierro, a uno que está más arriba, Rusticianina, en la tabla redox). Esta reacción, que parecería ser termodinámicamente no tan favorable, se puede dar porque hay un consumo de Fe3+ muy rápido para formar hidróxido de hierro y se supone que este desplazamiento del equilibrio es lo que permite que esta reacción pueda llevarse a cabo y que el cyt c le pueda transferir electrones a la Rusticianina que está en el periplasma. Esta rusticianina se lo puede transferir al cyt c y al b y se va a poder alargar la cadena respiratoria, permitiendo la translocación de protones suficiente para la generación de ATP. Estos electrones van a ir a parar al aceptor de electrones final que es el oxígeno. 4. Bacterias y Arqueas nitrificantes De suelos y ambientes acuáticos, son aerobias (aceptor final es el O2) y en general no llevan a cambio todas las transferencias. Hay algunas que llevan amonio a nitrito (como Nitrosomonas), otras que llevan nitrito a nitrato (como Nitrobacter) (son dos grupos diferentes) En general ecológicamente se encuentran juntas y el producto de una es usado como sustrato de la otra. Tienen una Morfología variada y son las que incorporan N a suelos y agua a. OXIDACIÓN DEL AMONIO Nitrosomonas (Nitroso..spira, …coccus, …lobus) NH3 + O2 + XH2 → NH2OH + H2O + X Amonio-monooxigenasa (AMO) enzima que cataliza esta rx (que también puede oxidar metano), es una proteína de membrana. Hidroxilamina (NH2OH) intermediario de rx esta bacteria primero le transfiere electrones del amonio a la hidroxilamina y luego a un transportador como por ejemplo el NADH, todo catalizado por la AMO.En los organismos que puede utilizar compuestos reducidos del nitrógeno utilizan intermediarios NH2OH + H2O + ½ O2 → NO2- + 2 H2O + 2 H+ X = transportador de H (NADH, etc.) NH2OH = hidroxilamina, intermediario Los protones se generan en el espacio periplásmico: generan fuerza motriz que posteriormente se usa para generar ATP. Requieren FLUJO INVERSO DE e-. b. OXIDACIÓN DEL NITRITO NO2- + ½ O2 → NO3- + 2 H+ Los protones se generan en el espacio periplásmico: generan fuerza motriz. Pero tienen una particularidad que es que presentan un complejo sistema de membranas citoplasmáticas. Para la oxidación del nitrito tenemos lo mismo que ocurría en el caso anterior y se requiere un flujo inverso de electrones para reducir al NAD+. También son aerobias. QUIMIOLITÓTROFOS ANAEROBIOS Hasta ahora la mayoría de quimilitótrofos que vimos son aerobios (usan O2 como último aceptor de e-) Sin embargo, esto no es la regla en este grupo, hay ejemplos de anaerobios 1. ANAMMOX oxidación anaerobia del amonio (usan NH4+como sador y NO2- como aceptor) 2. Oxidadoras del H2 anaerobias: se pueden dar el lujo de no usar el mejor aceptor de e- porque el H2 es muy buen dador, usan en cambio NO3- ¿Puede haber quimiolitótrofos fermentadores? NO, porque el metabolismo fermentador necesita mucha fuente de carbono, es el metabolismo opuesto al fermentador. QLT crecen en ambientes donde no hay abundantes fuentes de carbono ANAMMOX bacterias que viven en los mismos ambientes donde hay oxidación del amonio. Cuando hay poco O2 hay bacterias nitrificantes que con O2 generan nitrito, y estas bacterias lo toman para usar como último aceptor de e- en lugar del O2. Son autótrofas pero no usan CCB sino otra vía de fijación de C, la vía acetil-CoA Tienen la particularidad de contar con membranas internas que son organelas cerradas y verdaderas (compartimentos de membrana cerrados) donde ocurre la oxidación del amonio. Se las conoce como ANAMOXOSOMAS, estructuras super impermeables para proteger el citoplasma de la hidracina N2H4 (intermediario muy tóxico de la oxidación del amonio) La membrana del anamoxosoma es aislante y muy impermeable: tiene unos lípidos especiales (ladderane lipids) para proteger el citoplasma celular de la hidracina. Tiene las características de las organelas eucariotas. El amonio interactúa con la hidracina, le da sus electrones a una proteína que a su vez interactúa con el nitrito para formar la hidracina (intermediario), la cual permite la formación de los protones que van a ser los que generen la fuerza protón motriz. Entonces en este caso la FPM no se genera entre la membrana externa y el periplasma si no que entre la membrana del anamoxosoma y el citoplasma. