Com tots sabeu, els organismes litòtrofs són aquells que, en lloc d'utilitzar la font de carboni com a donador d'electrons, empren una font inorgànica. Amb això aconsegueixen el poder reductor suficient per sintetitzar matèria orgànica. El que gairebé ningú sap, però, és que no tots els microorganisme litòtrofs són capaços de reduir el NAD(P)+ a NAD(P)H pel mètode convencional. Llavors, com s'ho fan aquests organismes per obtenir el poder reductor necessari per la síntesi de matèria orgànica? Quins processos ho fan possible?
En aquest BLOG us respondrem a totes aquestes preguntes i més!
---
---
Com hem dit, el compost inorgànic que fan servir no té prou poder reductor per acabar fixant el CO2. Per solucionar aquest problema, aquests microorganismes utilitzen l'anomenat flux invers d'electrons. Aquest sistema els permet generar NAD(P)H i poder fixar el diòxid de carboni per generar matèria orgànica.
El flux d'invers d'electrons consisteix bàsicament en transportar els electrons, en contra de gradient termodinàmic, per tot un seguit de complexos de membrana fins a reduir el NAD(P)+.
Flux invers d’electrons:
 |
| Figura 1: esquema dels components de la cadena de transport electrònic i del flux invers d'electrons |
El flux invers d'electrons consisteix en la reversibilitat del complex NADH-Ubiquinona oxidoreductasa de la cadena de transport electrònic. Aquest sistema es dóna en organismes procariotes que utilitzen compostos inorgànics per obtenir energia, però que no tenen un potencial de reducció (E0’) prou negatiu com per reduir el NAD(P)+ a NAD(P)H (excepte si el substrat és l'H2) i, per tant, no poden obtenir poder reductor de manera directa només amb l'oxidació d'aquests compostos.
La torre d’electrons és una construcció de diferents pars redox que ens permet veure amb gran facilitat les tendències d’oxidació o reducció de diferents substàncies. En la part superior tenim els par redox més reductors (amb un potencial de reducció més negatiu). A la part inferior tenim els pars redox més oxidants (els quals tenen un potencial de reducció més positiu). Els pars redox del mig de la torre d’electrons actuaran com a oxidants o reductors depenen de la reacció acoblada amb la que actuïn.
 |
| Figura 2: Torre d’electrons amb els pars redox ordenats segons
la seva tendència a reduir-se essent el més reductor a la part superior i el més oxidant a la part de baix |
Com es veu en la torre d’electrons, el NAD(P)+ és un substrat amb un potencial de reducció de -0.32 V, per tant, és
un bon agent reductor (la seva tendència serà cedir electrons). Això
implicarà la necessitat d’un agent reductor amb un potencial de reducció més baix
que -0.32 V, ja que sinó no es durà a terme la reducció del NAD(P)+.
Tot i això, existeixen diversos microorganismes
que utilitzen com a font electrons compostos que tenen un potencial de reducció
major que el NAD(P)+, de forma que no es podrà produir NAD(P)H. Aquest fet pot causar grans problemes
en organismes autòtrofs, donat que per poder reduir el CO2 fins a
nivell de material cel·lular s’ha de disposar d’ATP i de NAD(P)H. Així, seran aquests organismes els que utilitzaran el flux invers d'electrons.
Tot i que hi ha petites diferències de com arriben els electrons a la cadena inversa, el procés comença quan el donador inorgànic s’oxida i alhora redueix un complex, que variarà depenent del microorganisme. Després, aquest complex cedirà els electrons al citocrom c, que en ser liposoluble es pot desplaçar per la membrana bacteriana i acabar reduint el complex ubiquinol-citc oxidoreductasa. Aquest citocrom pot cedir electrons a la ubiquinona, que es pot reduir parcialment, és a dir, captar primer un electró i després l’altre. La ubiquinona reduïda s’anomena ubiquinol, i de la mateixa manera que el citocrom c pot desplaçar-se per la membrana. Tot seguit, aquest cedirà els electrons a la NADH-Ubiquinona oxidoreductasa, el que seria equivalent al complex I de les mitocrondries, i aquest serà el que reduirà el NAD(P)+ a NAD(P)H.
La força motora d'aquest procés és el bombeig de protons a favor de gradient des de l’ambient a l’espai citoplasmàtic, com en la síntesi d'ATP per mitjà de la ATPasa. A causa d'aquesta homologia, els protons utilitzats en el flux invers no podran ser utilitzats per a la síntesi d'ATP.
El electrons cedits pel donador inorgànic poden seguir la ruta del flux invers o seguir la cadena respiratòria normal de transport per acabar a l’acceptor final i permetre la síntesi d’ATP.
