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8/3/2019 biotecnologia.pdfimportante

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CAPTULO 3

BIOENERGTICA MICROBIANA

Glosario3.1. Conceptos bioenergticos bsicos

3.1.1. Los seres vivos cumplen las leyes de la Termodinmica3.1.2. Medida de Gen funcin de las propiedades del sistema

La energa libre y las reacciones qumicasLa energa libre y la transferencia de cargas elctricas (iones, electrones)La energa libre y la transferencia de masa

3.2. Las diversas formas de energa biolgica3.2.1. Energa luminosa

3.2.2. Potencial elctrico3.2.3. Potencial inico3.2.4. Impulso de reacciones endergnicas por p3.2.5. Potencial de transferencia de grupos

3.3. Fermentacin3.3.1. Concepto de fermentacin3.3.2. Biotecnologa de las fermentaciones

3.4. Conservacin de la energa mediante generacin de fuerzas motrices de iones3.4.1. Descarboxilacin3.4.2. Fotoisomerizacin3.4.3. Hidrlisis del ATP

3.4.4. Eflujo de cidos3.4.5. Intercambio de cidos3.4.6. Reacciones rdox

3.5. Respiracin3.5.1. Cadena respiratoria mitocondrial3.5.2. Cadenas respiratorias de las eubacterias3.5.3. Cadenas respiratorias de las arqueobacterias

3.6. Fotosntesis3.6.1. Tipos de fotosntesis cloroflica3.6.2. Centros de reaccin fotosintticos

Fotosistema de las bacterias prpurasFotosistema de las bacterias verdesLa fotosntesis oxignica: acoplamiento PS II-PS I

3.6.3. Rendimiento de la fotosntesisFotosntesis anoxignicaFotosntesis oxignica

Bibliografa

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Glosario

Aceptor de electrones: Compuesto qumico al que se pueden transferir electrones (oxidante).Aerobio: Organismo que utiliza O2 como aceptor de electrones en la respiracin.Anablico: Proceso biosinttico, consumidor de energa.Anaerobio: Organismo que no utiliza O2 como aceptor de electrones.

Anxico: Desprovisto de O2.Auttrofo: Organismo que utiliza CO2 como fuente de carbono para sintetizar biomasa.Catablico: Proceso degradativo, suministrador de energa.Centro de reaccin: Clorofila especial donde la energa luminosa se transforma en energa electrnica.Centro FeS: Donador/aceptor universal de electrones que posee Fe y S lbil (FeSFe).Citocromo: Donador/aceptor universal de electrones que posee grupo(s) hemo(s).Clorofila: Pigmento captador de luz que posee Mg-porfirina.Cloroplasto: Orgnulo subcelular que cataliza la fotosntesis en los eucariotas.Cromforo: Grupo qumico que absorbe luz a una determinada longitud de onda.Donador de electrones: Compuesto qumico que puede transferir electrones (reductor).D: variacin no infinitesimal de una magnitud.

Endergnico: Proceso que transcurre con aumento de G(G> 0).Endotrmico: Proceso que absorbe calor.Energa libre (G): Energa disponible en un sistema para realizar trabajo til a Py Tconstantes.o: Superndice que denota condiciones estndares (para pH = 7 se emplea el superndice o).Entalpa (H): Calor absorbido o desprendido en una reaccin qumica a Pconstante.Entropa (S): Grado de desorden o aleatoriedad de un sistema.Exergnico: Proceso que transcurre con disminucin de G(G< 0).Exotrmico: Proceso que libera calor.Feofitina: Clorofila desprovista de Mg.Fermentacin: Catabolismo anaerbico donde la energa se conserva por fosforilacin a nivel de sustrato.Ferredoxina (Fd): Cofactor rdox FeS (E0 0,42 V).FeS: Agrupacin de Fe y S unida a una protena, que acepta y transfiere electrones.

Fosforilacin a nivel de membrana: Sntesis de ATP a partir de una fuerza motriz de iones generada por unareaccin qumica.

Fosforilacin a nivel de sustrato: Sntesis directa de ATP a partir de un compuesto rico en energa qumica.Fosforilacin oxidativa: Sntesis de ATP a partir de una fuerza motriz de H+ o Na+ (FMP FMNa) generada

por una reaccin oxidativa.Fotofosforilacin: Sntesis de ATP a expensas de la FMP generada por energa solar.Fotosntesis: Transformacin de la energa solar en FMP y energa electrnica con o sin liberacin de O2.Fotosistema: Conjunto de transportadores de electrones donde la energa radiante se transforma en energa

electrnica.Fuerza motriz de iones (FMI): Estado energetizado de una membrana biolgica que separa dos comparti-

mentos con [H+] (p) [Na+] (n) diferentes.

Grana: Conjunto de sacos membranosos tilacoidales.Hidruro: In H, equivalente a 1 H+ + 2 e.Membrana biolgica: Membrana formada por una bicapa fosfolipoproteica impermeable a los iones.Mitocondria: Orgnulo subcelular donde tiene lugar la respiracin aerbica en los eucariotas.m: Potencial qumico (m i) o energa libre de Gibbs molar de la sustancia i.Nucletido de flavina (FADH2-FMNH2): Donadores/aceptores universales de hidrgeno (E

0 0,2 V).Nucletido de nicotinamida y adenina (NAD(P)H): Donador/aceptor universal de hidruro (E0 0,32 V).Periplasma: En las bacterias Gram (+), espacio entre la membrana plasmtica y la membrana externa.pH: Medida de la concentracin de H+ de un sistema (pH = log [H+]).Potencial de membrana (DY): Diferencia de potencial elctrico entre las dos superficies de una membrana

biolgica.Potencial rdox (E): Capacidad intrnseca de un sistema (expresada en V) para ceder o aceptar electrones.Quinona (UQ, ubiquinona, MQ, menaquinona, o PQQ, pirrol-quinoln-quinona): Transportador de H solu-

ble y mvil en la fase apolar de la membrana.

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Reaccin rdox: Transferencia de electrones desde un reductor a un oxidante.Respiracin: Reaccin rdox normalmente acoplada a la generacin de fuerza motriz de iones.Sintetasa de ATP (F0F1): Enzima de la membrana que cataliza el proceso: p ATP.Tilacoide: Saco membranoso donde se realiza la fotosntesis oxignica.

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3.1. Conceptos bioenergticos bsicos

Los seres vivos son sistemas dinmicos que se mantienen alejados del equilibriogracias a flujos energticos (solar o geotrmico) y al intercambio de materia (Fig. 3.1).

El metabolismo es un conjunto de reacciones qumicas estructuradas en rutas ca-tablicas, que extraen energa y generan residuos, y rutas anablicas, que utilizanenerga y generan biomolculas (azcares, lpidos, protenas y cidos nucleicos) apartir de las cuales los seres vivos consiguen un alto grado de ordenacin interna (es-tructura e informacin).

3.1.1. Los seres vivos cumplen las leyes de la Termodinmica

Primera ley: La cantidad total de energa de un sistema y su entorno es constante(en el Universo, la energa no se crea ni se destruye, nicamente se transforma):

Glucosa + O2 6 CO2 + 6 H2O + energa calorfica (3.1)

La primera ley exige que la energa potencial del sistema (Glucosa + O2) liberadaen la combustin se emplee para formar nuevos enlaces, se disipe como calor y/o sealmacene de alguna forma.

En trminos cuantitativos y para los sistemas bioqumicos (que evolucionan a pre-

sin constante) se puede describir la cantidad de calor asociada a la reaccin anteriorcomo la variacin de entalpa (H) del proceso, que se expresa en Julios o caloras(1 cal = 4,18 J) (entalpa significa calentar el interior) y que permite especular sobre laespontaneidad de los cambios. As, la reaccin de combustin de la glucosa liberacalor al medio y es espontnea.

Pero no siempre los procesos espontneos liberan calor: la expansin de un deter-minado nmero de molculas de gas o soluto en un volumen mayor o la transferenciade calor desde un cuerpo caliente a uno fro son procesos espontneos pero quetranscurren con H= 0. Adems, un proceso espontneo puede incluso conllevar un

H> 0: algunos solutos absorben tanto calor al disolverse que congelan el agua dedisolucin (Fig. 3.2).

