CHAPTER III : RESEARCH METHODOLOGY
E. The Technique of Data Analysis
Autótrofos / Litótrofos Heterótrofos / Quimiótrofos Orgánico
FUENTE
DE
ENERGÍA
Luz Fotótrofos Fotoautótrofos* I Fotolitótrofos Fotoheterótrofos Compuestos Químicos Quimiótrofos Quimioautótrofos Quimiolitótrofos Quimioheterótrofos* II Quimioorganótrofos *I: Similares a Eucariontes Fotosintéticos.
*II: Similares a Eucariontes Heterótrofos.
Desechos
FUENTE FUENTE
DE CATABOLISMO DE
ENERGÍA ANABOLISMO MATERIA
Poder
Reductor
Movimiento Componentes
B/ Nutrientes y Vías de Asimilación:
1 Los Macronutrientes:
- Los Macronutrientes son los principales Nutrientes que las Bacterias deben absorber del Medio. Suelen ser los mismos en TODAS las Células.
- Además de ellos necesitan Micronutrientes, en menor nivel de requerimiento, y por último, Factores de Crecimiento: Sustancias orgánicas sencillas no sintetizadas por la bacteria, pero que es tomada del entorno.
- CARBONO: De compuestos orgánicos u inorgánicos (CO2).
- HIDRÓGENO: Para el poder reductor, suelen tomarlo del Agua.
- OXÍGENO: Aceptor final de e- en respiración aerobia, también lo toman del agua.
- NITRÓGENO: Elemento clave de muchas proteínas y Bases Nitrogenadas. - FÓSFORO: En enlaces de Alta energía, Nucleótidos y Fosfolípidos.
- AZUFRE: En aminoácidos indispensables para muchas proteínas, Vitaminas, CoA, donadores de e- (fotosíntesis), y aceptores de e- (respiración).
2 Los Micronutrientes:
- El requerimiento es mucho menor, es decir, en mucha menor concentración.
- HIERRO: El más fundamental de todos ellos. Interviene en la Fotosíntesis, Fijación del N, Actividad de numerosas Enzimas y Proteínas, Citocromos,
- Muchas bacterias forman Sideróforos: Estructuras especializadas que unen Fe con facilidad, secuestrando el Fe del hospedador, pues presenta mayor afinidad.
- POTASIO: Para muchas enzimas implicadas en Biosíntesis de proteínas.
- MAGNESIO: Para Actividad Enzimática y Estabilización de Ribosomas, Membrana Plasmática y Ácidos Nucleicos.
- CALCIO: Importante para la Pared Celular y esporulación de Endosporas. - SODIO: Para bacterias Halófitas y Halófitas estrictas (muchas Achaeas). - COBRE: Para Citocromo C y Plastocianina (Fotosíntesis).
- OLIGOELEMENTOS: Requerimiento aún más reducido, mínimo. Cobalto, Zinc, Niquel… 3 Asimilación de Nutrientes:
- Los Precursores Metabólicos suelen contener ya el C, H y O.
- Las Células Bacterianas deben incorporar por Vías de Asimilación particulares los otros Macronutrientes; N, S y P.
- Además deben incorporar los Micronutrientes y Oligoelementos. 4 Incorporación del Nitrógeno:
- Las principales fuentes de N orgánicas son grupos Amino, Imino y Heterociclos.
- Las principales fuentes de N inorgánicos, que deben ser incorporados, son el Nitrógeno molecular (0), Nitritos(-5), Nitratos(-5) y Amonio(-3).
- La incorporación tiene lugar en forma de Amonio, cuyo estado de ionización es -3.
- Nitratos y Nitritos son transformados en Amonio por una Reducción Asimilatoria metabólica de ciertas bacterias Fijadoras de Nitrógeno:
Nitrato-Reductasa Asimilatoria Nitrito-Reductasa Asimilatoria
NO3 NO2 NH4+
- El Nitrógeno Molecular también puede ser transformado en Amonio, en las bacterias Fijadoras de Nitrógeno:
Nitrogenasa
N2 NH4+
Nitrógeno Amonio
- La incorporación del Amonio Puede realizarse por dos vias: Directa o Indirecta.
- Cuando en Amonio está en alta concentración, se realiza por vía directa. Lo hace la Enzima Glutamato dh, que no gasta energía.
- En caso contrario, se hace por vía directa, por medio de la Glutamin Sintetasa, de mucha mayor afinidad pero que gasta ATP, formando ácido Glutámico.