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS ¿Cómo es el flujo de energía? Lo interesante es que tenemos a los procariotas en todos los niveles tróficos. En los productores primarios tenemos a los fotosintéticos, pero también tenemos a los quimiolitótrofos. Este paper habla sobre una teoría que propone que los microorganismos en realidad fueron los que generaron los ciclos a través de las distintas capacidades metabólicas que fueron surgiendo, entonces se fueron generando las distintas etapas de los ciclos biogeoquímicos. Transformaciones bacterianas Ya vimos varias, como oxidaciones y reducciones. En el caso de reducciones están las que tienen que ver con el metabolismo asimilador (queda retenido en la biomasa), es decir la incorporación de compuestos oxidados en biomasa, ya sean proteínas o distintos tipos de macromoléculas. O la reducción en el caso que se utilizan a los compuestos como aceptor de electrones: cuando se usan compuestos como el nitrato o sulfato como aceptor de electrones, estos compuestos son transformados (son captados del medio, se reducen y luego salen de la célula) entonces es un metabolismo desasimilador porque sale de la célula. En el caso de la oxidación, en el caso que se usan mecanismos reducidos como dadores de electrones, estos compuestos son oxidados y expulsados al medio. También pueden formar parte de la biomasa siendo incorporados, por ejemplo, en proteínas. 1. Ciclos del C, O y H – involucran muchos procesos comunes CO2 + H2O ↔ (CH2O)n + O2 Fotosíntesis: las plantas y bacterias fotosintéticas combinan dióxido de carbono, agua y energía solar para formar biomasa. Quimiolitotrofía: las bacterias QLT reducen dióxido de carbono usando la energía química para formar biomasa. Respiración: el oxígeno es usado para descomponer la biomasa produciendo dióxido de carbono, agua y energía. Remineralización: la biomasa se descompone totalmente liberando compuestos inorgánicos (CO2, NH3, H2O) Producción Primaria (PP): la fijación total del carbono es la cantidad de carbono convertido de CO2 a biomasa por las plantas (y bacterias). Producción Primaria Neta (PPN): producción primaria – costos de respiración de los productores primarios. Alrededor del 5-10% de la PP. CICLO DEL CARBONO Fijación de CO2: el mecanismo más común es el ciclo de Calvin, pero hay otros como el ciclo del AcetilCoA, ciclo del ácido cítrico inverso El ciclo del carbono involucra la degradación: Aerobia: es más sencillo; se produce dióxido de carbono y agua Anaerobia: se produce una mezcla de metano y dióxido de carbono 2. CICLOS DEL N Y EL S Los ciclos del N y el S son complejos, con reacciones de oxidorreducción. Formas reducidas: utilizadas por los quimiolitótrofos como fuentes de energía Formas oxidadas: utilizadas como aceptores de electrones o sumideros de electrones en ambientes anóxicos El reciclado de estos compuestos entre los dos estados está mediado principalmente por microorganismos. CICLO DEL NITRÓGENO Dentro del ciclo del nitrógeno hay muchos pasos que son mediados casi exclusivamente por procariotas. Fijación: solo bacterias y arqueas. N atmosférico se incorpora en grupo amino de aminoácidos Nitrificación: solo bacterias y arqueas. Involucra a las bacterias quimiolitótrofas (aeróbicas). Usan amonio como fuente de energía, lo oxidan a NO2 (nitrito) y NO3 (nitrato) en 2 etapas Desnitrificación: solo bacterias (proceso anaeróbico: reducción desasimilatoria en heterótrofos) NO3>N2 (oxidan material orgánico, el NO3 es el aceptor final de electrones) Amonificación: ocurre en todos los organismos. liberación de amonio por descomposición de compuestos nitrogenados de la biomasa La desnitrificación, que sería lo opuesto a la nitrificación, es la transformación de nitrato utilizable