Figura 3.1. Los seres vivos utilizan la energa y los nutrientes mediante el metabolismo.

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Estas observaciones condujeron a la bsqueda de una propiedad que sealara laespontaneidad de cualquier proceso de forma inequvoca y a la formulacin de la se-gunda ley de la Termodinmica a partir de dos observaciones incontestables:

Ningn artilugio es capaz de transformar toda la energa disponible en trabajo:parece como si parte de la energa del combustible se degradara a lo largo desu transformacin en trabajo.

Cualquier sistema evoluciona espontneamente hacia un estado ms probableo de mximo desorden.

El grado de desorden se cuantifica mediante la funcin de estado entropa (en elcambio), cuyas dimensiones son J K1 cal K1 y que depende de la cantidad de calortransferida a una Tdada: S= H/T (el calor transferido al medio desordena ste).

La segunda ley establece que todo proceso espontneo conlleva un aumento de

entropa del universo (sistema + entorno): el Sdel Universo (SUNI) > 0.A primera vista, los seres vivos transgreden la 2 Ley porque crecen de forma es-

pontnea y autoorganizada [S del sistema (SS) < 0], pero lo hacen desordenandoan ms el medio que los rodea [Sdel entorno (SE) ? 0], de forma que el cambiode Sglobal (SUNI) es > 0.

En los sistemas biolgicos es muy difcil determinar la entropa del medio, por loque se hizo necesario encontrar una funcin que tuviera en cuenta slo las propieda-des del sistema:

Dado que

de donde se deduce que

TSUNI = TSS + HS (3.2)

TSUNI tiene dimensiones de energa y se denomina variacin de la energa libre deGibbs porque fue enunciada por John Willard Gibbs en 1878:

G= HTS (3.3)

La segunda ley exige que SUNI > 0 y esto slo ocurrir si

UNI,S S

E S E S

H HS S S S S

T T

D DD = - D = D + D = D -

Figura 3.2. Procesos que ocurren espontneamente sin cambio de entalpa (DH= 0). (A) La materiafluye espontneamente desde el compartimento donde su concentracin o presin es mayor haciadonde es menor. (B) El calor fluye espontneamente desde los cuerpos calientes a los fros. A ve-

ces, un proceso espontneo incluso absorbe calor (DH> 0, disolucin de CsCl en agua).

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Por lo que SUNI slo aumentar si HSTSS < 0, esto es, si G< 0.

Para cualquier cambio, la espontaneidad requiere que

G 0 el proceso es no espontneo o en-dergnico.

Los procesos que transcurren con disminucin de energa libre (exergnicos)son aptos para realizar trabajo biolgico como la sntesis o el transporte de bio-molculas.

3.1.2. Medida de DGen funcin de las propiedades del sistema

La energa libre y las reacciones qumicas

Para una reaccin A B se demuestra que

Siendo Go una constante del sistema, medida en condiciones estndares (con-centracin de solutos 1 M) y relacionada con la Keq del mismo:

Si el sistema alcanza el equilibrio termodinmico, no hay cambio neto y G= 0,por lo que

La energa libre y la transferencia de cargas elctricas (iones, electrones)

Si se trata de un proceso donde se transfieren n cargas:

G= nFE (3.5)

Fes la constante de Faraday (96.500 Culombios mol de cargas1), que permite cal-cular la energa (en Julios) asociada a un desplazamiento de cargas (en Culombios)a travs de una diferencia de potencial E(en Voltios): J = C V.

La energa libre y la transferencia de masa

Si el proceso consiste en la transferencia de molculas desde un compartimentodonde las molculas estn a una concentracin c1 a otro en el que estn a unaconcentracin c2:

2

1ln (3.6)cG RT cD =

eqoeq

eq

[B]ln ln (3.4)

[A]G RT RT K D = - = -

o [B]ln (3.3)[A]

G G RT D = D +

bienS SS SH S

S HT T

D DD > > D

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Estos tres tipos de procesos son muy importantes en bioenergtica y constituyen labase del acoplamiento entre procesos exergnicos y endergnicos en los seres vivos:

Proceso exergnico Energa biolgica Proceso endergnico

Unidades y constantes tiles en Bioenergtica

Unidad de energa: joule (julio): Cantidad de energa asociada a 1 kg de masa enmovimiento a 1 m s1.

Se necesitan 4,18 J (= 1 calora) para aumentar 1 oC la temperatura de 1 g de aguapura (Tabla 3.1).

3.2. Las diversas formas de energa biolgica

3.2.1. Energa luminosa

La luz es una forma de energa (radiante) que tiene a la vez naturaleza corpusculary ondulatoria. Los cuantos de luz (fotones) poseen una energa que depende de la fre-cuencia (n) o de la longitud de la onda (l):

(3.7)cE h h= =nl

(0o

C = 273,15 K) Joule (J) = 1 k g m s1

= 1 N m = 1 CVCalora (cal) = 4,18 J (1 kcal = 103 cal)

Nmero de Avogadro: N= 6,0221 1023 molculas mol1

Carga del electrn: 1,602 1019 culombios

1 Culombio (C) equivale a 6,241 1018 unidades de carga elctrica (carga del e)

Electrnvoltio (eV): energa asociada a la transferencia de 1 e para un E= 1 V:

eV = 1,602 1019 CV = 1,602 1019J

Constante de Faraday(carga de 1 mol de electrones):

F= Ncargas e = 96.480 C/mol = 96.480 J V1 mol1

Constante de Boltzmann (coeficiente de proporcionalidad que permite pasar de J a K):

kB = 1,3807 1023J K1

Constante de los gases (valor del cociente PV/Tpara 1 mol de gas perfecto en condiciones estndares):

R= NkB = 8,3145J K1 mol1 = 1,9872 cal K1 mol1 = 0,082 L atm K1 mol1

Constante de Planck(cuanto de accin): h = 6,626 1034J s

Velocidad de la luz en el vaco: c= 2,99 108 m s1

Tabla 3.1. Unidades y constantes utilizadas en Bioenergtica.

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La energa de 1 fotn de l = 400 nm se calcula a partir de la l:

Dada la escasa energa que transporta un fotn, es ms cmodo expresarla en eV:E= 0,049 1017J = 3,0 eV.

En cambio, la energa de 1 mol de fotones (1 Einstein) se expresa mejor enkJ mol1. As, la energa de 1 mol de fotones de 400 nm:

E= 0,049 1017J fotn1 6,022 1023 fotones mol1 = 295 kJ mol1

El factor de equivalencia entre kJ mol1 y eV fotn1 es:

1 eV fotn1 = 1,602 1022 kJ fotn1 6,022 1023 fotones mol1 =

= 96,48 kJ mol1

De forma paralela, la energa asociada al trasvase de 1 e o de 1 H+ o a la hidrli-sis de 1 ATP se expresa en eV.

3.2.2. Potencial elctrico (E)

Los seres vivos utilizan la energa asociada a la transferencia de electrones entreun reductor y un oxidante con diferente potencial rdox (E).

Esta energa rdox depende de la diferencia de potenciales rdox E(V) entre el do-nador de electrones (reductor) y el aceptor de electrones (oxidante), que puede expre-sarse en condiciones estndares (Eo constante) o fisiolgicas (Evara con la concentra-cin del oxidante y el reductor):

Dada la reaccinAox + Bred Ared + Box

Se puede escribir:

G= nFE

Combinando ambas ecuaciones se obtiene la ecuacin de Nernst:

Y para las medias reacciones: Bred Box y Aox Ared:

o oxB B

red

[B ]ln (3.9)[B ]

RTE E nF= -

o ox red

oxred

[B ][A ]ln (3.8)

[B ][A ]RT

E EnF

D = D -

o ox red

oxred

[B ][A ]ln

[B ][A ]G G RT D = D +

8 134 17

9

2,99 10 m s 6,626 10 J s 0,049 10 J

400 10 mc

E h-

- -

-

= = =

l

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El Gasociado a una reaccin rdox se calcula fcilmente a partir de E: si el Eo

del donador de e es0,4 V y el del aceptor +0,8 V, la diferencia de potencial es:

Eo = +0,8 (0,4) = +1,2 V

y por tanto Go = nFEo = 2 (96500 C) 1,2 J mol1 = 232 kJ/mol

3.2.3. Potencial inico (FMI)

La transferencia de un soluto de un lado a otro de una membrana formada por unabicapa fosfolipdica genera G.

