Metabolismo de organismos a altas y bajas temperaturas; Autótrofos

quimio-sintéticos y bacteriorodopsina

Melvilí Cintrón, Rey Y. Pagan, Amanda Cardona, Wilfredo Ramos, Jaclyn De Jesús, Nilsa Rivera, Enid Vélez

Biol 4368Dr. Carlos Ríos

AgendaMetabolismo de organismos

Altas temperaturas Bajas temperaturas Organismos

Autótrofos quimio-sintéticos Grupos Metabolismo

Bacteriorodopsina Estructura Función Aplicaciones

Metabolismo a altas y bajas temperaturas Para cada bacteria existen unas temperaturas

cardinales de desarrollo Estas se dividen en tres grupos de acuerdo al

rango de temperatura en el que pueden desarrollarse: Psicrófilas:

▪ 20 a 30 ºC (óptimo:15ºC) Mesófilas:

▪ 10 a 45ºC (óptimo:30ºC) Termófilas:

▪ 25 a 80ºC (óptimo:55ºC)

Tabla 8.5. Respuesta de crecimiento a distintas temperaturas

Clase Propiedades Ambiente típicoPsicrófilos Crecen de forma apreciable por

debajo de 5°C Psicrófilos estrictos No crecen a o por encima de 20°C Agua de mar fría

Psicrófilos facultativos Pueden crecer por encima de 20°C Suelo y agua

Mesófilos Crecen mejor a temperaturas moderadas, de unos 37°C

Animales

Termófilos Crecen por encima de 50°CTermófilos facultativos Pueden crecer por debajo de 37°C Suelo

Estenotermófilos No pueden crecer por debajo de 37°C

Abono

Termófilos extremos Crecen por encima de 80°C (algunos por encima de 100°C)

Fuentes termales

¿Qué son organismos Psicrófilos?Organismos capaces de vivir a bajas

temperaturasSe pueden encontrar en:

Aguas de mar profundas Montañas y regiones polares Lagos congelados “Permafrost”

Clasifiación de organismos Psicrófilos

Metabolismo de organismos a bajas temperaturasEfectos del choque de frío (cold shock):

Disminución en la fluidez de la membrana Transporte activo Secreción de proteínas Afecta la estabilización de estructuras

secundarias de RNA y DNA Reduce la eficiencia del mRNA en

transcripción y traducción Doblamiento (Folding) más lento de proteínas

y ribosomas necesarios para la adaptación del frío

Adaptaciones

Enzimas especiales hidrolosas

Proteínas “anti congelantes”Membrana más fluida, con más proteínas

asociadas a la misma y más ácidos grasos

Organismos termófilicos

Termófilos- +45 °CTermófilos obligados- > 45° CTermófilos facultativos- 20-45 ° C, pero

puede crecer +45° CHipertermófilo- >80°C.

Ej. Pyrolobus fumarii (113°C)Muchos son arqueasVolcanes, aguas termales, geiser, etc.Produce carboxil esterasas y esterasas

termoresistentes Ej. Pyrobaculum calidifontis

Metabolismo de termófilosOrganotrófico- utiliza compuestos

orgánicos como fuente de energía Ej. CO2

Litotrófico- utiliza compuestos o elementos inorgánicos como fuente de energía Ej. Fe+2, S0

Enzimas termoestables

Catecol 2,3 dioxigenasa- microorganismos +55°C Bacillus stearothermophilus

Alfa y beta galactosidasa Thermus sp.

Xilanasa- +80°C, Thermotoga maritima

β-Galactosidasa

Organismos extremos

Organismos

Extremos

Organismos

Extremos

Termofílicos

T. acuaticus

S. solfataricus

Methanopyrus

P. fumarii

A. pompejana

C. caldarium

P. vacuolata

H. globosa

C. nivalis

C. psychrerythraea

Psicrofílicos

Imágenes de ambientes extremos

Fuente hidrotermal Yellowstone

Imágen electrónica de Thermus termophilus

Fumarla, Pirolobus fumarii

Metabolismo en las plantas

Plantas

Efecto del frío en las plantas Mucho frío = muerte

Ejemplos Coliflor Broccoli Lechuga

Hongos Dentro de los organismos eukariotas, solo

algunas especies de hongos tienen la habilidad de desarrollarse a temperaturas extremas

Nombre del Hongo Temperatura óptima

Botrytis cinerea -1 y 0º C

Cladosporium herbarum -5º C

Sporotrichum carnis -7º C

Thamnidium elegans -7º C

Chaetomium thermophile 45-55º C

Myceliophthora thermophila

45-55º C

Autótrofos quimio-sintéticosOrganismos que obtienen energía de la

oxidación de compuestos inorgánicos Absorben agua, dióxido de carbono,

compuestos nitrogenados simples del ambientes para sintetizar sustancias orgánicas complejas

Autótrofos: Bacterias de hidrógeno, nitrificantes, fijadoras

de nitrógeno, de sulfuro, hierro, metilótrofos, metanogénicas y fotótrofos

Bacterias de hidrógeno y nitrificantesBacterias de hidrogeno

H2 energía y poder reductor para crecimiento y fijación de CO2

▪ 2H2 + CO2 (CH2O) + H2O▪ ADP es generada por hydrogenasa

H2+0.5O2+NAD+ H2O +NADH + H+

Bacterias nitrificantes Nitrosomas: oxidan amonia a nitrito

▪ 2NH3 + 3O2 2NO2-+ 2H+ + 2H2O Nitrobacter : oxidan nitrito a nitrato

▪ 2NO2- + O2 2NO3-

Bacterias de sulfuro

Bacterias de sulfuro Thiorhodaceae : todos crecen en sulfato

elemental Muchas utilizan tiosulfato

Desulfovibrio y desulfotomaculum: bioenergéticas diferentes

Desulfovibrio PPi que se produce no se conserva la

energía de este para obtener ATP netoATP + SO42- APS + PPi (APS-sulfato de adenilil)PPi + H2O 2Pi