y soluble en gases (los cuales muchos de ellos tienen efecto invernadero y van a la atmosfera). Ocurre en ambientes anoxicos cuando los compuestos como el nitrato o nitrito son utilizados como aceptores de electrones. La fijación del nitrógeno es uno de los puntos clave del ciclo que implica la utilización del nitrógeno atmosférico, entonces en suelos o en agua donde no hay fuentes de nitrógeno utilizables (amonio o nitrato), estos organismos han proliferado porque tienen la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico. Esta fijación de manera análoga a la fijación de dióxido de carbono es un proceso extremadamente caro para las células. El nitrógeno es un gas muy poco reactivo: se requiere mucha energía y poder reductor para poder fijar el nitrógeno. Es un proceso que tiene varios pasos e involucra una serie de proteínas específicas y en particular una enzima que es la nitrogenasa (es un complejo) que es bastante sensible al oxígeno. Este proceso es solamente realizado por microorganismos. Hay distintos tipos de microorganismos fijadores de nitrógeno y muchos de ellos realizan este proceso de fijación en simbiosis: asociación con plantas o algas porque esta asociación ayuda a que la fijación sea más eficiente porque proveen fuentes de energía a los microorganismos que están creciendo en estas asociaciones, protegen a la nitrogenasa en los casos en que estos organismos están creciendo dentro de las células de las plantas y además tienen una transferencia del nitrógeno fijado más eficiente. CICLO DEL AZUFRE Involucra la transformación de los compuestos de azufre a compuestos donde ese elemento tiene diferentes valencias: sulfato (S6+) a azufre elemental (S0) a sulfuro (S2-) Abajo se ve un resumen de todas las transformaciónes del azufre: 3. CICLO DEL FOSFORO Es más sencillo. Va de formas solubles a insolubles. Tiene incidencia sobre lo que se denomina la biodisponibilidad porque en general estos elementos que son necesarios para la formación de biomasa y que sean usados por otros organismos tienen que estar en forma soluble. CICLO DEL HIERRO VI. Fotosíntesis Proceso que evolucionó en bacterias. Microorganismos modificaron el mundo: fromación del O2 atmosférico. Las primeras bacterias fotosintéticas eran anoxigénicas (los e- no salían del agua, el dador era otro) Luego surgieron cianobacterias oxigénicas, que de todas formas pueden realizar otro tipo de fotosíntesis. Estas bacterias oxidaban Fe2+ y liberaban O2. En conclusión tenemos dos tipos de fotosíntesis: - Fotosíntesis oxigenica donde los electrones que se toman para el transporte de electrones a nivel de la cadena se toman del agua - Fotosíntesis anoxigénica donde los electrones se toman de otros dadores de electrones OBJETIVOS DE LA FOTOSÍNTESIS Fotofosforilación para la generación de ATP Generación de poder reductor: esos electrones que circulan por la cadena de transporte de electrones van a ir a parar a moléculas (NADH y NADPH) las cuales van a poder transportarlos y llevarlos a, por ejemplo, el ciclo de calvin o Krebs La oxigénica en bacterias es exclusiva de cianobacterias. Las cianobacterias también pueden hacer fotosíntesis anoxigénica. Tienen un sistema para hacer un switch entre ambas. La fotosíntesis es un proceso súper distribuido en bacterias (siete grupos que la realizan) pero hay diferencias de complejidad a nivel molecular. Se supone existió un ancestro común fotosintético, transferencia de genes que podría haber sido horizontal PIGMENTOS capturan luz para excitar electrones y promoverlos a estados excitados generando cadenas de transporte de electrones. Absorción de fotones por parte de pigmentos: clorofilas y carotenoides que están unidos a proteínas especializadas formando supercomplejos. La oscuridad impide la fotosíntesis, pero las altas intensidades también son problemáticas: producción de especies reactivas del oxígeno (ROS, reacciones fotoquimicas no deseadas) que pueden ser tóxicas. Las bacterias cuentan con BACTERIOCLOROFILAS que difieren en algunos