Si se transfiere 1 mol de soluto desde el compartimento izquierdo (donde la con-centracin de soluto es c1) al derecho (donde la concentracin de soluto es c2) se pro-duce un cambio de energa libre G:

c1 c2

Si c1 > c2: GC < 0: proceso espontneo, capaz de realizar trabajo til.Si c1 < c2: GC > 0: proceso no espontneo, consumidor de trabajo til.

La fuerza conductora del trasvase de soluto es el gradiente (diferencia) de concen-tracin c.

Si se transfiere un soluto cargado, Gtendr dos componentes correspondientes ala concentracin y a la carga elctrica:

+

c1 c2

Si el compartimento derecho tiene carga () y el izquierdo tiene carga (+) existe unpotencial de membrana que, por convencin, es < 0. El trasvase de 1 mol de solu-to transcurrir con un cambio de energa libre Gequivalente al potencial qumicodel sistema mi:

siendo Zla carga del ion transferido.

En este caso, la fuerza conductora es la Fuerza Motriz de Iones (FMI), que se ex-presa en voltios: psi se transfieren H+ y n si se transfieren iones Na+:

2

1(J) (J) ln (J) (J) (3.12)i

cG RT ZF

cD = D = + DYm

2

1(J) (J) ln (J) (3.11)i

cG RT

cD = D =m

o redA A

ox

[A ]ln (3.10)

[A ]RT

E EnF

= -

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Si se transfieren H+ Na+, ambos componentes favorecen la transferencia del indesde c1 a c2 y G= 0: el proceso es espontneo (exergnico) y de l se puede extra-

er energa til para impulsar reacciones (sntesis de ATP, transporte de electrones con-tra el E) y otros procesos como el movimiento o el transporte de nutrientes.

Y viceversa, la transferencia de la misma cantidad de in desde el compartimento2 hasta el 1 consumira la misma cantidad de energa libre, suministrada por diversostipos de reacciones exergnicas.

Clculo de la fuerza motriz de iones (FMI)

Si se transfieren H

+

, FMI=

p, por lo que se puede escribir (Fig. 3.3):

Para H+: p= 60 pH (mV).

Para Na+: n = 60 pNa (mV).

En las mitocondrias se han medido valores de pH = 0,75 y de = 0,17 V, porlo que:

p= 17060 x 0,75 = 210 mV

Que equivalen a

G=

F

p=

20 kJ mol

1

de H

+

0,21 eV/H

+

Como se ver, esta energa es mayor que la requerida para la sntesis de ATP.

Figura 3.3. Transferencia de H+ a travs de una membrana biolgica. B (canal o bomba de H+).

o 1 11

300KA 30 C: 2,303 2,303 8,31J mol K 0,060 (V)

96.500 C molRT

F- -

-= =

EX IN2,303 (pH pH ) (3.15)RT

pF

D = DY + -

in

ex

[H ]2,303 log (3.14)

[H ]RT

pF

+

+D = DY +

in

ex

[H ]ln

[H ]RT

pF

+

+D = DY +

2

1( ) (V) ln (V) (V) (3.13)

cG RTV p Z

cF F

D= D = + DY

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En la tabla 3.2 se muestran los valores de ppara los diferentes tipos de bacterias.

En los alcalfilos, un ptan pequeo no puede mantener el crecimiento a menosque el circuito de H+ sea localizado y el medio alcalino no los neutralice (vase msadelante el requerimiento mnimo de ppara sintetizar ATP).

3.2.4. Impulso de reacciones endergnicas por Dp

En las clulas, la energa rdox se conserva como un gradiente de iones y ste setransforma en diversas formas de energa, como el ATP (Fig. 3.4).

El acoplamiento se lleva a cabo mediante los transportadores de electrones de lamembrana y el complejo multiprotenico F0F1: enzima que deshace el gradiente ini-

co y sintetiza ATP mediante un nanorrotor movido por los iones.

El acoplamiento es variado y reversible:

La FMI puede impulsar tambin el giro del rotor flagelar bacteriano; de hecho, seha comprobado que el factor F1 purificado gira en presencia de ATP o sintetiza ATP sise le hace girar con un artilugio de imanes a escala molecular: una vuelta completadel rotor consume 12 H+ e impulsa la sntesis de 3 molculas de ATP. Dado queH+/P = 4, la sntesis de 1 ATP consume 4 H+.

La energa requerida para sintetizar ATP en condiciones estndares, Go, se apro-

xima a 30 kJ mol

1, pero este valor cambia en condiciones intracelulares, en que laratio(ADP) (Pi)/(ATP) puede ser < 103.

Figura 3.4. Acoplamiento entre la transferencia de electrones (Te), la FMIy la sntesis de ATP en la respiracin.

FoF1REDOX GRADIENTE INICO QUMICA

(ATP)E E E

GRUPO pHEX pHIN DY (mV) 60 pH Dp(mV)

Neutrfilos 06 7 150 060 210

Acidfilos 03 7 0+10 240 230

Alcalfilos 10 8 170 +120 050

Tabla 3.2. Generacin de los dos componentes de Dpen las bacterias.

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= 30,5 + 8,315 J mol1 K1 298 K 2,303 log 103 = 47 kJ mol1

El ATP puede sintetizarse a partir de la entrada de 4 H+ si el p es suficiente.

Cunto debe valer p?:

El trabajo realizado cuando se transfieren yH+ a travs de un potencial de H+ pes:

W= yp(eV) (3.16)

Si los valores medidos de P/H+ = 3-4, la ATP sintasa proporciona una energa de3-4 eV.

Como la sntesis de ATP en condiciones fisiolgicas requiere entre 45 y 50 kJ 0,5 eV, el valor mnimo de ppara la sntesis de 1 ATP debe ser 0,5/3-4, es decir, en-

tre 0,16 y 0,125 (V por cada H+

).Como los valores reales de pse aproximan a 0,2 V, se concluye que el pes su-

ficiente para permitir la sntesis in vivode ATP. En los alcalfilos, p= 0,05 V, insufi-ciente para sintetizar ATP.

Existen diferentes procesos endergnicos impulsados por fuerzas motrices inicas:

a) Sntesis de ATP.

Requiere la ATP-asa F1F0, una bomba inica de tipo F embutida en la mem-brana plasmtica:

F1: complejo multiprotenico compuesto por las subunidades 33.

F0: complejo multiprotenico compuesto por las subunidades ab2c10-14.

La F0F1 se haba visualizado por microscopa electrnica hace varias dcadas,pero recientemente se ha elucidado su estructura a nivel molecular: La enzimafunciona como un rotor (c ) adosado a un estator (ab) y cada giro de360o de la subunidad genera 3 ATP (Fig. 3.5).

Los H+ fluyen hacia el citoplasma porque la subunidad a posee dos medios ca-

nales, uno inferior que conecta el exterior (periplasma en las bacterias) con elrodillo c12 y otro superior que conecta ste con el citoplasma. Los datos cin-ticos sugieren que la energa del gradiente de H+ no se consume en la sntesisde ATP, sino en la salida de ste del centro activo hacia el citoplasma.

b) Transporte de solutos: simporte de un soluto S (no cargado)/H+:

in

ex

[S]En el equilibrio, 60 log (3.18)[S]y pD = -

in

ex

[S]Fuerza conductora 60 log , siendo (3.17)

[S]H

y p yS

+

= D + =

o (ADP) (Pi)ln(ATP)

G G RT D = D + =

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Un pde 180 mV puede mantener un gradiente de S de 103 para un simporteS/H+ o de 106 para 2 S/H+.

c) Movimiento:

El motor flagelar de las bacterias es un rotor de H+ que gira a 100 RPS con un

flujo de 103 H+ por giro.

