UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADREA GROHMANN FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE BIOLOGÍA MICROBIOLOGÍASEMINARIO: BACTERIAS FOTOTRÓFICAS ANOXIGÉNICAS CURSO: BACTERIOLOGIA ALUMNO: GANDHY REINIERO PORTUGAL ZEGARRA CÓDIGO: 2009-34017 AÑO: 4TO TACNA – PERÚ 2013 1 BACTERIAS FOTOTRÓFICAS ANOXIGÉNICAS 2 ÍNDICE CONTENIDO - INTRODUCCIÓN - CAPÍTULO I. ACTIVIDAD MICROBIANA. - CAPÍTULO II. FOTOTROFOS: FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA: Página 4 5 5 - CAPÍTULO III. GENERALIDADES DE LA FILOGENIA DE 7 BACTERIAS B) PHYLLUM PROTEOBACTERIAS: 8 10 C) PHYLLUM: BACTERIAS VERDES DEL AZUFRE D) BACTERIAS VERDES NO DEL AZUFRE: - CAPÍTULO IV. SISTEME DE VIDA FOTOTRÓFICO 10 - CAPÍTULO V. FUNCIÓN DE LA CLOROFILA Y DE LA 16 BACTERIOCLOROFILA EN LA FOTOSÍNTESIS. - CAPÍTULO VI. FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA - CAPÍTULO VII. GENÉTICA DE LA 20 FOTOSÍNTESIS 23 BACTERIANA - CAPÍTULO VIII. AUTOTROFIA EN BACTERIAS ROJAS: 24 DONADORAS DA ELECTRONES Y TRANSPORTE INVERSO DE ELECTRONES - CAPÍTULO IX. COMPARACIÓN DEL TRANSPORTE 25 FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES Y LA SÍNTESIS DE PODER REDUCTOR EN OTROS FOTOTROFOS ANOXIGÉNICOS - BIBLIOGRAFIA 26 3 INTRODUCCIÓN En la fotosíntesis anoxigénica los organismos fotoautótrofos anoxigénicos convierten la energía de la luz en energía química necesaria para el crecimiento; sin embargo, y al contrario que las plantas, algas y cianobacterias, en este proceso de transformación de la energía no se produce oxígeno (O2) Otra diferencia y es por que ello los se le llama fotosíntesis anoxigénica. fotótrofos anoxigénicos contienen un tipo de clorofila, bacterioclorofila, diferente a la clorofila de las plantas. La fotosíntesis anoxigénica también representa otro proceso de producción primaria exclusivo de procariotas. En este proceso se substituye el agua como donante de electrones por compuestos inorgánicos sulfurados reducidos (sulfuro de hidrógeno, tiosulfato o azufre elemental), hidrógeno gaseoso (H2), hierro (Fe++) o por un compuesto orgánico. En adición se emplea un solo fotosistema para las reacciones de fotofosforilación cíclica y no-cíclica. Los pigmentos que permiten la captura y transformación de la energía radiante a energía química se conocen como bacterioclorofilas. Estos pigmentos presentan substituyentes en varias posiciones del anillo de porfirina que los llevan a diferenciarse de las moléculas de clorofila que encontramos en los fototrofos oxígenicos. 4 CAPÍTULO I. ACTIVIDAD MICROBIANA. La conversión de energía radiante a energía química atrapada en los enlaces químicos de moléculas orgánicas es la esencia de la productividad primaria generada por fotógrafos. Se puede definir la productividad primaria como la cantidad de carbono inorgánico (c) convertido a materia orgánica por organismos autotróficos (ej. gramos de carbono) o como la cantidad de energía transformada por los productores primarios para producir materia orgánica nueva (ej. kilocarías). En ambos casos los valores de productividad se calculan para un área o volumen determinado, por un intervalo de tiempo determinado. En el primer caso podemos expresar la productividad primaria en términos de gramos de carbono fijado/m2/año. En el segundo caso una expresión apropiada sería kilocalorías/m2/año. Es importante reconocer la diferencia que existe entre los términos productividad primaria y cosecha en pie ("standing crop"). Este último alude exclusivamente a la biomasa (gramos de materia orgánica seca) contenida en una comunidad o grupo de seres vivientes en un momento dado. La biomasa puede ser convertida a gramos de carbono multiplicando por un factor de conversión apropiado (ver un ejemplo en la unidad biomasa fototrofos). Como veremos a continuación, en nuestro planeta existen varios mecanismos para llevar a cabo la reducción de CO2 a materia orgánica, pero solo tocaremos el correspondiente a nuestro tema. CAPÍTULO II. FOTOTROFOS: FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA: La fotosíntesis anoxigénica también representa otro proceso de producción primaria exclusivo de procariotas. En este proceso se substituye el agua como donante de electrones por compuestos inorgánicos sulfurados reducidos (sulfuro de hidrógeno, tiosulfato o azufre elemental), hidrógeno gaseoso (H2), hierro (Fe++) o por un compuesto orgánico. En adición se emplea un solo fotosistema para las reacciones de fotofosforilación cíclica y 5 no-cíclica. Los pigmentos que permiten la captura y transformación de la energía radiante a energía química se conocen como bacterioclorofilas. Estos pigmentos presentan substituyentes en varias posiciones del anillo de porfirina que los llevan a diferenciarse de las moléculas de clorofila que encontramos en los fototrofos oxígenicos. Dichas modificaciones se traducen en cambios significativos en el espectro de absorción. La mayoría de las bacterias fototrofas anoxigénicas pertenecen al grupo de las bacterias púrpuras y las bacterias verdes. Estas bacterias sólo pueden fotosintetizar bajo condiciones anaeróbicas, dado que el oxígeno (O2) reprime la síntesis de sus pigmentos fotosintéticos. Podemos encontrar estas bacterias usualmente en estratos profundas de lagos estratificados. Existe otro grupo de fototrofos anoxigénicos que necesitan de oxígeno para vivir, aun cuando no lo producen. Estos fototrofos procariotas de origen marino han sido ubicados mayormente en el género Erythrobacter, aunque un número reducido de especímenes ha sido ubicado dentro del género Pseudomonas. La contribución de la fotosíntesis anoxigénica a la productividad primaria de algunos cuerpos acuáticos es significativa. En