5 Incorporación del Azufre:
- Muchas bacterias obtienen S orgánico del Medio- Las principales fuentes exógenas de S inorgánico son transformadas en SH2, de tal forma que pueden ser asimiladas.
- La asimilación de sulfatos requiere altos Poder Reductor y gasto Energético. SH2 solo se encuentra estable en medios anaeróbicos.
- Tiene lugar por medio de la siguiente Reducción Asimilatoria: Acetilserina Sulfohidrolasa
SH2 + Acetilserina Cisteína
6 Incorporación del Fósforo:
- Se asimila a partir de Fosfatos, sin gastos Energéticos ni de Poder Reductor. Es incorporado generalmente por medio de Rutas Catabólicas.
- Tiene lugar en Procesos de Fosforilación de ATP, a partir del ión Fosfato inorgánico.
- La membrana celular es impermeable a Fosfatos orgánicos. Puede producir encimas que catalizan la Hidrólisis Extracelular de dichos compuestos, produciendo ión Fosfato que es absorbido.
Fosfatasa Alcalina; 5-Nucleotidasa
Fosfato Orgánico Ión Fosfato
C/ Energía, Precursores Metabólicos, Poder Reductor:
1 Energía:
- Existen cuatro tipos de Vías para generar energía: - Heterótrofos: Metabolismo Respiratorio. Metabolismo Oxidativo. - Autótrofos: Metabolismo Fotótrofo. Metabolismo Quimiolitótrofo.
- Hay, además, dos Vías para generar ATP: Gradientes Quimiosmóticos.
Fosforilación Oxidativa de Respiración / Fosforilación de Fotosíntesis.
2 Precursores Metabólicos:
- Existen 13 Precursores Metabólicos fundamentales para toda Bacteria. Estos son procesados por las rutas del Metabolismo Central, ya sean reductoras u oxidativas.
- Algunos de los principales precursores metabólicos son: Glucosa-6-P Fructosa-6-P Ribosa-5-P Eritrosa-5-P Triosas Fosfato 3-Fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Acetil CoA
- Glucólisis: Glucosa-6-P Piruvato (6 precursores)
- Ciclo TCA: Acetil CoA CO2 (3 precursores)
- Vía de las Pentosas Fosfato:
Glucosa-6-P CO2 (2 precursores) 3 Poder Reductor:
- Depende de dos sustancias transportadoras de protones: NADH y NADPH. Son indispensables en Rutas de Biosíntesis.
- En heterótrofos respiratorios, ceden su e- en la cadena de transporte electrónico, para la
síntesis de ATP
D/ Fuentes de Energía en Bacterias:
1 Generalidades:
- La fuente universal de energía Celular es el ATP.
- El ATP de la célula puede obtenerse por distintas vías: Respiración, Fermentación o Fotosíntesis.
1 Metabolismo Quimioheterótrofo:
- Utiliza Compuestos Orgánicos. La Respiración es la principal fuente de E, Precursores y P Red. En su lugar, puede tener lugar la Fermentación.
- Su Fuente primaria son los Glúcidos, también utilizan Ácidos Grasos por -oxidación, y ante carencia de estos, pueden utilizar Aminoácidos de proteínas, formando Acetil CoA.
- La oxidación de Glucosa en Piruvato, puede darse por: Glucolisis, Ruta de las Pentosas Fosfato o Ruta de Entner – Doudoroff.
- La oxidación de Acetil CoA en el ciclo TCA forma ATP y Poder Reductor dando lugar a CO2.
- La oxidación completa del sustrato donador de e- por Respiración, hasta el aceptor (O, N, S)
tiene lugar a partir de Acetil CoA y otros precursores, formando E.
Biosíntesis
Compuestos Orgánicos
CO2
2 Cadenas de Transporte Electrónico de Bacterias:
- Las Cadenas de Transporte Electrónico tiene lugar a nivel de la hemimembrana interna celular, y está relacionado con proteínas asociadas a la membrana. Se trata de la Oxidación completa del sustrato.
- Son muy similares a las que ocurren en las Mitocondrias, pero pueden variar ligeramente entre Bacterias.
- Respiración: El aceptor de electrones puede ser O2 (Aeróbica) o S, N… (Anaeróbica)
- Fermentación: El aceptor de electrones es Endógeno y Orgánico.
- En estas Oxidaciones, los Dadores pueden ceder H+ y e- o ceder sólo el e- y liberar el protón al
medio.
- NADH suele ser el principal dador de electrones. Hay una cadena de aceptores que se transfieren los e- de unos a otros:
NADH Deshidrogenasa: Captan H+ de NADH y transfieren a Flavoproteínas.