3.2.5. Potencial de transferencia de grupos

Con frecuencia, los procesos bioqumicos (especialmente los microbianos) noestn ligados a transferencias de electrones o de iones a travs de membranas, por loque los Gdependen de otro tipo de energa qumica: el potencial bioenergtico.

El PTG, o potencial de transferencia de grupo, mide la capacidad de un compues-

to qumico para transferir determinadas agrupaciones qumicas (fosforilo, acilo, meti-lo) desde un donador (D) a un aceptor (A) (Fig. 3.6).

El PTG depende del Gde hidrlisis del compuesto que transfiere el grupo:

Donador~P + H2O Donador + Pi + calor

Figura 3.6. Transferencia del grupo fosforilo (~PO32) desde un donador (D) a un aceptor (A).

3in in

ex ex

[S] [S]Para 1 180 mV: log 3 ; 10

[S] [S]y y p= D = = =

Figura 3.5. Representacin esquemtica de la ATPasa.

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Los PTG de los compuestos biolgicos oscilan entre10 y60 kJ mol1:

1) Alto PTG (Go entre60 y 40 kJ mol1): (P)-adenosn-P-sulfato (P)APS), fosfo-enolpiruvato (PEP), 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) y acetil-P (AcP).

2) PTG medio (GHo 30 kJ mol1): ATP, pirofosfato (PPi) y acetil-CoA.

3) PTG bajo (GoH 10 kJ mol

1): glucosa-6P, fructosa-6P y glicerol-3P.Las transferencias de fosforilo (~P) se llevan a cabo en el orden marcado por el

PTG:PEP ATP Glucosa-6P

As, el PEP puede ceder su grupo fosforilo al ADP para dar ATP (Fig. 3.7):

Go = GoH PEP GoH ATP = 30 kJ/mol

3.3. Fermentacin

3.3.1. Concepto de fermentacin

La fermentacin se define como un tipo de catabolismo anaerbico en la que nose produce una reaccin rdox neta y cuya funcin es la sntesis de ATP por fosforila-cin a nivel de sustrato.

La fermentacin es un proceso rdox en ausencia de aceptores exgenos de elec-trones, que se generan en la propia ruta y que se reducen a un producto desechablepor la clula (lactato, etanol, CO2, acetato, H2, butirato, acetona, etc.).

Durante la primera fase, el sustrato se degrada parcialmente y genera ATP y unacoenzima reducida CoEH2 que se consume en la segunda fase y regenera el oxidante

CoE sin el que se detendra el proceso catablico (Fig. 3.8).

Figura 3.8. Mecanismo bioqumico de un proceso fermentativo. CoE (Coenzima rdox, NADH).

Figura 3.7. Fosforilacin a nivel de sustrato catalizada por la piruvato kinasa glucoltica.

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Una ruta metablica clave en la fermentacin es la glucolisis, que a partir de glu-cosa produce, dependiendo del microorganismo y las condiciones ambientales, diver-sos productos desechables: 2 lactato; 2 etanol + 2 CO2; lactato + acetato + formiato;lactato + acetato + CO2 + H2, etc.

Durante la fermentacin se produce un descenso de energa libre moderado (delorden de200 kJ por mol de sustrato fermentable como la glucosa), que se debe a lageneracin de grupos funcionales donde es posible la deslocalizacin de los electro-nes (grupos carboxilo, CO2) y la resonancia electrnica, que conlleva un descenso deenerga adicional. Como no se producen CoE reducidos netos (NAD(P)H, FNH2) nohay posibilidad de extraer energa rdox.

Por tanto, el rendimiento energtico de las fermentaciones es escaso: 2 ATP pormol de glucosa para la fermentacin lctica y alcohlica y ligeramente mayor paraotras fermentaciones, a pesar de que valores de Gdel orden de 200 kJ/mol sonsuficientes en teora para la sntesis de 6 a 7 moles de ATP en condiciones estn-

dares.

En condiciones fisiolgicas, G depende de las concentraciones de sustratos yproductos in vivo, por lo que la sntesis de ATP requiere ms de 30 kJ mol1: para lareaccin ADP + Pi ATP, si la razn [ATP]/[ADP][Pi] se aproxima in vivoa 103:

Con lo que el rendimiento, in vivo, puede ser an menor ya que si la sntesis de

1 mol de ATP cuesta del orden de 50 kJ, un descenso de energa libre de 200 kJ pro-porciona energa para la sntesis de slo 4 ATP. Como slo se generan 2 ATP,2 ATP/4 ATP = 0,5, que equivale a un rendimiento del 50%. En la figura 3.9 se resu-men las fermentaciones bacterianas ms importantes.

Figura 3.9. Fermentaciones bacterianas. En algunas fermentaciones, la fosforilacin a nivel desustrato se lleva a cabo durante las dos fases, glucoltica y generadora de cidos (mayor rendi-

miento). 1,3 BPGA, 1,3-bisfosfoglicerato; 3 PGA, 3-fosfoglicerato; PEP, fosfoenolpiruvato; Ac ~P,acetil fosfato.

o 1 3 1[P]ln 30 kJ 2,303 8,2 kJ K 300 K log 10 47 kJ mol[S]

G G RT - -D = D + = + =

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Las enzimas generadoras de ATP son la fosfoglicerato kinasa (PGAK), piruvato ki-nasa (PK), acetato kinasa (AcK), acil kinasas (AcilK), carbamil fosfato kinasa (CPK) yformiltetrahidrofolato sintetasa (FTS):

PGAK: 1,3-BPGA + ADP 3-PGA + ATP

AcK: Ac~P + ADP acetato + ATPPK: PEP + ADP piruvato + ATP

CPK: C~P + ADP CO2 + ATP

FTS: Formil-FH4 + ADP Formiato + ATP

Las fermentaciones se describen mediante una ecuacin en la que los sustratos ylos productos deben estar equilibrados desde un punto de vista rdox, balance calcu-lable a partir de los estados de oxidacin de los tomos en los sustratos y los produc-tos [compuesto orgnico (0); H(+1), O(2), In+/n (+/n)] y que consiste en la equidad

electrnica de ambos trminos. En la tabla 3.3 se muestra el balance rdox de las fer-mentaciones alcohlica y cida mixta:

Para alcanzar este balance, las bacterias requieren sumideros de electrones y po-seen enzimas como la hidrogenasa, que consume el exceso de electrones reduciendo

los H+

(producto muy frecuente en las fermentaciones) a H2, o enzimas que directa-mente producen H2 a partir de un reductor fuerte (formiato-H2 liasa, nitrogenasa).

3.3.2. Biotecnologa de las fermentaciones

Las fermentaciones producen siempre un subproducto, que puede tener un intersindustrial (biotecnologa). As se producen panificables, alcohol (bebidas y combusti-ble), antibiticos, vitaminas (B12, Riboflavina), aminocidos (Glu, Asp, Phe), hormo-nas (Progesterona Cortisona), enzimas (extremfilos), cidos (citrato, acetato), bio-

masa (levadura, microorganismos modificados por ingeniera gnica), gases (H2, CH4),etc. (Fig. 3.10).

Hexosa 2 CH3CH2OH + 2 CO2Estado de oxidacin medio del C en la hexosa = 0: 12 H (+1) = +12; 6 O (2) = 12

Estado de oxidacin medio del C en el etanol = 4: 6 H (+1) = +6; 1 O (2) = 2

Estado de oxidacin del C en el CO2 = +4: 2 O (2) = 4

Hexosa CH3CH2COOH + CH3CH2OH + CO2 + H2Estado de oxidacin medio del C en la hexoxa = 0: 12 H (+1) = +12; 6 O (2) = 12

Estado de oxidacin medio del C en el butirato = 2: 6 H (+1) = +6; 2 O (2) = 4

Estado de oxidacin medio del C en el etanol (4) y en el CO2 (+4)

Estado de oxidacin del H2 = +2

Tabla 3.3. Balances rdox en las fermentaciones.