Aquest procés, tot i ser imprescindible, és ineficient ja que necessitem grans quantitats de donadors inorgànics per aconseguir sintetitzar pocs mols de matèria orgànica. Per aconseguir el NAD(P)H és necessari que dos electrons i dos protons no s’utilitzin en la formació d’ATP. Per tant,
Els bacteris que duen a terme aquest procés són els següents:
Bacteris oxidadors del sofre:
Els bacteris quimiolitotròfics del sofre poden oxidar hidrogen sulfurs, sulfurs o ions sulfit generant ions sulfats. Donat que aquests compostos tenen potencials de reducció diferents el parell d’electrons podran fluir per la flavoproteïna (FP, en el cas dels hidrogen sulfurs) o bé per el citocrom c(cys C, en el cas del sulfur i ions sulfit).
Tot i això tots tres compostos tenen un potencial de reducció menor al del NAD+. De forma que per l’obtenció del NADH necessari per la fixació de CO2 atmosfèric és necessari el flux invers d’electrons.  |
| Figura 3: esquema del procés a contra de gradient del flux invers i del transport d'electrons per la cadena respiratòria (Brock) |
El potencial redox del ferro és molt semblant al de l'oxigen, així que genera molt poc ATP per fosforilació oxidativa. Aquests bacteris generen ATP gràcies al fet que viuen en llocs amb pH molt àcids, pel que els protons entren directament per la membrana externa, tot i que això no vol dir que els ions de ferro no siguin necessaris per obtenir ATP.
L'entrada dels protons en el citoplasma provoca una acidificació d'aquest, però com que l'oxidació del ferro és un procés que consumeix protons també ajuda a la neutralització.
2Fe(2+) + 0,5 O2 + 2H(+) --------- > 2Fe(3+) + H20
El pas de Fe(2+) a Fe(3+) es dóna a la membrana externa, i els electrons alliberats són captats per la rusticinina, una proteïna d'alt potencial redox que conté coure. La rusticinina és la proteïna en la qual comença el procés i que variarà en cada tipus d’organisme.
L'alt potencial entre Fe(2+)/Fe(3+) impossibilita obtenir poder reductor només amb l'oxidació del compost, de manera que s'ha d'obtenir pel flux invers d'electrons amb consum d'ATP.
Bacteris propres del sofre:
 |
| Figura 4: fotosíntesi cíclica dels bacteris porpres del sofre (Brock). |
Els bacteris vermells del sofre, tan sols tenen un fotosistema, més conegut com a P870. En aquest fotosistema s’absorbeix l’energia de la llum solar que serveix per fer saltar un electró, del propi fotosistema, a un estat excitat. Aquest electró és transportat fins a la cadena d’electrons que finalment retorna l’electró al P870. En aquesta cadena, es produeix un bombeig de protons necessari per a la síntesi d’ATP.
Tot i això, el transport d’electrons és cíclic (tan sols es podrà formar ATP). Això provoca una deficiència en la formació de NADH o NADPH.
En la fotosíntesi cíclica el H2S, S0 o S2O3-2, és oxidat per citocroms de tipus c i els seus electrons acaben al “depòsit de quinones”. Tot i això, la E0’ de les quinones no és suficientment negatiu (és proper a 0V) com per reduir el NAD(P)+ a NAD(P)H de manera directe, és aquí on es produeix el flux invers.
Bacteris nítrcs i nitrosos:
Aquests dos tipus de bacteris oxiden compostos amb nitrogen; amoníac (NH3) i diòxid de nitrogen (NO2-) respectivament. El potencial de reducció d’aquests donadors d’electrons dels bacteris nitrificants, de la mateixa forma que els bacteris del sofre, no és prou alt com per poder reduir el NAD+ de forma que requerirà del flux invers d’electrons (mitjançant hidròlisi d’ATP) per formar el NADH.
Bibliografia
Bacteris nítrcs i nitrosos:
Aquests dos tipus de bacteris oxiden compostos amb nitrogen; amoníac (NH3) i diòxid de nitrogen (NO2-) respectivament. El potencial de reducció d’aquests donadors d’electrons dels bacteris nitrificants, de la mateixa forma que els bacteris del sofre, no és prou alt com per poder reduir el NAD+ de forma que requerirà del flux invers d’electrons (mitjançant hidròlisi d’ATP) per formar el NADH.
Gabriel Serra Mir
Marc Subirana Granés
Francesc Turias Fraisinó
Bibliografia
Castillo F,
Roldán MD, Blasco R, Huertas MJ, Caballero FJ, Martínez M, et al. Biotecnología
ambiental. Madrid: Editorial Tébar; 2005.
Madigan MT,
Martinko JM, Parker J. Brock's Biology Of Microorganisms.
12a ed. Michigan: Pearson; 2009.
Stanier RY, Ingraham JL, Wheelis ML, Painter PR. Microbiología.
2a ed. Barcelona: Editorial Reverté; 1992.
Pares R,
Juárez A. Bioquímica de los microorganismos. 2a ed. Barcelona: Editorial
Reverté; 2002.
Woznica A, Agnieszka Nowak A, Ziemski P,
Kwasniewski M, Bernas T. Stimulatory effect of xenobiotics
on oxidative electron transport
of chemolithotrophic nitrifying bacteria used
as biosensing element. Plos One. 9 gener 2013; 8(1):1-9.