el caso del Mar Negro, el cuerpo de aguas anóxicas saladas más grande del mundo, dicha contribución pudiera ser actualmente superior a la contribución de la fotosíntesis oxigénica, según lo sugieren datos de la abundancia, composición y distribución de pigmentos en dicho cuerpo de agua. Por otro lado, estudios realizados por Parkin y Brock (1980) en seis lagos de Wisconsin revelan que la contribución de fototrofos anoxigénicos a la productividad primaria diaria total varió entre 0.26% y 6.3%. Estos investigadores concluyeron que la variabilidad en la contribución de los fototrofos anoxigénicos a la productividad primaria está determinada mayormente por las diferencias en la intensidad de la energía radiante y en menor grado por las concentraciones de sulfuros en la columna de agua. Es conveniente señalar que aun cuando los productores primarios de mayor abundancia y biomasa en nuestro planeta son los fototrofos oxigénicos, algunos de ellos son capaces de llevar a cabo fotosíntesis anoxigénica. 6 Algunas algas y cianobacterias (ej. Oscillatoria sp.) son capaces de utilizar H2 ó H2S respectivamente, para reducir CO2. Esta variación se produce cuando se generan condiciones anóxicas en el ambiente y se encuentran disponibles H2 ó H2S. En este patrón metabólico anoxigénico se emplea únicamente el fotosistema-I. Ignorar este fenómeno nos puede llevar a subestimar la productividad primaria en ambientes anóxicos, cuando utilizamos la producción de O2 como indicador de la productividad primaria. PRODUCTIVIDAD PRIMARIA: INDICADOR DE ESTATUS NUTRICIONAL: Los estimados de productividad primaria pueden ser utilizados como indicadores del estatus nutricional de cuerpos de agua naturales. Esta clasificación es válida para lagos autotróficos, aquellos donde la materia orgánica producida proviene mayormente de la actividad fotosintética y no de materia orgánica importada. Es necesario tomar en consideración algunas excepciones a esta clasificación, particularmente en áreas desérticas, donde la radiación solar es intensa, la temporada de crecimiento o cosecha es larga y los nutrientes están concentrados. A menudo en estas áreas se registran valores de productividad que sobrepasan los límites aquí señalados para aguas contaminadas (ej. salitrales, lagos de soda). CAPÍTULO III. GENERALIDADES DE LA FILOGENIA DE BACTERIAS Al menos se conocen 17 linajes principales (Phyla) de Bacteria que derivan del estudio de cultivo de laboratorio, y otros muchos han sido identificados al secuenciar genes de rRNA de Bacteria en hábita naturales. Con respecto a bacterias fototrofas anoxigénicas se considera a los Thermosulfobacterium, Thermotoga y la bacteria verde no del asufre (grupo Chloroflexus) tambien contiene especies termofílicas. Otras bacterias del rubro fototróficas son Grampositivas identificadas por su relación de GC en las basesde sus ADNs. El grupo Proteobacteria, es un grupo más grande y más diverso fisiologicamente de todo Bacteria. Las Proteobacterias contienen 5 grupos con varios géneros cada uno designados por las letras griegas alfa, beta, 7 gamma, delta y epsilon. Filogenéticamente solo nos importa las que presentan un carácter fototrofo anoxigénicos. A) PHYLLUM PROTEOBACTERIAS: Son un lije principal bacteriano que comprende un gran número de bacterias y cocos Gram negativos., que presentan una gran diversidad metabólica y representan la mayoría de las bacterias con importancia clínica, industrial o agrícola. La descripción a continuación tocará a las proteobacterias fototróficas: Bacterias rojas. Bacterias rojas fototróficas: Género clave: Chromatium Rhodobacter Rhodospirillum Ectothirhodospira Las bacterias rojas fototróficas llevan a cabo la fotosíntesis no oxigénica; a diferencia de las cianobacterias el oxígeno (O2) no está implicado. Las bacterias rojas contienen pigmentos de clorofila llamados bacterioclorofíla y además, una variedad de pigmentos carotenoicos. En conjunto, estos pigmentos dan a estas bacterias rojas sus espectaculares colores, generalmente rojos, púrpura o marrón. Estas bacterias son un grupo morfológicamente diverso y su taxonomía ha implicado diversas líneas filogenéticas, morfológicas y fisiológicas. Las bacterias rojas forman sistemas fotosintéticos membranosos intracelulares que contienen los pingmentos fotosintéticos. Estas membranas pueden poseer varias morfologías pero en todos los casos se generan por invaginación de la membrana citoplasmática, lo que les permite incrementar el contenido específico de los pigmentos y así utilizar mejor la luz disponible. Cuando crecen con alta disponibilidad de luz poseen pocas membranas, pero 8 cuando escasea la luz, las células están llenas de formaciones membranosas y fotopigmentos. 1) BACTERIAS ROJAS DEL AZUFRE: Las bacterias rojas que utilizan sulfuro de hidrógeno (H2S) como un donador de electrones para la reducción fotosintética del C02, se las conoce como bacterias rojas del azufre. El sulfuro es oxidado a sufre elemental (S0) que es almacenado como granulo dentro de las células; más tarde el azufre desaparece a medida que se oxida a sulfato. Muchas de estas bacterias rojas también pueden reducir otros compuestos azufrados como donadores de electrones fotosintéticos tales como el tiosulfato, siendo ése un compuesto clave para cultivar estos microorganismos en el laboratorio. Actualmente, se incluyen en el grupo gamma de Proteobacteria. Las bacterias rojas del azufre se encuentran habitualmente en zonas anóxicas de lagos bien iluminados y otro hábitat acuáticos donde el H2S se acumula. También en los manantiales sulfurosos en los que el H2S de origen biológico o geoquímico puede disparar el rápido crecimiento de este tipo de bacterias rojas del azufre. Los lagos son favorables para el crecimiento de las bacterias rojas del azufre se denominan lagos meromícticos (permanentemente estratificados). Los lagos meromícticos se estratifican porque poseen aguas más densa en el fondo (normalmente salina) y en menos densa (normalmente agua dulce) cerca de la superficie. Si existe suficiente sulfato para que sea reducido, el sulfuro originado en los sedimentos difunde hacia arriba, hacia las capas anóxicas de las aguas y allí las bacterias rojas del azufre crecen masivamente, por lo general, asociadas con las bacterias fototróficas verdes del azufre. 