aspectos con la clásica clorofila A(ver abajo) Entre la bacterioclorofila b y la bacteriofitina la diferencia es la presencia o ausencia del metal coordinado (en el centro de la molécula). Los carotenos ensanchan el espectro de absorción y capturar fotones que de otra manera no se podrían capturar, aumentando la eficiencia global del proceso. La energía capturada por los carotenoides es transferida a la bacterioclorofila. En general la combinación de pigmentos aumenta la eficiencia de la captura de fotones y la transferencia por resonancia de E al centro de reacción, donde finalmente ocurre transición de e- que deriva en la oxidación de una molécula de bacterioclorofila. Es decir, el COMPLEJO ANTENA (sist complejo de proteínas) le da eficiencia al proceso fotosintético. Características generales del proceso fotosintético Hay procesos de tipo “antena” que permiten transferir energía hacia el centro de reacción. Son procesos rápidos sin emisión (interacción electrónica). En el centro de reacción se ceden electrones: una molécula que en el centro de reacción tiene un potencial redox tal que lo que va a hacer va a aceptar electrones y no cederlos, pone esa energía extra que le da el sistema antena al centro de reacción, eleva ese potencial a valores negativos y ahí la tendencia es a ceder los electrones. Entonces la luz cambia el potencial redox de la molécula de clorofila en ese ambiente, excitándolos para volverla reductora, es decir que la va oxidando (la vuelve reductora). Va cediendo sus electrones al centro de reacción. La excitación de bacterioclorofilas “crea” reductores fuertes por separación de cargas (el estado excitado en los centros de reacción tiende a oxidarse (potencial más negativo). ¿Por qué no es aprovechada esa energía de forma inmediata en vez de hacer una cadena de transporte de electrones? El centro de reacción tras excitarse se hace un buen dador y deriva esos electrones a otros dadores: la cadena permite entonces un bombeo de H+ para la síntesis de ATP y ofrece varios puntos de regulación del proceso. Un evento instantáneo como la excitación del centro de rx se vuelve un evento durable ( de trasnferencia de e- entre muchos componentes del sistema) Transferencia de energía por resonancia Desde un punto de vista más formal, el fenómeno de transferencia de energía que se produce en el sistema antena se puede ver como en la imagen de abajo: Un donor de energía va a transferir a un aceptor de energía por resonancia energía desde un estado excitado del donor y sin ningún tipo de transferencia electrónica desde las dos moléculas. Solo hay una transferencia de energía por resonancia. GRUPOS FOTOTRÓFICOS EN BACTERIAS 1. Bacterias Púrpura Hacen fotosíntesis anoxigénica y usan un fotosistema de tipo II (RC tipo II) Su proceso fotosintético es cíclico y participan quinonas. Pueden haber dadores de e- externos pero en principio no hay posibilidad de reducir NAD a NADH, porque las quinonas no tienen suficiente potencial para reducir el NAD a NADH, y no existe transporte directo de otro compuesto con mayor potencial redox que el NAD. No hay donor como el H2O en el caso de las oxigénicas, el proceso es cíclico: juego de e- que andan dando vueltas por ahí. Hay traslocación de H+ que es aprovechado para la fosforilación de ADP para la formación de ATP. Para formar NADH es necesario el transporte reverso de e-, que aprovecha ese gradiente de H+ para formar NADH a través de NADH deshidrogenasas (que bombean H+ a favor de gradiente) para que esto ocurra hay oxidación de compuestos como el H2S, S0, S2O32- o Fe2+ que están dando vueltas por ahí) El transporte de electrones a traves de las quinonas, una vez que el electron es extraido de la molécula de clorofila a través de esa inyección de energía que le dio la luz, esas quinonas van a transferir los electrones a los complejos, van a cedérselos nuevamente al sistema fotosintético o pueden transferir a otros componentes. Eso lo pueden hacer porque están en la membrana lipídica. El camino reverso se da cuando las quinonas ceden electrones para la reducción del NAD a NADH a traves de NADH deshidrogenasa funcionando en sentido reverso en la membrana. 