ResponderEliminarLa introducció està ben plantejada però no s'acaba d'entendre del tot. D'entrada, la primera frase és una mica confusa (i molt simple, potser excessivament genèrica) i no queda clar què preteneu dir. Cal que tingueu en compte que, com esmenteu a continuació, també hi ha els bacteris quimiolitotròfics, que no fan la fotosíntesi però en canvi també poden tenir problemes per reduir el NAD(P) a NAD(P)H, igual que alguns fotosintètics. On els ubicaríeu, segons aquesta frase inicial? Depèn del sentit que li vulgueu donar potser no és aquesta la distinció que us va millor de fer, separar els fotosintètics de la resta. També heu de tenir en compte que, en el cas dels fotosintètics, l'energia els hi prové de la llum i per tant els compostos que els serveixen per obtenir poder reductor no són la seva font d'energia. És a dir, que no tots els tipus metabòlics d'organismes que poden presentar el flux invers d'electrons tenen en comú el fet de ser fotosintètics ni tampoc la utilització de compostos inorgànics reduïts com a font d'energia i d'electrons alhora. Però, per altra banda, en tots els casos esmenteu que han de fixar/reduir el CO2 per fabricar matèria orgànica (a través del cicle de Calvin o d'altres vies metabòliques, perquè dintre dels procariotes no sempre fan servir aquest procés), i ho fan a partir d'aquests compostos inorgànics reduïts. Si sou capaços de resoldre aquestes incongruències i explicar bé el que voleu dir en la introducció, realment pot ser molt útil per entendre el concepte global i la necessitat del flux invers d'electrons, abans d'entrar en els detalls de com es porta a terme. I si cal, podeu introduir-hi alguna figura (per exemple, la "torre d'electrons" us podria ser útil), ja que és la clau per entendre tot el que ve després.
En l'apartat següent, hauria de quedar molt clar que és un procés "contra gradient" i que per tant consumeix ATPs, mentre que la circulació d'electrons "normal" cap a l'oxigen és un procés termodinàmicament favorable i que per tant serveix per obtenir energia.
Els bacteris del ferro potser no són el millor exemple per començar a explicar el procés amb casos pràctics. A més, gairebé tot el text el dediqueu a explicar com es produeix la síntesi d'ATPs i no el flux invers (és lògic, ja que és la principal particularitat d'aquests bacteris quan viuen en medi àcid). Seria millor començar amb els bacteris quimiolitotròfics del sofre, que és més didàctic i amb l'esquema de la cadena reversible i la doble entrada d'electrons permet explicar molt bé el flux invers. A més, estaria bé que comentéssiu si el rendiment quan es vol obtenir ATPs i el seu consum quan es vol obtenir poder reductor és igual o si hi han diferències, i perquè, en funció de quin sigui el compost de sofre que actuï com a donador d'electrons.
Us falta, finalment, comentar alguna cosa sobre els bacteris del nitrogen ("nítrics" i "nitrosos"), que és l'altre grup de bacteris quimiolitotròfics que esmenteu també que requereixen el flux invers d'electrons per sintetitzar NAD(P)H.
Recordeu-vos de citar correctament les referències, taules, figures, etc. en el text i de posar els noms dels autors del treball. També estaria bé que intentéssiu buscar més material gràfic per internet, i així aprofiteu la facilitat que us dóna el format de bloc per introduir aquests elements.
Comentari avaluable:
ResponderEliminarHola nois,
com heu explicat, els bacteris que no aconsegueixen el poder reductor necessari per reduir el NAD(P)+ a NAD(P)H requereixen del flux invers d'electrons. Com que es tracta d'una gran varietat de bacteris els quals es troben en abundància dedueixo que malgrat comportar una despesa energètica el manteniment del flux invers d'electrons és favorable per a la supervivència d'aquests microorganismes. La meva pregunta és: en comparació amb microorganismes que no requereixen el flux invers, quina és l'eficiència metabòlica d'aquests bacteris? És a dir, necessiten més quantitat de matèria inorgànica o consumeixen més ATP en el flux que altres bacteris destinarien al creixement?
Gràcies!
Eva Béjar
Hola Eva, en resposta a la teva pregunta, t'hem de dir que és difícil calcular el rendiment de cada microorganisme, ja que segons el potencial de reducció de cada compost,els electrons entren a la cadena de transport electrònic (o en el seu defecte al flux invers)per un complex o un altre. És a dir, hi haurà un bombeig major o menor de protons destinats a la síntesi d'ATP. A més, hem comentat el fet de que una part dels electrons i els protons s'utilitzen per a la reducció del NAD(P)+ mitjançant el flux invers.
ResponderEliminarEn definitiva, sí que hi ha un consum major de matèria inorgànica que en altres microorganismes, és per això que la gran majoria tenen una temps de generació molt elevat.
De res.