9 El género Ectothiorhodospira y halorhodospira tienen un interés especial porque, a diferencia de otras bacterias rojas del azufre, estos organismos oxidan H2S y producen S0 fuera de la célula y también porque algunas de sus especies son halófilas extremas, encontrándose entre las más halófilos del mundo procariótico. Estos organismos se encuentran típicamente en ambientes marinos, lagos salados, lagos bicarbonatados y salinas. 2) BACTERIAS ROJAS NO DEL AZUFRE Estas bacterias se denominan no del azufre porque inicialmente se pensaba que eran incapaces de usar sulfuros como donadores de electrones para la reducción del C02 hasta material celular. Sin embargo, el sulfuro si puede ser utilizado por la mayoría de las especies, aunque los niveles de este compuesto que pueden utilizar las bacterias rojas del azufre son tóxicos para la mayoría de las bacterias rojas no del azufre. Algunas de las bacterias rojas no del azufre también pueden crecer anaeróbicamente en la oscuridad utilizando la fermentación o la respiración anaeróbica, y la mayoría puede crecer anaeróbicamente en la oscuridad por respiración. Estas bacterias son de nutrición muy diversa y pueden utilizar como fuente de carbono sustancias diversas. La mayoría pueden crecer también fotoautotroficamente con (CO2 + H2) o (CO2 + bajos niveles de H2S). El enriquecimiento y aislamiento de las bacterias rojas no del azufre son fáciles, utilizando un medio de sale minerales suplementado con un ácido orgánico como fuente de carbono. Tales tipos de medios, inoculados con lodo, agua de un lago o de una alcantarilla, se incuban anaeróbicamente con luz e invariablemente favorecen el crecimiento de bacterias rojas no del azufre. Los medios de enriquecimiento puede hacerse aún más selectivos omitiendo fuentes de nitrógeno de tipo orgánico (como por ejemplo el extracto de levadura de nitrógeno N2); prácticamente todas las bacterias rojas no del azufre pueden fijar N2 y crecer en estas condiciones más que otros posibles competidores. 10 La diversidad morfológica de las bacterias rojas no del azufre es típicamente la de las bacterias rojas del azufre, siendo, por tanto, un grupo heterogéneo en este sentido. Todas las bacterias rojas no del azufre que se han aislado hasta la fecha son invariablemente Proteobacterias alfa o beta. B) PHYLLUM: BACTERIAS VERDES DEL AZUFRE B.1) CHLOROBIUM Y OTRAS BACERIAS VERDES DEL AZUFRE: Género clave: Chlorobium Prosthechochloris Chlorochoromatium Las bacterias verdes del azufre constituyen un grupo filogenético distintivo inmóviles anoxigénico y anaeróbios estrictos. Es un grupo morfológicamente variado e incluye desde bacilos cortos hasta muy largos. Como las bacterias rojas utilizan H2S como donador de electrones oxidando primero hasta S 0 y después hasta S04-2. Pero al contrario que en ellas, el azufre que pueda originarse, permanece en el exterior de la célula. La mayoría de las especies pueden también asimilar un puñado de compuestos orgánicos en presencia de luz. La autotrofía sin embargo, no depende de las reacciones del ciclo de Calvin como en el caso de las bacterias rojas sino del ciclo reverso del ácido cítrico, una forma única de metabolismo entre los seres fototróficos. Pigmentos y ecología: Las bacterioclorofilas que se encuentran en las bacterias verdes del azufre incluyen la bacterioclorofila a o bien la c, d o e. Estas últimas funcionan como recolectores de luz y se depositan en estructuras típicas conocidas como clorosomas. Los clorosomas son cuerpos oblongos con membrana sin estrucutura de unidad de membrana y se encuentran unidas a la membrana citoplasmática en la periferia de las células. Estudios sobre transferencia de 11 energía en estas bacterias han demostrado que la luz absorbida por las bacterioclorofilas c, d o e en el clorosoma es embocada hacia la bacterioclorofilas a que se encuentra en la membrana citoplasmática, que es donde ocurre la síntesis real de ATP. Se conocen tanto especies verdes como marrones. Como en el caso de las bacterias rojas del azufre, las verdes viven en ambiente acuícolas anaerobios con abundante H2S (en general, son más tolerantes al sulfidrico que las rojas). Debido a que el clorosoma es muy eficiente como recolector de luz, se requiere muy poca luz para soportar la función fotosintética en estas bacterias y normalmente se encuentran a mayores profundidades que el resto de los organismos fotosintéticos. Una especie del género Cholorobium, C. tepidum es termofilo y forma matas muy densas en manantiales azufrados de agua caliente. Su genoma de 2.1 megabases ya se ha secuencia completamente y de hecho ha sido el primer genoma de un fotótrofo anoxigénico; también es importante por ser transformable y presentar una conjugación definida. Los consorcios de bacterias verdes del azufre: Ciertas bacterias verdes del azufre pueden formar asociaciones estrechas con bacterias quimiorganotrofos en las que ambos se benefician, tales asociaciones se denominan consorcios. El componente fototrófico se denomina epibionte y aparece físicamente unido al componente no