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La bioproduccin de compuestos de inters industrial, farmacolgico o alimenta-rio mediante fermentacin a gran escala puede contribuir a la correccin de desequi-librios ambientales al moderar el consumo de energas no renovables para la produc-cin de bienes de consumo por mtodos tradicionales, altamente contaminantes. Asse podran disear planes para el ahorro de combustibles fsiles mediante la utiliza-cin de energas renovables como la fotoproduccin de H2 para pilas de combustible,la generacin de combustibles alternativos a partir de biomasa (alcohol, metano), lapropia produccin de bienes de consumo, etc.

Durante la I Guerra Mundial, la Marina britnica necesitaba acetona para fabricar

explosivos y recurri a una biotecnologa diseada por el bioqumico Chaim Weitz-man basada en la fermentacin aceto-butlica:

2 Glucosa + 4 ADP + 4 Pi + 4 NAD+ 2 Acetoacetil-CoA + 4 NADH ++ 4 ATP + 4 H2 + 4 CO2

Acetoacetil-CoA Acetocetato Acetona + CO2

Acetoacetil-CoA + 4 NADH Butanol + 4 NAD+

Esta fermentacin est catalizada por Clostridium acetobutylicum y produce ini-cialmente cidos actico y butrico, derivando a alcohol y acetona cuando el pH del

medio llega a 5.El balance de la misma (mol por 100 mol de glucosa) es 4 butirato, 14 acetato,

221 CO2, 135 H2, 7 etanol, 56 butanol, 22 acetona.

3.4. Conservacin de la energa mediante generacin de fuerzasmotrices de iones

Una reaccin suficientemente exergnica puede impulsar una bomba de iones (+)

a travs de la membrana plasmtica. La energa se puede expresar en kJ por mol H+ en eV por H+:

Figura 3.10 Esquema de un fermentador a escala de laboratorio.

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yH+in yH+ex

Para ymoles de H+: G= yFp(J) (3.18)

Para yH+: G= yp(eV) (3.19)

3.4.1. Descarboxilacin

Propionigenium modestum crece utilizando la energa asociada a la descarboxila-cin del succinato a propionato (Fig. 3.11). Esta reaccin transcurre con un descensomoderado de energa libre (Go = 21 kJ por reaccin), insuficiente para dirigir la sn-tesis de ATP por fosforilacin a nivel de sustrato, que requiere al menos 30 kJ por mol.

En terminos energticos, el crecimiento de esta bacteria est basado en un procesovectorial: la descarboxilacin del succinato genera una fuerza motriz de sodio (n)capaz de impulsar la sntesis de ATP (Figs. 3.11 y 3.12).

Figura 3.12. Acoplamiento de un proceso fotoqumico a la generacin de Dpy a la sntesisde ATP; BRh (Bacteriorrodopsina); MP (Membrana plasmtica); R (Retinal).

Figura 3.11. Acoplamiento de una reaccin qumica a la generacin de FMNa y a la sntesisde ATP; MP (membrana plasmtica); DCASA (descarboxilasa).

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3.4.2. Fotoisomerizacin (halobacterias)

La bacteriorrodopsina (BRh) es una bomba de H+ formada por 7 Hlices trans-membranales unida covalentemente a un grupo prosttico de retinal que absorbe luzvisible: la luz fotoisomeriza el retinal todo-transa 13-cis, lo que causa el desplaza-

miento de H+

por el poro de la BRh mediante un mecanismo de saltos de protones(H+-hops), mucho ms rpido que la difusin. Este mecanismo requiere el concur-so de los aminocidos Glu 204 y 194, Arg 82 y Asp 85 y 96, que la secuencia de lacadena peptdica sita en el canal de H+. La FMP generada (p) impulsa la sntesisde ATP:

hn p ATP

Las halobacterias poseen adems una bomba de Cl, la halorrodopsina, impulsadapor la luz. Como la BRh, la halorrodopsina sufre una fotoisomerizacin que, en estecaso, la transforma en una bomba de Cl, necesaria para balancear la alta presin

osmtica del medio externo de las halobacterias (3-4 M NaCl). Por ltimo, otras dosrodopsinas, SR I y SR II detectan la luz naranja y azul, respectivamente: la luz liberafumarato, que, por s mismo o interaccionando con las protenas CheA/CheY, cambiael sentido de la rotacin flagelar y promueve la fototaxis. Es este un caso llamativo deevolucin convergente, en que la visin en los animales y la visin en las bacteriasradica en el mismo tipo de protena y de cromforo, rodopsina-retinal en un caso ybacteriorrodopsina-retinal en el otro, aunque con mecanismos transmisores de laseal luminosa completamente diferentes.

3.4.3. Hidrlisis del ATPEn las bacterias en las que el ATP se produce nicamente por fosforilacin a nivel

de sustrato, el pse genera mediante el complejo F0/F1 funcionando como una hi-drolasa de ATP (Fig. 3.13):

ATP + H2O ADP + Pi

Figura 3.13. Generacin de Dpa expensas de la energa del ATP. SFER (Sustrato fermentable);PFER (Producto fermentado).

o (ATP)2,3 log (3.20)(ADP) (Pi)

Gp G RT D = D +

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yH+in yH+ex (3.21)

Para y= 3 y Gp = 50 kJ mol1

, la hidrlisis de 1 ATP genera un p= 173 mV

3.4.4. Eflujo de cidos

Se puede generar psi se produce un simporte cido/H+ y se acopla el eflujo delcido con su consumo por otra bacteria. La fuerza conductora ser Fc= y p++ mS/F(mV), siendo y el nmero de H

+ y mS el potencial qumico del cido, con susdos componentes de concentracin y de carga.

En el caso de la figura 3.14, el transporte es electroneutro y no se genera : eleflujo del cido slo tiene el componente de concentracin (Fig. 3.14).

3.4.5. Intercambio de cidos

Un antiporte electrognico de cidos (oxalato2/formiato) acoplado a una descar-boxilasa que consume H+ puede generar los dos componentes de p ( y pH)(Fig. 3.15).

3.4.6. Reacciones rdox

La mayor parte de las bombas de H+ estn acopladas a reacciones rdox, comoocurre en la respiracin y en la fotosntesis.

Figura 3.15. Generacin de Dppor antiporte de cidos en la bacteria Oxalobacter formigenes.OX2 (oxalato); FOR (formiato) ; DC (descarboxilasa).

Figura 3.14. Generacin de Dpmediante el eflujo de cido lctico.

(3.22)G

G F p p F

DD = D D =y

y

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En una reaccin rdox se transfieren n e desde un par donador de potencial E1 aun par aceptor de potencial E2, o viceversa.

Las reacciones rdox ocurren entre parejas o pares reductor/oxidante, caracteriza-dos por su potencial estndar Eo (V), que determina la tendencia a la transferencia es-pontnea de electrones (Fig. 3.16).

La respiracin es un proceso exergnico ligado a membrana, en el que un dona-dor electrnico DHn cede n e

a un aceptor A de potencial ms positivo o menos ne-gativo:

DHn + A D + AHn G< 0

La fotosntesises un proceso exergnico ligado a membrana, en el que la luz im-pulsa la transferencia endergnica de n e desde un donador AHn a un aceptor D depotencial menos positivo o ms negativo:

AHn + D A + DHn G> 0 (en ausencia de luz)

El proceso rdox ms importante de la biosfera consiste en un ciclo de formacinde agua a partir de H2 y O2 (respiracin) y de fotolisis de la misma a H2 y O2 (fotosn-tesis) mediante transferencias electrnicas entre metaloporfirinas, porfirinas, flavinas,quinonas y metaloprotenas cuyos potenciales rdox abarcan un intervalo de 1,22 V(Eo entre el los pares rdox H2O/O2 y H2/2 H

+) (Fig. 3.17).

Los compuestos qumicos rdox se agrupan en parejas constituidas por la formaoxidada y reducida de cada uno de ellos, caracterizadas por su Eo. As, el par H2O/O2posee un Eo de +0,82 V (pH 7) y es uno de los pares rdox ms oxidantes en los seresvivos. Por el contrario, el par H2/H

+ tiene un Eo de0,42 V (pH 7) y es uno de los pa-res rdox ms reductores en los seres vivos.

Los pares rdox de inters biolgico se agrupan en la columna electrnica que sepresenta en la tabla 3.4 Los situados en la parte superior de cada columna o en la

Figura 3.17. Ciclo fotosntesis/respiracin aerobia.