Flavoproteínas: Aceptan H+ y ceden sólo e-.
Proteínas Fe/S (No Hético): Sólo transfieren e-.
Quinonas: Liposolubles. Aceptan H+ y sólo transfieren e-. Pueden desplazarse en la mbr.
Citocromos: Proteínas con grupo prostético Hemo. Hay varios tipos. Transportan e- hasta el
aceptor final: generalmente Dióxido.
- La Energía es así acumulada gracias a una fuerza protón-motriz. Puede ser transformada en ATP por Bombas ATPasas, utilizada para simporte con protones o para movimiento flagelar…
3 Metabolismo Fotótrofo:
- En Fotótrofos la Energía es obtenida por medio de Fosforilación de Fotosíntesis. La Energía fundamental tiene por origen la luz del sol.
Luz Flujo electrónico Grad Protónico E celular; ATP
- Fotoheterótrofos:
Compuestos Orgánicos Biosíntesis
- Fotoautótrofos:
CO2 Biosíntesis
- El proceso de la Fotosíntesis puede generar energía por medio de Fosforilación Cíclica o No Cíclica.
4 La Fotosíntesis:
- Síntesis de ATP por Fotofosforilación a partir de la energía de la luz solar.
- La Fotofosforilación, presente en Cianobacterias, puede ser no cíclica o cíclica en función del medio habitado:
No cíclica: Similar a la fotosíntesis vegetal. La luz excita los Fotosistemas II (P680) y I (P700). Hay producción de Energía y Poder Reductor.
Cíclica: Sólo funciona el Fotosistema I (P700). Produce Energía pero no Poder Reductor. - La base del proceso es la excitación de la clorofila por la luz del sol. Esto facilita el transporte de e-, que suelen ser cedidos a NAD+ o NADP+. El donador exógeno de electrones es el H2O.
- Las Bacterias Fotosintéticas suelen ser bacterias Gram – unicelulares o filamentosas, que poseen estructuras celulares específicas: Los Tilacoides.
- Los Tilacoides son sistemas internos de membrana independientes, dispuestos paralelamente a la membrana citoplasmática. Actúan como Centros Antena, Centros de Reacción y Cadenas de transporte de electrones.
- En los Centros de Reacción se encuentra la Clorofila A.
- Los Ficobilisomas son gránulos de los Tilacoides con Ficobilinas: Se trata de pigmentos de captación de luz (Ficocianina, Ficoentrina).
- Estas Bacterias suelen poseer vesículas de gas para disponerse en el agua a la altura perfecta para captar su de luz óptima. También suelen presentar gránulos de Cianoficina como reserva de N. Fotosistema II P680 Luz 2 H2O FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA O2 ; 4H+ Fotosistema I P700 Luz NADP+ NADPH
- El éxito evolutivo de estas formas de vida permite su crecimiento y expansión en gran variedad de nichos: Sus requerimientos son tan básicos como Agua y Luz solar.
- Gracias a ello comenzó la acumulación de O2 atmosférico, haciendo de Cianobacter un grupo
fundamental de la Historia Natural del planeta. Esto supuso una etapa de selección masiva: extinción de especies para las cuales el oxígeno es tóxico, y adaptación a la respiración oxigénica.
Bacterias Acuáticas;
Cohabitación en estratos, sin competencia:
Cianobacterias
(Aerobias, Bacterias verdes del
Amplio espectro). azufre (Anaerobias, en
acúmulos de sulfuro).
Bacterias púrpuras, (Anaerobias de infrarrojos en acúmulos de sulfuro).
- El agua puede ejercer como filtro potente para la luz. Por ello en un único estanque pueden convivir distintos tipos bacterianos en estratos distintos, en función de sus necesidades.
7 La Autotrofía:
- La mayoría de bacterias con fotofosforilación son bacterias autótrofas, capaces de sintetizar su propia materia orgánica.
- Deben incorporar el carbono inorgánico en su materia:
CO2 CH2O
- Para ello, pueden emplear distintos mecanismos:
Ciclo de Calvin: Tiene lugar en los carboxisomas; gránulos de acumulación de enzima RubisCo cristalizada.
6 Metabolismo Quimiolitótrofo:
CO2 Biosíntesis
Compuesto Inorgánico NO3-
SO42-
O2
Flujo electrónico E celular; ATP
- La Quimiolitotrofía es un tipo de metabolismo exclusivo de Bacteria y Arquea.
- A menudo las permite ser autótrofas (por ciclo de Calvin o TCA inverso), o simplemente utilizar la quimiolitotrofía como fuente de energía (ATP) por fosforilación oxidativa a partir de un donador de e-
inorgánico.