fototrófico, aunque el mecanismo de unión no está claro. El termino Chlorocromatium aggregatum; se ha utilizado para decribir uno de estos consorcios; este término sin embargo no tiene implicaciones taxonómicas porque se refiere a dos organismos más que a uno solo. El consorcio C. aggregatum es de color verde porque el epibionte es una bacteria verde asufrada que contiene bactericlorofila c o d y carotenoides de color verde y que rodean una célula no fotosintética. Una estructura similar conocida como Pelochromatium roseum es de color pardo. En otros 12 consorcios el epibionte tiene forma de media luna por lo que es razonable asumir que en la naturaleza puede existir una gran variedad de consorcios. Algunos han sido crecidos en el laboratorio. Por término medio el consorcio C. aggregatum contiene 12 epibiontes por célula central mientras que el P. roseum contiene alrededor de 20. Existe evidencias sólidas para pensar que los epibiontes son de hecho bacterias verde de azufre; estas evidencias incluyen el que sus cromosomas procarioticos son bien visible en cortes finos. Por otra parte, el tratamiento del consorcio con un oligonucleótido fluorescente específico para el 16S rRNA de bacterias verdes del azufre induce específicamente fluorescencia en el epibionte y no en la célula central. Los estudios de laboratorio han demostrado también que ambas células también que ambas células se dividen en sincronía, lo que sugiere una forma de intercomunicación entre ambas. La razón de por qué se forman estas asociaciones no está claro; los estudios combinados de laboratorio y de campo sugieren que los epibiontes en estos consorciones se han adaptado a bajo régimen de luz y sulfíbrico y que la función de la célula central es movilizar al epibionte en la columna de agua buscando las condiciones óptimas para la fotosíntesis. C) BACTERIAS VERDES NO DEL AZUFRE: Géneros clave Chloroflexus Thermomicrobium Este phylum de bacterias es filogenéticamente diferente y contiene unos pocos géneros, siendo Chloroflexus el mejor conocido. Thermomicrobium es un miembro quimiorganotrófico del grupo y es aerobio estricto por lo que solo se lo nombrará en este párrafo para solo atañar a el género de importancia por su carácter fototrófico anoxigénico que es Chloroflexus. Chloroflexus. 13 Chloroflexus y la mayor parte de bacterias verdes no del azufre son procariotas filamentosas que forman matas espesas en manantiales termales de tipo neutro. Organismos semejantes a Chloroflexus también se aíslan en ambientes marinos no termales. Aunque son anoxifototrofos, es en realidad un fototrofo hibrido, en el sentido de que la fotosíntesis recuerda a la de bacterias rojas del azufre y verdes del azufre. Como estas últimas Chloroflexus contiene bacterioclorofila c y clorosomas. Sin embargo, la bacterioclorfila a, localizada en la membrana citoplasmática dela célula de Chlorflexus, se organiza formando un centro de reacción fotoquímica semejante al que se encuentra en las bacterias verdes del azufre es estructuramente muy diferente. Se ha propuesto que el Chlorflexus actual puede ser un vestigio de una forma de vida fototrófica ancestral, que quizá evolucionó con un centro de reacción fotoquimímico primario y más tarde recibío de forma colateral genes cromosomales de fotosíntesis, en una evolución secundaria. Fisiológicamente, Chloroflexus se parece a las bacterias rojas del azufre en el sentido de que la fotoautotrofia puede apoyarse en (H2S + CO2) o (H2 + CO2). Sin embargo, en Chloroflexus, el fototropismo es idóneo con compuestos orgánicos como fuente de carbono (fotoheterotrofia). Tambien crece bien en la oscuridad como un quimiorganotrofo por respiración aeróbica. Interesantemente y esto debería ser tenido en cuenta bajo un prisma de posición evolutiva que localiza a Chloroflexus como el fototrofo anoxigénico más antiguo, la autotrofia en este microorganismo tiene lugar por incorporación de CO2 a través del ciclo del hidroxipropionato que es exclusivo de este microorganismo. CAPÍTULO IV. SISTEME DE VIDA FOTOTRÓFICO La fototrofía, utilización de la luz como fuente de energía, está ampliamente distribuida en el mundo microbiano. Uno de los procesos biológicos más importantes den la tierra es este. Los organismos que realizan la fotosíntesis se llaman fototrofos. La mayor parte de los organismos fototrofos son también 14 autótrofos, es decir capaces de crecer con CO2 como única fuente de carbono. La energía de luz se usa entonces en la reducción del CO2 a compuestos orgánicos. Hay también algunos fototrofos que utilizan la luz como fuente de energía, pero que usan carbono orgánico como fuente de carbono; representan un estilo de vida denominado fotoheterotrofía. La capacidad de realizar fotosíntesis depende de la presencia de pigmentos fotosensibles, la clorofila, que se encuentran en las plantas, algas y algunas bacterias. La luz llega a los organismos fototróficos en unidades concretas de energía llamadas cuantos. La absorción de cuantos de luz por la clorofila inicia el proceso de conversión de energía por fotosíntesis. REACCIONES DE LA FASE LUMINOSA Y DE LA FASE OSCURA Se puede considerar que el crecimiento de un fotoautotrodo se caracteriza por dos tipos de reacciones: las reacciones de la fase luminosa, por las que la energía de la luz se conserva como energía química y las reacciones de la fase oscura, en las que esa energía química se usa para recudir el CO2 a compuestos orgánicos. En el crecimiento autotrófico la energía se produce en forma de trifosfato de adenosina (ATP), mientras que los electrones para la reducción de CO2 proceden del NADH o del NADPH*. Estos últimos son producidos por la reducción de NAD+ o NADP+ mediante