Figura 3.16. Transferencias electrnicas entre un par reductor DH/D (potencial E1) y un paroxidante AH/A (potencial E2, menos negativo o ms positivo que E1).

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columna izquierda transfieren electrones espontneamente a los situados en la parteinferior o en la columna derecha, respectivamente (Tabla 3.4).

El par PO3H/PO4H

2es el donador de e para la reduccin de SO42a S2en la bac-

teria Desulfotignum phosphitoxidans, un auttrofo anaerobio estricto que utilizacomo fuente de energa el fosfito producido por oxidacin de fosfatos orgnicos enmedios naturales (Tabla 3.4). Esta observacin incorpora el P al grupo de bioelemen-tos que sufren procesos biolgicos rdox.

Mecanismos que explican el flujo de H+ acoplado a la transferencia de e.

a) Cambio conformacional:

La energa liberada en la transferencia de e se utiliza para producir uncambio conformacional que afecta al pKa de grupos protonables y para gene-rar un canal de H+ en el transportador electrnico de la membrana: la energa

rdox desempea el papel que la luz desempea en la bacteriorrodopsina,produciendo un cambio conformacional en la protena aceptora de electrones

Par rdox Eo (mV) Par rdox Eo (mV)

P700* 1.300 Malato / oxalacetato 0.170

2-oxoglutarato / succinato 0.670 Cit bLred cit bLox 0.100

CO / CO2 0.540 MQH2 / MQ 0o.74

SO32

/

SO42

0.

540 Cit b558 / cit b558 ox 00.

75 /

43Fd (Spinacea) / Fdox 0.520 UQ / UQ +30

Formiato / CO2 0.432 Succinato / fumarato 00.+33

H2 / 2 H+ 0.410 Cit bHred / cit bHox 00.+50

Fd (Clostridium) / Fdox 0.410 UQH2 / UQH 0.+190

P680* 0.400 UQH2 / UQ 0.+100

S2O32 / H2S 0.400 Cit b556 / cit b556 ox +46 / +129

Isocitrato / 2-oxoglutarato 0.380 Cit b562 / cit b562 ox +125 /+260

NADH / NAD+ 0.320 Cit b/ cit box +260 /+280

FeS (C-I mit) / FeSox 0.305 Cit c/ cit cox 0.+250

Acetato / CO2 0.290 FeS (Rieske) / FeSox 0.+280LIPOATO-H2 / LIPOATO 0.290 Cit a / cit aox 0.+290

1,3BPG 3-PGA + Pi 0.290 Cit c555 / cit c555 ox 0.+355

SH2 / S 0.270 NO / NO2 0.+365

PO3H/ PO4H

2 0.267 Cit a3 (mit) / cit a3 ox 0.+385

CH4 / CO2 0.240 P700+ 0.+430

2 GSH / GSSG 0.230 NH4+ / NO2 0.+440

SH2 / SO42 0.220 NO3

/ NO2 / NO3

0.+430

FADH2 / FAD 0.220 Fe2+ / Fe3+ 0.+770

EtOH / acetaldehdo 0.197 H2O / O2 (1 atm) 0.+820

FMNH2 / FMN 0.190 P680+

+1.200Lactato / piruvato 0.185 N2 / N2O +1.360

Tabla 3.4. Potenciales de los principales pares rdox de inters biolgico.

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que modifica la afinidad por los H+ de restos aminoacdicos internos de la es-tructura proteica, lo que favorece los saltos de H+ y su trasvase al otro lado dela membrana (Fig. 3.18):

b) Alternancia entre transportadores de H2 y de e:Un transportador de H2 tipo FNH2 QH2 acoplado a un aceptor de electro-

nes (FeS citocromo) convenientemente situados en la membrana facilitan lacaptura de H+ en un lado y su liberacin en el otro lado de la membrana.

Al confluir un donador de H (nucletidos de flavina, quinonas) con unaceptor de electrones (FeS, hemos), los H+ sobrantes deben pasar a la fase solu-ble que sea accesible, normalmente el lado exterior de la membrana (periplas-ma en las bacterias, lumen del tilacoide o espacio intermembranal en las mito-condrias) (Fig. 3.19).

3.5. Respiracin

Es un proceso exergnico en el que una transferencia neta de electrones se acoplaa la sntesis de ATP por fosforilacin oxidativa. Puede ser aerobia, si el aceptor es elO2, o anaerobia, si el aceptor es un compuesto de N (NO3

), S (SO42) C (CO, CO2,

fumarato), un in metlico (Fe3+), etc.

La transferencia de electrones (a) est acoplada al eflujo de H+ (b) (acoplada indica

que uno no sucede sin el otro) y, salvo excepciones, ambos procesos estn prximosal equilibrio:

Figura 3.19. Trasvase de H+ mediante alternancia de transportadores.

Figura 3.18. Trasvase de H+ mediante cambio conformacional.

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a: UQH2 + 2 bc1OX UQ + 2 bc1RED + 2 H+ Ga = nFE

b: yH+in yH+ex Gb= yFp

En el equilibrio, Ga = GbnFE= yFp (3.23)

Si se transfieren 2 e y 4 H+ (y= 4, n = 2) y E= 0,2 V, se genera un p= 0,1 V.

Expresado de otra forma, si se transfieren 2 e a travs de un Ede 0,2 V, la energadisponible es 2 0,2 = 0,4 eV, equivalente a una fuerza motriz de protones de 0,1 V.

A su vez, el pest acoplado a la sntesis de ATP, de tal forma que si p= 0,1 V, laenerga disponible para sintetizar ATP ser de 0,4 eV por cada H+ trasvasado bien

0,4 eV

96.500 C mol

1 =38,6 kJ mol

1

, casi suficiente para la sntesis de 1 mol deATP in vivo(Fig. 3.20).

El hecho de que algunas reacciones rdox estn cercanas al equilibrio tiene unasconsecuencias fisiolgicas muy importantes: al igualarse las fuerzas conductoras deelectrones y protones se puede invertir el sentido de la transferencia electrnica utili-zando la fuerza conductora de p.

Esta es la base del metabolismo energtico de bacterias que viven oxidando com-puestos pobres en energa, cuyos Eson positivos (NH3, NO2

, S, succinato, etc.) y que

necesitan reducir el NAD+

(Eo

= 0,32 mV).No obstante, existe una reaccin rdox esencialmente irreversible en condiciones

fisiolgicas: la transferencia de electrones desde el citocromo cal O2 para dar H2Oest acoplada a la citocromo oxidasa, una bomba de H+ irreversible.

Por esta razn, el agua no puede ceder electrones en un sistema biolgico salvoen el Fotosistema II, donde la energa solar genera un potente oxidante (P680+) cuyoEo es ms positivo que el del agua (+1,2 V frente a +0,82 V).

En las bacterias nitrificantes (Captulo 6), el crecimiento se debe a una reaccin r-

dox cuyo potencial es positivo, incapaz por tanto de transferir electrones al NAD+(Fig. 3.21).

Figura 3.20. Acoplamiento entre la FMP y la sntesis de ATP en la respiracin.

De donde se deduce que (3.24)n EpyDD =

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1. Las bacterias del gnero Nitrosomonasoxidan gran cantidad de NH4+ a NO2

yse genera un p.

2. El pimpulsa la reduccin endergnica del NAD+ con NH4+ como reductor.

3.5.1. Cadena respiratoria mitocondrial

Est formada por enzimas y coenzimas rdox agrupados en complejos respirato-rios (CR) incrustados en una bicapa lipdica y que transfieren los e en cadena. La ca-dena completa posee 4 CR (I, II, III y IV) y se encuentra en las mitocondrias y algunasbacterias aerbicas (Fig. 3.22).

Como se observa en la figura 3.22, se trasvasan 10 H+ por cada 2 e transferidosdesde el NADH al O2:

NADH + O2 + 11 H+IN NAD

+ + H2O + 10 H+EX

Los CR estn situados en la membrana mitocondrial interna o en la membrana

plasmtica de los procariotas y su topologa favorece el flujo de H+

hacia el exteriorsiempre y cuando Esea suficiente (> 0) como para producir un descenso de energalibre adecuado: G= nFE.