2. Bacterias verdes del azufre (Chlorobi) Ferredoxinas y centros ferrosulfurados: moléculas adaptadoras entre las quinonas y la clorofila que son los centros ferrosulfurados y las ferredoxinas (Fd) la cual puede transferir esos electrones que pueden reducir al NAD de forma directa, sin requerir el transporte inverso de electrones. Esto esta presnte tanto en Chlorobi como en Firmicutes. Es decir en el primer caso (el de las púrpura) tenemos un RC (centro de reacción) de tipo II funcionando de forma cíclica y que puede tomar electrones eventualmente, mientras que en los otros dos casos tenemos RC I que no funcionan en forma cíclica y que aceptan electrones que vienen del sulfhídrico. FNR (ferredoxina NADPH reductasa) enzima que va a recibir dos electrones: uno de cada ferredoxina (son dos moléculas de ferredoxina distintas), esos dos electrones van a reducir el FAD al FADH2 (FAD es cofactor que porta los e-) y finalmente la enzima va a poder reducir al NADPH. Entonces la reacción de trasnferencia de e- de la Fd al NADH necesita dos moléculas de ferredoxina y tiene una enzima adaptadora que es la FNR (dos sitios de acción: uno para el NADP y otro para la ferredoxina). CLOROSOMAS: Chlorobi tiene un sistema de membranas muy curioso que aumenta la eficacia de la fotosíntesis. Estas estructuras funcionan a modo de antena, haciendo de soporte de pigmentos, moléculas de clorofila y proteínas adaptadoras que hacen de intermediarias entre la antena y el centro de reacción en la membrana. Esta proteína se conoce como FMO, es soluble y puede interaccionar con la membrana. Formación de clorosomas: Una teoría propuesta es que las interacciones entre carotenoides, clorofilas y quinonas genera en sí una alteración a nivel de la membrana y de la interacción con otros componentes como diacilgliceroles se genera una pequeña vesícula que contiene algunas proteínas en la membrana y luego o van a interaccionar (en el caso de Chlorobi) con una proteína (interacción indirecta con la membrana a través de una proteína) o en el caso de chloroflexi la interacción es a través de proteínas que están en la vesícula con proteínas que están en la membrana embutida. En ambos casos, el clorosoma queda interaccionando con proteínas (ya sea de forma directa o indirecta). 3. Cianobacterias Son las únicas que poseen los dos tipos de fotosistemas (RCI y RCII), casi igual que en eucariotas. El resto de las bacterias fotosintéticas tienen uno o el otro. Además varían pigmentos presentes. Es el único grupo que es capaz de hacer tanto fotosíntesis oxigénica como anoxigénica. Muchas de estas cianobacterias generan toxinas que son peligrosas y las floraciones de cianobacterias surgen como consecuencia de distintos tipos de procesos que tienen que ver muchas veces con lo que hace la gente a nivel industrial (qué componentes se eliminan al medio, etc.). Tienen estructuras membranosas internas que vemos en el MO específicas de los procesos fotosintéticos. Ahí ocurre la fotosíntesis. R = ribosoma – T = tilacoide Proceso: El PSII en cianobacterias se va a nutrir de electrones que provienen del agua, se va a liberar oxígeno, y esos electrones van a ocupar el espacio vacante del electrón del PS que se excitó por acción de la luz. El PSI se nutre de los electrones que provienen del PSII. Es unas fotosíntesis NO cícilica de tipo Z. Sin embargo, si el sistema está saturado de NADH (si no necesito poder reductor, si no estoy haciendo anabolismo) puede pasar que la Fd reduzca al cytbf, que reduce al p700 para no seguir produciendo NADPH. En estas condiciones sin embargo sí se sintetiza ATP gracias a la traslocación de H+. En estas condiciones sí se vuelve cícilica!!! FOTOSISTEMA II El fotosistema II tiene dos subunidades (se ven en celeste y rojo), tiene una clorofila central y una serie de moléculas antena (proteínas que van a hacer el andamiaje para las