electrones que se originan en una variedad de donadores. Las reacciones de la fase luminosa, por tanto conservan una parte de la energía contenida en la luz en forma química, ATP, que las células utilizan. Para impulsar las reacciones autotróficas, algunas bacterias fototróficas obtienen poder reductor de los donadores de electrones de su ambiente, generalmente fuentes de azufre reducido (H2S, S0, S2O32-) o H2. Por el contrario, las plantas verdes, las algas y las cianobacterias usan H20, por si mismo un donador de electrones débil, como fuente de poder reductor para reducir NADP+ A NADPH, produciendo oxígeno molecular, O2, como subproducto (fotosíntesis oxigénica). En otras bacterias fototróficas, donde no 15 hay producción de 02, el proceso se denomina fotosíntesis anoxigénica. Veremos mas adelante que en tanto que la producción de NADH a partir de sustancias como el H2S por los fototrofos oxigénicos si lo es; en consecuencia, estos organismos necesitan luz tanto para obtener poder reductor como para la conservación de energía. CAPÍTULO V. FUNCIÓN DE LA CLOROFILA Y DE LA BACTERIOCLOROFILA EN LA FOTOSÍNTESIS. La fotosíntesis solo se produce en organismos que producen algún tipo de clorofila. La clorofila es una porfirina, como los citocromos, pero a diferencia de estos, las clorofilas contienen un átomo de magnesio, en vez de un aátomo de hierro, en el centro del anillo de porfirina. La clorofila también contiene radicales específicos unidos al anillo de porfirina, así como una molécula de alcohol de cadena lateral hidrofóbica. Esa cadena laterla permite la asociación de las membranas fotosintéticas. La estructura de la clorofila a, que es la clorofila principal de las plantas superiores, la mayor parte de lasalgas y cianobacterias. La clorofila a es de color verde porque absorbe con preferencia la luz roja y azul y transmite la luz verde. Las propiedades de un pigmento se expresan por su espectro de absorción, que indica el grado en el que el pigmento absorbe luz de diferentes longitudes de onda. El espectro de absorción de células que contiene clorofila a muestran una fuerte absorción de la luz roja (absorción máxima a 430 nm) Existen varias clorofilas distintas que se distinguen por sus fierente espectros de absorción. La clorofila b, por ejemplo, tiene una absorción máxima a 660 nm, en vez de a 680 nm. Muchas plantas tiene más de una clorofila, pero las mapas comunes son al a y b. Entre los procariotas m las cianobacterias tiene clorofila a, pero los fototrofos anoxgénicos, como las bacterias rojas y las 16 verdes, pueden tener diversas bacterioclorofilas. La bacterioclorofila a, presente en la mayoría de bacterias rojas, tiene su máximo de absorción etre 800 y 925 nm, dependiendo de la especie. Diferentes especies presentan distintas proteínas asociadas a pigmentos y a la absorción máxima de la bacterioclorofila a de pende hasta cierto punto de la naturaleza de esas proteínas y de la forma en que se ordenan en fotocomplejos. Otras bacterioclorofilas, presentes en diversas líneas filogenéticas, absorben en otras regiones del espectro visible e infrarrojo. Una razón por la que existen varios tipos de clorofilas es para el mejor uso de la energía del espectro electromagnético. Solo la energía de luz que se absorbe puede usarse para producir energía; al tener diferentes pigmentos, dos microorganismos no relacionados pueden coexistir en un mismo hábitat, donde cada uno usa longitud de onda que el otro no utiliza. Por tanto, la diversidad en la pigmentación tiene significado ecológico. MEMBRANA SINTÉTICAS Y CLOROPLASTOS: Los pigmentos clorofílicos y todos los demás componentes del aparato captador de luz se encuentran en el interior de la célula, dentro de sistemas de membrana especiales, las membranas fotosintéticas. Su localización en la célula es diferente en los microorganismos procariotas y en los eucariotas. En los eucariotas, la fotosíntesis está asociada con orgánulos intracelulares especiales, los cloroplastos. Los pigmentos clorofílicos se fijan a estructuras membranosas lamelares del cloroplasto. Estos sistemas membranosos se denominan tilacoides. Los tilacoides apiladas forman los grana. Los tilacoides se disponen de tal modo que el cloroplasto queda dividido en dos regiones, la matriz que los rodea y el espacio interior dentro de las capas de tilacoides (Figura 17.5b). Esta disposición permite el desarrollo de un gradiente electroq9uímico de protones con energía de la luz que puede usarse para sintetizar ATP. No existen cloroplastos en los procariotas y los pigmentos fotosintéticos están integrados en sistemas de membrana internos que se forman por invaginación de la membrana citoplasmatica (bacterias rojas) por la membrana citoplasmática misma 17 (heliobacterias), tanto por la membrana citoplasmática como por estructuras especializadas rodeadas por membranas no unitarias llamadas clorosomas (bacterias verdes), o en membranas de tilacoides en las cianobacterias. CENTROS DE REACCIÓN Y PIGMENTOS ANTENA Dentro de una membrana fotosintética, las moléculas de clorofila o bacterioclorofila se asocian con proteínas en complejos que contienen de 50 a 300 moléculas. Pero sólo un número muy reducido de estas moléculas participan directamente en la conversión de la energía luminosa en ATP —se trata de las clorofilas o bacterioclorofilas de los centros de reacción. Aparecen rodeadas por otras moléculas de clorofila más numerosas que actúan como captadores de luz o antenas. Los pigmentos antena captan la luz y transfieren la energía lumínica al centro de reacción. A las bajas intensidades de luz que suelen darse en la naturaleza, esta ordenación de las moléculas de pigmento permite