El mecanismo de eflujo de H+ consiste en tres bombas inicas (C I, C III y C IV), delas cuales slo es irreversible la bomba C IV. Esto indica que la cadena respiratoriapuede generar p mediante reacciones rdox exergnicas (E> 0) o utilizar el ppara impulsar reacciones rdox endergnicas (E< 0) a partir de reductores dbiles,con excepcin del agua.

El transporte inverso de electrones es comn en las bacterias y utiliza como reduc-

tores succinato, NH3, NO3

, S, SH2, Fe2+, etc., que se oxidan por enzimas periplsmi-cas que transfieren electrones al cit co directamente a los CR III, II y I (Fig. 3.22).

Figura 3.21. Acoplamiento de Dpa la reduccin de NAD+ con NH4+ como reductor en

una bacteria nitrificante.

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La cadena respiratoria conserva la energa de forma eficaz:

Para la reaccin NADH + H+ + O2 NAD+ + H2OE= +0,82(0,32) = 1,14 V y G= 2 96,5 1,14 = 220 kJ

Si se transfieren 10 H+ y el G(medido) = 21 kJ mol1 H+, el G total es 210 kJ,muy cercano al valor mximo de 220 kJ.

3.5.2. Cadenas respiratorias de las eubacterias

En las bacterias, las cadenas respiratorias varan entre los diferentes grupos sis-temticos y, dentro de un mismo grupo, dependen de los cambios ambientales. Comoen las mitocondrias, los transportadores de electrones estn agrupados en CR relacio-nados por quinonas o citocromos (Fig. 3.23).

Los reductores pueden ser citoslicos (NADH, FADH2) o periplsmicos (H2,HCOOH, CH3OH) y los aceptores pueden ser O2, NO3

, NO2, NO, N2O, SO4

2, SO32,

S, fumarato, Fe3+.

As como la enzima respiratoria que reduce al O2 se denomina citocromo oxidasa,la que reduce otros aceptores se llama reductasa terminal. Estas reductasas terminales

pueden poseer grupos hemo y generar py parece que son antecesoras de las oxida-sas en un mundo anxico.

Figura 3.22. Complejos de la cadena respiratoria aerbica.

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La Km del citocromo o por el O2 es mayor que la del cit d, lo que produce la

adaptacin a diferentes pO2: cuando las bacterias facultativas perciben una disminu-cin de la pO2 mediante la protena sensora ArcB, el factor de transcripcin ArcA sefosforila y se une al DNA, reprime la sntesis del citocromo oe induce la del citocro-mo d(Captulo 4). Algo similar ocurre en presencia de txicos: el CN induce una oxi-dasa alternativa resistente, insensible a la inhibicin por CN. Otra fuente de versatili-dad son las ramificaciones de la cadena, ya que difieren en el pgenerado.

Las bacterias poseen dos NADH-Deshidrogenasas; la NADH DH 1 es sensible a larotenona y similar al CR I mitocondrial y la NADH DH 2 contiene FAD y es una bom-ba de H+. Otras NADH DH son bombas de Na+, como la de Vibrio alginolyticus.

El CR III o citocromo bc1 procede probablemente del metabolismo anaerbico,porque se encuentra en las bacterias fototrofas. El citocromo bc1 es un dmero y ge-nera los dos componentes de p: es una bomba de H+ y aumenta el potencial demembrana (interior negativo) gracias a la transferencia electrnica entre los gruposhemos bL (lado externo, E

o = 0,1 V) y bH (lado interno, Eo = 0,05 V) (Fig. 3.24).

Figura 3.24. Transferencia de electrones y H+ en el C III. El mixotiazol bloquea el sitio Qo y la

antimicina, el sitio Qi. Un centro 2 Fe2S (Rieske) transfiere electrones al hemo c1 y ste al cit cdelperiplasma. MP (membrana plasmtica o membrana mitocondrial interna).

Figura 3.23. Cadenas respiratorias eubacterianas. Los crculos grises indican sitiosde acoplamiento reaccin rdox/Dp.

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Una versin del CR III, el citocromo bf, se encuentra en el aparato fotosinttico delas cianobacterias y los cloroplastos, conectando los Fotosistemas I y II (Fig. 3.33).

Las oxidasas terminales de las bacterias aerbicas poseen una estructura similar(Fig. 3.25).

La presencia de diferentes grupos prostticos determina la generacin o no de py la Km por el O2: cbb3 < aa3 bo3. Las oxidasas terminales se bloquean por CN

oazida, salvo algunas, que son resistentes a estos inhibidores.

3.5.3. Cadenas respiratorias de las arqueobacterias

Se parecen bastante a las de las eubacterias pero con cofactores inusitados:quinonas con grupos tiofeno, complejos I y II atpicos, sulfocianina, hemos preni-lados ms hidrofbicos (termfilos) y supercomplejos IV Sox ABCD (sin FeS) oSox M (con FeS Rieske). El pse genera mediante bombas de H+ o por separacinde cargas:

(H2 2 H+)PER (S + H2O SH2 2 OH

)CIT

Por otra parte, la citocromo oxidasa carece de los restos de aminocidos esencia-les para el bombeo de H+ por lo que H+/e < 2.

3.6. Fotosntesis

Consiste en la conversin de la energa radiante (hn) en energa qumica utilizablepara el crecimiento.

En todos los tipos de fotosntesis la energa solar se conserva como fuerza motrizde iones, que se transforma en energa qumica (ATP), de transporte de solutos omecnica

hn p ATP, movimiento, transporte de solutos

En la fotosntesis cloroflica, la energa solar se utiliza para impulsar una reaccinrdox endergnica [sntesis de ferredoxina (Fd) o NAD(P)H]. La energa rdox se con-

Figura 3.25. Estructura de la NO reductasa (NOR) y de las citocromo oxidasas bacterianas.

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serva adems como fuerza motriz de protones y sta se transforma en energa qumica(ATP), de transporte de solutos o mecnica:

Un fotosistema est formado por pigmentos [clorofilas (CL), bacterioclorofilas(BCL), carotenos (CAR), xantofilas (XA) y ficobilinas (FB), asociados a protenas in-mersas en una membrana fosfolipdica]. Los fotosistemas absorben la luz y conser-van la energa como una separacin de cargas (+) y () en la membrana fotosinttica(Fig. 3.26).

3.6.1. Tipos de fotosntesis cloroflica

Las cianobacterias (includo Prochloron), algas y plantas realizan la fotosntesisoxignica (liberan O2); las bacterias fototrofas realizan la fotosntesis anoxignica (noliberan O2) (Tabla 3.5).

Las bacterias rojas azufradas son -proteobacterias y utilizan compuestos azufra-dos (S, S2, S2O32) (Chromatium); las bacterias rojas no azufradas son - -proteo-

Organismo Tipos de PS Pigmentos ReductorFuente decarbono

Respiracin

Prochloron I y II CL a y b H2O CO2

Cianobacterias I y II CL a, FB H2O CO2 S

Algas y plantas I y IICL a y bCA y XA

H2O CO2 S

Bacterias rojas

azufradas

Tipo II BCL a b, CAS2, S, S2O3

2, H2,

C Org, Fe2+ CO2, C Org S

Bacterias rojas noazufradas

Tipo II BCL a b, CA H2, C Org (S2) CO2, C Org S

Bacterias verdesazufradas

Tipo IBCL a, c, d, e,

CAS2, S, S2O3

2, H2 CO2, C Org No

Bacterias verdesno azufradas

Tipo IBCL a, cs, d,

CAS2, H2, C Org CO2, C Org S

Heliobacterium Tipo I BCL g, CA C Org C Org No

Tabla 3.5. Tipos de fotosntesis. C Org (Fuente de carbono orgnico); CL (Clorofila);BCL (Bacterioclorofila); FB (Ficobilinas; CA (Carotenos); XA (Xantofilas).

Figura 3.26. Separacin de cargas en la membrana fotosinttica (MF); PS (Fotosistema).