- El aceptor de electrones suele ser O2 (aerobias) en Bacteria y otros compuestos moleculares
(anaerobia) en Arquea.
- Los compuestos orgánicos pueden inhibir el crecimiento de este tipo de bacterias.
E/ Bacterias Quimiolitótrofas:
1 Generalidades:
- Existen distintos tipos de bacterias quimiolitotrofas en función de los compuestos inorgánicos que oxidan:
Nitrificantes. Sulfooxidantes. Ferrooxidantes.
Oxidantes de Hidrógeno Molecular.
2 Las Bacterias Nitrificantes (oxidantes del nitrógeno):
- Son bacterias quimiolitotrofas estrictas, muy sensibles a la materia orgánica.
- Son las que presentan mayor especificidad; existen distintos grupos, cada uno especializado en la oxidación de distintas formas del Nitrógeno:
Bacterias Nitrosas Bacterias Nítricas
NH3 NO2- NO3-
Amoniaco Nitrito Nitrato
- La nitrificación completa del amoniaco precisa de la actuación secuencial de ambos grupos de bacterias. Estas bacterias, acidófilas, no crecen ante presencia de materia orgánica. Son frecuentes en las aguas residuales urbanas.
- Las bacterias oxidantes del amoniaco en nitrito requieren de la acción de dos enzimas exclusivas de este grupo:
e- Citocromo C
NH3 + O2 NH2OH + H2O NO2-
Amonio monooxigenasa Hidroxilamina oxidoreductasa - La energía generada en el proceso es relativamente baja (- 65 kCal / mol).
- El Nitrito es un compuesto tóxico, y las bacterias capaces de utilizarlo y oxidarlo son especiales. Poseen una enzima integral de membrana, exclusiva de este grupo:
NO2- + H2O NO3- + 2H+
Nitrito oxidasa
- La energía generada en el proceso es baja (- 18 kCal / mol). 3 Las Bacterias Sulfooxidantes (oxidantes del azufre):
- Presentan también especificidad ante el sustrato, pero no tan marcado como en nitrificantes. Utilizan como dador de electrones compuestos de azufre S reducidos; SH-, S0, S2O32-.
- SH- cede sus electrones a FP, en un nivel más avanzado de la cadena respiratoria. El azufre
elemental y S2O32- los ceden, sin embargo, al Citocromo C.
- A menudo las bacterias oxidantes del azufre presentan gránulos de acumulación de azufre elemental S0.
- Las arqueas sulfooxidantes son un importante grupo de oxidantes de azufre, y suelen fijar el CO2 por el TCA inverso. En Bacteria, esta fijación suele tener lugar por el Ciclo de Calvin.
4 Las Bacterias Férricas o Ferrooxidantes (oxidantes del hierro):
- Son bacterias quimiolitotrofas acidófilas que oxidan el Ferroso (Fe II) en Férrico (Fe III), en anaerobiosis pues sino la oxidación es espontánea.
- Al aumentar la concentración de H+ intracelular se genera un gradiente electroquímico en la
membrana de la célula. Ante un exceso, el pH disminuye y la célula puede morir. La formación de agua evita un pH excesivamente bajo.
- Este tipo de oxidación suministra muy poca energía. Se forma ATP a partir del gradiente electroquímico.
5 Drenaje ácido de las minas:
- Tanto las bacterias sulfooxidantes como las férricas suelen proliferar en las minas de Pirita (S2Fe). Destruyen la pirita de las minas y la contaminan con óxido de hierro, a lo que se debe las
aguas de color rojo que manan.
- Thiobacillus sulfoxidans oxidan el azufre de la pirita formando H+ y haciendo que disminuya el
pH.
- Thiobacillus ferroxidans oxidan Fe II en Fe III, y este último sedimenta unido a tres átomos de
hidroxilo: Fe3+ Fe(OH)3
- La Biolixilación es una técnica de extracción de minerales alternativa, que se hace más reentable para la extracción de compuestos en baja concentración (Cu, manganeso, o pirita en baja concentración). Se realiza la oxidación del mineral por acción bacteriana.
EXTERIOR PERIPLASMA MEMBRANA CITOPLASMA
2 Fe 2+ H2O
Rusticianina Cyt c
e-
2 Fe 3+ Cyt a1 ½ O2 + 2 H+
6 Bacteria oxidantes de Hidrógeno (H2):
- El H2 es el donador de electrones para la respiración. Se establece así un gradiente de
protones que sirve para la síntesis de ATP.