capturar y utilizar los fotones que de otra forma serían insuficientes por sí mismos para llevar a cabo la fotoquímica de los centros de reacción. El máximo de eficiencia a baja intensidad de luz se encuentra en el clorosoma de las bacterias verdes del azufre y de Chloroflexus. Esta estructura funciona como un sistema de antena gigante pero, a diferencia de las antenas de las bacterias rojas, las bacterioclorofilas del clorosoma no están asociadas con proteínas. En su lugar, funcionan más bien como un circuito de estado sólido, absorbiendo intensidades extremadamente bajas de luz y transfiriendo la energía a la bacterioclorofila a en el centro de reacción localizado en la membrana citoplasmática. Esta disposición es altamente eficiente en la absorción de luz a bajas intensidades y, de hecho, se ha comprobado que las bacterias verdes del azufre puden crecer a intensidades más bajas de luz que cualquier otro fototrofo conocido CAROTENOIDES Y FICOBILINAS 18 Aunque la presencia de clorofila o bacterioclorofila es condición imprescindible para que pueda haber fotosíntesis, los organismos fototrofos tienen diversos pigmentos accesorios que intervienen en la captura y procesado de la energía luminosa. Entre éstos se encuentran los carotenoides y las ficobilinas. Estos pigmentos desempeñan principalmente una función fotoprotectora (los carotenoides) o de captación de la luz (ficobilinas). CAROTENOIDES Los pigmentos accesorios más frecuentes son los carotenoides, que se encuentran en todos los organismos fototrofos. Los carotenoides son pigmentos hidrofóbicos firmemente insertados en la membrana; Los carotenoides tienen largas cadenas hidrocarbonadas con enlaces sencillos (C—C) y dobles (C=C), alternados en un sistema de dobles enlaces conjugados. En general, los carotenoides son de color amarillo, rojo, marrón o verde y absorben luz en la región azul del espectro. Los tipos y estructuras de los carotenoides de diversos fototrofos están bien estudiados. Estos pigmentos son los responsables de los colores brillantes rojo, rosa, verde, amarillo o marrón que se observan en diferentes especies de fototrofos anoxigénicos. Los carotenoides se asocian estrechamente con la clorofila en la membrana fotosintética, pero no participan directamente en las reacciones de fotofosforilación. Sin embargo, pueden transferir energía a los centros de reacción para ser usada en la fotofosforilación, del mismo modo que la energía luminosa capturada directamente por la clorofila. Los carotenoides actúan también como agentes fotoprotectores. Con frecuencia, la luz brillante resulta perjudicial para las células porque causa reacciones fotooxidativas que producen oxígeno tóxico, como por ejemplo oxígeno singlete, 1O2, y pueden destruir el propio aparato fotosintético. Los carotenoides atenúan esas especies de oxígeno tóxico y absorben buena parte de la luz perjudicial. La función fotoprotectora de los carotenoides constituye una ventaja evidente, puesto que los organismos fototrofos tienen que vivir en presencia de luz. 19 FICOBILINAS Y FICOBILISOMAS Los cloroplastos de cianobacterias y algas rojas contienen fícobiliproteínas, que son los principales pigmentos captadores de luz en estos organismos. Las fícobiliproteínas son de color rojo o azul y son cadenas tetrapirrólicas abiertas acopladas a proteínas. El pigmento rojo ficoeritrina presenta absorción máxima de luz a longitudes de onda próximas a 550 nm, mientras que el pigmento azul ficocianina presenta absorción máxima a 620 nm. Un tercer pigmento, llamado aloficocianina, absorbe a 650 nm. Las ficobíliproteínas se presentan como agregados de alto peso molecular, llamados ficobilisomas, unidos a las membranas fotosintéticas. Los ficobilisomas están construidos de modo que las moléculas de aloficocianina establecen contacto físico con la membrana fotosintética y están rodeados por moléculas de ficocianina y ficoeritrina. Estos últimos pigmentos absorben luz de longitud de onda más corta (de mayor energía) y transfieren la energía a la aloficocianina, que está estrechamente ligada a la clorofila del centro de reacción. Los ficobilisomas permiten, por tanto, un transporte eficiente de la energía desde los complejos de biliproteínas a la clorofila a, permitiendo el crecimiento de las cianobacterias incluso a bajas intensidades luminosas. De hecho, el contenido celular de ficobilisomas aumenta cuando la intensidad luminosa disminuye, de modo que las células que crecen a intensidades más bajas son las que más ficobilisomas contienen. La función concentradora de luz de los pigmentos accesorios, como los carotenoides y las ficobilinas, constituyó una ventaja para el organismo. La luz solar se distribuye por todo el rango del espectro visible, pero las clorofilas sólo absorben bien en una parte de este espectro. Con los pigmentos accesorios el organismo es capaz de capturar más luz. CAPÍTULO VI. FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA En todos los organismos fototrofos, el proceso de síntesis de ATP mediante la luz comprende un transporte de electrones a través de una secuencia de transportadores de electrones. Estos transportadores se disponen en la membrana fotosintética formando series que van desde aquellos que muestran un potencial de reducción electronegativo a los que tienen un potencial más electropositivo. 