Bacterias de sulfuro

Desulfotomaculum Usa PPi como fuente de energíaAcetato+ PPi acetil-P + PiAcetil-P + ADP acetato + ATPAPS + 2e- AMP + SO32-

Sulfolobus ambivalens puede vivir de manera anaerobia como quimio autótrofa utilizando CO2 como fuente de carbono, pero usa H2 para la reducción de sulfuro a H2S

Bacterias de Hierro Ferrobacillus ferrooxidans y algunos del grupo

Thiobacillus (Gallionella, Leptothrix y Sphaerotilus) oxidan el ión ferroso al ion férrico para producir energía▪ Fe2+ + H+ + 0.25O2 Fe3+ + 0.5 H2O + 40 kcal

Ferrobacillus ferrooxidans: autótrofo obligado; incapaz de crecer sólo con el ion ferroso como única fuente de energía

Gallionella, Sphaerotilus y otros organismos oxidantes de hierro son facultativos y pueden crecer como heterótrofos y luego pueden regresar a crecer en hierro

Bacteriorodopsina (BR)1971-Halobacterium salinariumTopología: 7 hélices

transmembranalesTransporta protones fuera de la

célulaConvierte la luz en energía (ATP)

Convierte la luz verde (500-650 nm, max 568 nm) a un gradiente de protones electroquímicos

Bacteriorodopsina (BR)

Está envuelta en fototaxis mediante la generación de cambios potenciales en la membrana

Se encuentra en la membrana púrpuraColor moradoMayormente constituido por amino

ácidos hidrofóbicosAyuda a adaptación a ambientes

altamente salinos

Bacteriorodopsina

CICLO CATALÍTICO 6 pasos: isomerización (I), transporte de

electrones (T), y cambio de accesibilidad (switch S).

Reacción primaria: foto-isomerización de retinol de trans a 13- cis 

K590 se forma al intermediario L550 Primera translocación de protón: de L550

a M410 (EC)  Primer cambio de accesibilidad

extracelular a citoplasmático: M410(EC) a M410(CP)  Intermediarios se cambian a color

amarillo. Segunda transferencia : M410(EC) a

N560  Termo-isomerización de retinol de

13- cis a trans : N560 a O640  Segundo cambio de accesibilidad del

citoplasma a extracelular: O640 to BR 

Aplicaciones de BR Escritura electrónica Propiedades fotoeléctricas -fabricar

fotodetectores Ordenadores portátiles de funcionamiento con

luz (dos formas estables de la proteína, una morada y otra amarilla)

Se puede usar como elemento fotosensitivo en retinas artificiales

Chipcards

Referencias Haupts, U., Tittor, J., Bamberg, E. and Oesterhelt, D. General concept for ion

translocation by halobacterial retinal proteins: the isomerization/ switch/transfer (IST) model. Biochemistry. 1997;36(1):2-7.

Howard Lees. Sumposium on Autotrophy: IV. Some thoughts on the energetics of chemosynthesis. 1962;26: 165-167.

Bibikov, S.I., Grishanin, R.N., Kaulen, A.D., Marwant, W., Oesterheltt, D., and Skulachev, V.P. Bacteriorhodopsin is involved in halobacterial photoreception. Proc. Natl. Acad. Sci. 1993;90:9446-9450.

Bibikov, S.I., Grishanin, R.N., Marwant, W., Oesterheltt, D., and Skulachev, V.P. The proton pump bacteriorhodopsin is a photoreceptorfor signal transdution in Halobacterium halobium. FEBS.1991; 295(1,2,3): 223-226.

Yu A. Ovchinnicov. Discurso de Investidura: Aprovechamiento de la luz por los seres vivos y el problema de la vision. Universidad de Granada. 1983.

Moat A.G. and Foster J.W. Characteristics and metabolism of autotrophs. 1995; 398-401. Smith, A.J., London, J. and Stanier, R.Y. Biochemical Basis of Obligate Autotrophy in Blue-

Green Algae and Thiobacilli. Journal of Bacteriology. 1967; 94(4): 972-983. Gomez, Patricia., Perez, Maria. Archaebacterias hipertemofilas: Vida en Ebullición. RCCV

2007; 1. Ballester, A. et al. Biolixiviación de menas naturales. Posibilidades actuales de

utilización. CDU. KinG says: Chattopadhyay, M.K. (2006) Mechanism of bacterial adaptation to low temperature. J.Biosci. 31: 157-161 Margesin, R. et al (2007) Psychrophiles: from biodiversity to biotechnology

(http://books.google.es/books?id=l8jkkYY7VpoC&dq%22%20%5Ct%20%22_blank). Springer, 2007.

http://www.botanical-online.com/florcuidarplantasinvierno.htm Adolfo Ávalos García y Elena Pérez-Urria Carril. Metabolismo secundario de plantas. Serie

Fisiología Vegetal. 2009; 2 (3): 119-145.