clorofilas y carotenoides) y un centro de reacción donde se le van a extraer esos electrones al agua dado por el cluster de manganeso. También hay algún atomo de hierro. Otra cosa importante es la conexión del PSII con el ciclo de las quinonas donde va a haber quinonas que van a tomar electrones y se los van a llevar hacia la membrana. Abajo se ve más gráficamente lo que ocurre: RESUMEN: TIPOS DE FOTOSÍNTESIS EN BACTERIAS ORIGEN DE LA FOTOSÍNTESIS ¿Cómo ocurrió el evento de fotosíntesis en el árbol filogenético? → ¿Se desarrolló muy tempranamente en el ancestro común y luego sufrió múltiples pérdidas? → ¿Los diferentes linajes de Bacteria lo adquirieron de manera independiente? Se cree que se originó en cianobacterias y se transfirió horizontalmente a otros grupos Si bien hay un centro de reacción ancestral, la diseminación de ese RC se supone que fue más bien horizontal. Eso quiere decir que por ahí hay más grupos que están alejados filogenéticamente, pero que tienen la misma o relaciones muy similares de genes para la fotosíntesis. Un caso interesante es el que se muestra abajo en donde dos grupos completamente alejados filogenéticamente como las proteobacterias gamma y las gemmatiomonadetes, pero que cuando uno estudia su genoma en relación específicamente a los genes vinculados con los fotosistemas fotosintéticos y las moléculas necesarias para la fotosíntesis, lo que observa es que las proteobacterias y las gemmatimonadetes tienen una disposición de genes que hace pensar que efectivamente tienen un pasado común para esos genes y que hubo transferencia horizontal. Se cree que ambos PS tienen un origen común por similitudes en secuencias de aa y el tipo de plegado proteico. UTILIZACIÓN DE H2S super importante para los microrganismos (antes usaban sólo H2) La fotosíntesis permite utilizar este nuevo agente reductor que es el sulfuro de hidrógeno con una ayuda extra de energía que viene por el lado de la energía de la luz y parece ser que eso ha sido un punto de vista bastante crítico desde el lado evolutivo de la capacidad de estos microorganismos. El H2S dona electrones a la clorofila. El otro donor sería el agua pero su potencial redox al ser más positivo, entonces el oxígeno tiende a tomar electrones y a permanecer en el estado reducido como agua. Para que el agua ceda sus electrones hay que hacer un aporte mucho mayor de energía que para que el H2S los ceda. El agua es muy oxidante (O2/H2O) y por eso cuesta bastante usarla como dador de electrones, por eso conviene usar otras moléculas menos oxidantes. Divergencia de estructura y función para el CR Se cree que el ancestro común del CR podía aceptar e- del H2S, tranferir a Fd, hacer el ciclo d equinonas… tenía todas las capacidades. Este ancestro podría haberse diversificado en 2 tipos de CR, uno con proceso cíclico (RCII) y otro con Fd (RCI) Se cree que en algún punto hubo algún tipo de regulación de la expresión donde convenía en algunos casos en presencia de sulfuro de hidrogeno un tipo de fotosistema RC I y en ausencia convenía uno del tipo RC II. Los sistemas de regulación de la transcripción y traducción tuvieron algo que ver en la diversificación y en la presencia de uno o el otro dependiendo de la condición ambiental. Eventualmente lo que ocurrió es que el sistema de regulación de la expresión en algún punto se modificó y el fotosistema I se pierde, quedando únicamente el PS II, o al revés, o alternativamente se pierde la regulación de la transcripción quedando ambos funcionando haciendo que queden vías no cíclicas como la oxigénica donde se usan ambos fotosistemas. Esta es la propuesta más mecanística a la evidencia evolutiva VERSATILIDAD METABÓLICA EN CIANOBACTERIAS Las cianobacterias tienen cierta versatilidad: pueden hacer fotosíntesis oxigénica y anoxigénica. Esto tiene que ver con el hecho de que tienen una quinona reductasa que es dependiente del sulfuro de hidrógeno, puede e

Microbiología 2do Cuatrimestre 2021- Parte 1 PDF

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