20 ESTRUCTURA DEL APARATO FOTOSINTÉTICO DO LAS BACTERIAS ROJAS El aparato fotosintético de las bacterias rojas se localiza en sistemas membranosos intracitoplasmáticos de morfología variada. Un tipo observado comúnmente consiste en vesículas membranosas (cromatóforos) o lamelas. El aparato fotosintético consta de cuatro complejos pigmento-proteína unidos a membrana, más un complejo de ATPasa que permite la síntesis de ATP a expensas de una fuerza protón motriz. Tres de los cuatro complejos, el centro de reacción, el componente captador de luz I y el componente captador de luz II, son específicos de la fotosíntesis; el cuarto complejo del aparato fotosintético, el complejo del citocrorno bc1 es común tanto a la respiración como a la fotosíntesis. Mediante difracción de rayos X, se ha cristalizado el centro de reacción fotosintético de las bacterias rojas y se ha determinado su estructura hasta una resolución de nivel atómico. Los centros de reacción de las bacterias rojas contienen tres polipéptidos designados como subunidades L, M y H. Estas proteínas están firmemente embebidas en la membrana fotosintética y la atraviesan varias veces. Los polipéptidos L, M y H unen el complejo del centro fotoquímico de reacción, que consta de dos moléculas de bacteroclorofila a, denominadas el par especial, dos moléculas adicionales de bacteríoclorofila a, cuya función es desconocida, dos moléculas de bacteriofeofitina (bacteríoclorofila a menos su átomo de magnesio), dos moléculas de quinona y dos moléculas de un carotenoide. Todos los componentes del centro de reacción se integran de tal modo que pueden interaccíonar en reacciones rápidas de transferencia de electrones que conducen finalmente a la producción de ATP. FLUJO FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES EN LAS BACTERIAS ROJAS Recordemos que el centro de reacción fotosintético está rodeado por moléculas antena de bacterioclorofila a captadoras de luz, que funcionan canalizando la energía luminosa hacia el centro de reacción. La energía de la luz se transfiere desde la antena al centro de reacción en paquetes llamados excitones, estados electrónicos móviles que se desplazan con alta eficacia desde la antena al centro de 21 reacción. La fotosíntesis comienza cuando la energía de un excitón alcanza las moléculas del par especial de bacterioclorofila a. La absorción de la energía excita el par especial con virtiéndolo en un fuerte donador de electrones, con un potencial de reducción muy bajo (E0‘). Tras la producción de este fuerte donador de electrones, se llevan a cabo los pasos siguientes en el flujo fotosintético de electrones para conservar la energía liberada cuando los electrones son transportados a través de la membrana desde los portadores de bajo E0' a los de elevado E0'. Antes de la excitación, el centro de reacción denominado P870 tiene un E0' de cerca de +0,5 V; tras la excitación, el potencial se aproxima a -1,0 V. El electrón excitado dentro de P870 pasa a reducir una molécula de bacteriofeofitina del centro de reacción. Esta transición es extraordinariamente rápida, con una duración de tres billonésimas de segundo (3 X 1012s). Una vez reducida, la bacteriofeofitina a reduce primero varias quinonas intermediarías y finalmente una quinona del depósito de quinónas, que se encuentran en la membrana. Esta transición es también muy rápida, dura menos de una mil millonésima de segundo. En comparación con las que ocurren en el centro de reacción, las reacciones posteriores de transporte de electrones son más bien lentas, del orden de micro o milisegundos. Desde la quinona, los electrones se transportan en la membrana a través de una serie de ferro-sulfoproteínas y citocromos, volviendo finalmente al centro de reacción, las proteínas clave en este transporte son el citocromo bc1, y el citocromo c2. El citocromo c2 es periplasmático y sirve como transportador de electrones entre el complejo bc1, unido a membrana, y el centro de reacción. FOTOFOSFORILACIÓN La síntesis de ATP durante el flujo fotosintético de electrones es el resultado de la formación de un gradiente electroquímico de protones o fuerza protón motriz, generada por la salida de protones durante el transporte de electrones, y la actividad de ATPasas que acoplan la desaparición del gradiente de protones a la formación de ATP. La serie de reacciones se completa cuando el citocromo c2 dona un electrón al par espedal de bacterioclorofilas, volviendo estas moléculas a 22 su estado original de potencial (E0´ = +0,5 V). Entonces, el centro de reacción es capaz de absorber nueva energía repitiendo el proceso. Este método de producir ATP se llama fotofosforilación cíclica, porque los electrones se mueven repetidamente en círculo. La fotofosforilación cíclica se parece a la respiración en la que el flujo de electrones a través de la membrana establece una fuerza protón motriz. Sin embargo, a diferencia de la respiración, en la fotofosforilación cíclica no hay entrada neta ni consumo de electrones; los electrones viajan simplemente por una vía cerrada. Como en el flujo respiratorio de electrones el complejo del citocromo bc1, interacciona con el depósito de quinonas durante el flujo fotosintético de electrones como medio fundamental para establecer la fuerza protón motriz que alimenta la síntesis de ATP. CAPÍTULO VII. GENÉTICA DE LA FOTOSÍNTESIS BACTERIANA Las bacterias fotosintéticas rojas son procariotas Gram negativos, y algunas especies son muy adecuadas para la manipulación genética. Especies del género Rhodobacter, especialmente R. capsulatus y R sphaeroides, han sido los principales sistemas de investigación genética en fotosíntesis bacteriana. En R. capsulatus, la mayor parte de los genes que intervienen en la fotosíntesis están agrupados en varios operones que ocupan en el cromosoma una región de 50 kb llamada agrupación (cluster) génica fotosintética. Estos genes codifican proteínas implicadas en la biosíntesis de bacterioclorofilas (genes bch) y la de carotenoides (genes crt), así como la de polipéptidos que unen moléculas de pigmentos de los centros de reacción con los complejos captadores de luz (genes puf y puh). Como es de suponer, en las bacterias fototrofas la síntesis de las proteínas que se unen a la bacteríoclorofila, carotenoides y pigmentos tiene que ser un proceso muy coordinado. Cuando se sintetizan nuevos complejos fotosintéticos deben encontrarse dentro de la célula las proporciones correctas de cada uno de los componentes para el ensamblaje final. El análisis bioquímico y genético de la fotosíntesis en Rhodobacter capsulatus ha demostrado la existencia de esta expresión coordinada de los componentes fotosintéticos debido a que los operones 23 se disponen formando superoperones. Los transcritos de los operones relacionados con la biosíntesis de pigmentos (bch y crt), en vez de terminar al final de un operón, se alargan por los promotores y genes estructurales que codifican los polipéptido de los complejos fotosintéticos, constituyendo largos transcritos que codifican más de una proteína. Los superoperones de la fotosíntesis permiten así la transcripción de muchos genes relacionados funcionalmente, cuyos productos interaccionan y forman los complejos fotosintéticos que posteriormente se incorporan a la membrana. La señal reguladora que controla la transcripción del agrupamiento génico fotosintético en estos organismos es el C2. El oxígeno molecular reprime la síntesis de pigmentos, de tal modo que la fotosíntesis en los fototrofos anoxigénicos sólo se produce bajo condiciones anóxicas. Para el análisis genético de la fotosíntesis de las bacterias rojas ha sido de gran ayuda la diversidad bioenergética de las especies de Rhodobacter; además de su capacidad para la fotosíntesis, estos microorganismos pueden crecer en la oscuridad por respiración en presencia o ausencia de oxígeno. De esta forma, se pueden obtener fácilmente mutantes incapaces de fotosintetizar que se han utilizado en experimentos de intercambio genético para caracterizar el número, organización y expresión de genes fotosintéticos. CAPÍTULO VIII. AUTOTROFIA EN BACTERIAS ROJAS: DONADORAS DA ELECTRONES Y TRANSPORTE INVERSO DE ELECTRONES La formación de ATP no es suficiente para el crecimiento autotrófico de una bacteria roja; es necesaria la formación de poder reductor (NADH o NADPH), de manera que el C02 se pueda reducir hasta el nivel del material celular. Como se ha mencionado anteriormente, en las bacterias rojas del azufre esto se hace habitualmente con H2S, aunque también se puede emplear S0, S2O32- e incluso Fe2+ en diferentes especies. Cuando el donador de electrones es H2S, se almacenan glóbulos de S0 en el interior de las células. ¿Cómo reducen estas sustancias el NAD+ a NADH? 24 Las sustancias reducidas como el sulfuro de hidrógeno (H2S) o el tiosulfato (S2O32) son oxidadas por citocromos del tipo c y sus electrones acaban en el «depósito de quinonas» de la membrana fotosintética. Sin embargo, el E0´ de la quinona (alrededor de 0 voltios) no es lo suficientemente negativo para reducir NAD+ (-0,32 voltios) directamente, de manera que en esas condiciones los electrones del depósito de quinonas son forzados a retroceder, contra el gradiente termodinámico, para reducir el NAD+ a NADH. Este proceso que consume energía recibe el nombre de transporte inverso de electrones y está impulsado por la energía de la fuerza protón motriz. El transporte inverso de electrones es también el mecanismo por el cual los quimiolitotrofos obtienen su poder reductor, a menudo de donadores de electrones E0´ extremadamente positivos. CAPÍTULO IX. COMPARACIÓN DEL TRANSPORTE FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES Y LA SÍNTESIS DE PODER REDUCTOR EN OTROS FOTOTROFOS ANOXIGÉNICOS Hasta aquí hemos centrado la discusión del transporte fotosintético de electrones en las bacterias rojas. Aunque componentes similares de membranas impulsan la foto- fosforilación en otros microorganismos fototrofos anoxigénicos, existen diferencias en algunas de las reacciones fotoquímicas que influyen en la biosíntesis de poder reductor. Adviértase que, en los dos últimos grupos, el estado de excitación de las bacteriocloro filas del centro de reacción reside en un mucho más negativo, y que la propia clorofila a (en las bacterias verdes), o una forma estructural mente modificada de clorofila a llamada hidroxiclorofila a (en las heliobacterias), está presente en el centro de reacción. Esto significa que a diferencia de las bacterias rojas, donde la primera molécula aceptora estable (la quinona) tiene un E0 de unos 0 voltios, el E0´ los aceptores de las bacterias verdes y de las heliobacterias (proteínas FeS) es mucho más electronegativo que el NADH. En las bacterias verdes, la ferredoxina (reducida por la proteína FeS) sirve directamente como donador de electrones para las reacciones de fijación de C02 en el ciclo inverso del ácido cítrico. De esta forma, al igual que los fototrofos oxigenicos (que se tratan a continuación), en las bacterias verdes y en las 25 heliobacterias tanto el ATP como el poder reductor son productos directos de las reacciones luminosas. Cuando el donador de electrones para la síntesis de poder reductor en las bacterias verdes es el sulfuro, se producen glóbulos de S° igual que en el caso de las bacterias rojas, pero los glóbulos permanecen en el exterior de Ia célula, en vez de en el interior. 26 BIBLIOGRAFIA PARKER J; MADIGAN M; MARTINKO J. BROCK BIOLOGÍADE LOS MICROORGANISMOS. ED. 10. HTTP://OCW.UM.ES/CIENCIAS/ECOLOGIA/LECTURAOBLIGATORIA-1/P4-PRODUCTIVIDAD.PDF. HTTP://WWW.DOCSTOC.COM/DOCS/113605981/BACTERIASANOXIGENICAS-PURPURA HTTP://WWW.DOCSTOC.COM/DOCS/107090591/BACTERIASVERDES-DEL-AZUFRE-Y-FILAMENTOSAS-DESLIZANTES 27