2 2H O, H S e * Fd, NAD(P)h - +

n

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bacterias (Rhodobacter); las bacterias verdes pertenecen a otros phyla (Chlorobium,Chloroflexus) y las Heliobacterias son Gram (+).

3.6.2. Centros de reaccin fotosintticos

Un centro de reaccin fotosinttico est formado por una clorofila especial queacta de trampa energtica, de donde la energa radiante no puede transmitirse sinoen forma de energa electrnica (Fig. 3.27).

El fotn de energa hnes captado por pigmentos (carotenos, clorofilas) que formanuna antena receptora de luz (LHC). La molcula fotoexcitada transfiere esta energa

(excitn) a otras molculas no excitadas de propiedades electrnicas similares. El pro-ceso implica la interaccin entre orbitales moleculares de las molculas participantesde forma anloga a la interaccin entre pndulos de frecuencias similares acopladosmecnicamente. El excitn se transmite de manera que, si el acoplamiento electrni-co es fuerte, el grupo de molculas acta como una supermolcula excitada. Al final,la energa es atrapada por el centro de reaccin, trampa energtica formada por unpar cloroflico especial que transforma la energa radiante en energa electrnica.

En el centro de reaccin (CR), la energa electrnica est asociada a un electrn si-tuado en un nivel superior de energa (e*): en ocasiones, el e* vuelve a su estado ba-

sal y la energa se disipa como calor o se emite como un fotn de menor frecuencia(fluorescencia). Para evitarlo, los CR estn incluidos en fotosistemas donde existenaceptores de electrones situados a una distancia adecuada para posibilitar la transfe-rencia electrnica: CL* + A CL+ + A, lo que conlleva una separacin de cargas y laconservacin de la energa luminosa como energa rdox.

Fotosistema de las bacterias prpuras

Este fotosistema es de tipo II, ya que se parece al PS II de la fotosntesis oxigni-

ca y no produce poder reductor directamente porque el primer aceptor de electro-nes estable (QB) posee un Eo cercano a 0,0 V , insuficiente para reducir NAD+

Figura 3.27. Centro de reaccin fotosinttico (CR). La energa radiante se transmite desde unospigmentos fotosintticos (PF) a otros hasta que es atrapada en un CR, cuyo nivel energtico (E) es

inferior.

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(Eo = 0,32 V). Para hacerlo, los e del donador (succinato, S2) se transfieren contrael gradiente de potencial elctrico gracias al pgenerado a nivel del citocromo bc1(Fig. 3.28).

El PS consta de una antena captora de luz, tres polipptidos, H, M y L y un cito-cromo ccon cuatro grupos hemos que forman un circuito e cclico generador de p(Fig. 3.29).

Fotosistema de las bacterias verdes

En las bacterias verdes, el CR (P840) forma tambin un circuito cclico con elaceptor primario Ao (bacterioclorofila 663), el aceptor A1 (Q), un centro FeS, QH2, elcitocromo bc1 y el citocromo c553. Pero en este caso, el PS es de tipo I (se parece alPS I de la fotosntesis oxignica), ya que el aceptor FeS posee un Eo muy negativo(< 0,5 V) y los e se pueden transferir exergnicamente a la ferredoxina (Eo 0,42 V)y de sta al NAD+ (Eo 0,32 V). Para restablecer los huecos electrnicos en el CR,

los electrones pueden fluir a ste desde un reductor exgeno (S2

) a travs de citocro-mos (c555).

Figura 3.29. Flujo de electrones en el PS (P960) de las bacterias prpuras.

Figura 3.28. Estructura del PS de la bacteria roja Rhodopseudomonas viridiselucidada en 1985 pordifraccin de rayos X. H, L, M (polipptidos de la membrana fotosinttica); MP (membranaplasmtica); Q (quinonas); CR P860 (crculos blancos); bacteriofeofitinas (rombos); Bacteriocloro-

filas (crculos grises).

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La figura 3.30 presenta los flujos electrnicos en la fotosntesis basada en bacterio-clorofila, cclico en el caso de las bacterias prpuras y cclico/no cclico en las bacte-rias verdes.

Por su parte, las heliobacterias poseen un CR tipo I (P798), un aceptor primario hi-droxi-bacterioclorofila a y un circuito e similar, por lo que tampoco requieren impul-sar la transferencia electrnica con la FMP producida en las transferencias e citocr-micas (bc1).

La fotosntesis oxignica: acoplamiento PS II-PS I

En las cianobacterias, algas verdes y plantas superiores, el H2O puede suministrare gracias al acoplamiento entre el PS II (un anlogo al PS de las bacterias rojas) y elPS I (un anlogo al PS de las bacterias verdes) y a un complejo protenaMn4

2+ alta-mente oxidante (OEC).

Este proceso se realiza en las membranas tilacoidales de los cloroplastos o de sus

ancestros endosimbiticos, las cianobacterias, y genera un fuerte phacia el lumentilacoidal (lumen cido) produciendose O2 en el compartimento lumenal y NADPHen el estroma (Fig. 3.31).

En la fotosntesis oxignica existen dos reacciones luminosas, una en el CR P680del PS II, acoplada a la fotolisis del agua y a la reduccin de una molcula de feofiti-na, y otra en el CR P700 del PS I, acoplada a la reduccin del NADP+.

En el PS II, la absorcin de un fotn de luz azul genera un potente oxidante, elP680+, que extrae edel agua gracias a un grupo prosttico de Mn2+ del complejo pro-ductor de O2 (OEC). P680 es un reductor dbil, pero suficiente para reducir la feofiti-

na, iniciando as una cadena de transferencia electrnica que une los dos fotosistemas(Fig. 3.32).

Figura 3.30. Flujos de electrones en las bacterias rojas (izquierda) y enlas bacterias verdes (derecha).

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Por su parte, la absorcin de un fotn de luz roja en el PS I genera un oxidantedbil (P700+), cuya contrapartida reducida, P700, es un potente reductor capaz detransferir electrones a la ferredoxina, tal como sucede en el PS de las bacterias verdes.

El e arrancado al P680 se transfiere a una molcula de feofitina, clorofila que tie-ne el Mg2+ sustituido por 2 H+, cuyo Eo es0,5 V; este proceso es similar al del PS delas bacterias rojas.

El e de la feofitina se transfiere a un par QA-QB y de ste, al conjunto de quino-nas de la membrana tilacoidal (plastoquinona, PQ) y al cit bf, homlogo del bc1,donde se genera ppor un ciclo similar al Qo-bLbHQi de la cadena respiratoria y que

transfiere 4 H+ al lumen tilacoidal por cada 2 e.El e pasa del cit bf a la Cu-protena plastocianina (PC) y de sta a la clorofila

P700+, oxidante moderado (Eo = +0,5 V), formado a raz de la absorcin de un fotnde luz roja por el CR P700.

Cuando P700 absorbe un fotn de luz roja se transforma en P700*, potente re-ductor (Eo < 1,0 V) que cede su e a una cadena AoA1FeS similar a la del PS de lasbacterias verdes.

El e energetizado del centro (4Fe4S) pasa a una protena 2Fe2S denominada ferre-

doxina (Fd) y sta reduce al NADP+ mediante la enzima Fd-NADP+ reductasa, quecontiene FAD como grupo prosttico.

Figura 3.32. Acoplamiento de fotosistemas: generacin de un oxidante fuerte en el PS IIy un reductor fuerte en el PS I. Ff (Feofitina).

Figura 3.31. Acoplamiento entre los PS I y II en la fotosntesis oxignica. OEC (complejo productorde O2); TK (tilacoide). La F0F1 (ATP sintetasa cloroplstica) est orientada hacia la produccin de

ATP en el estroma.

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La Fd puede transferir los e a la PQ y no al NADP+ por lo que en este caso se ge-nera slo py no poder reductor (transporte cclico de electrones) (Fig. 3.33).

La membrana tilacoidal tiene una ATP-asa FoF1 similar a la mitocondrial o bac-teriana: el flujo de H+ del lumen al estroma impulsa la sntesis de ATP (fotofosfori-lacin).

La estequiometra de los 2 PS vara entre PS II/PS I = 0,34 (cianobacterias) y 1,4(algas verdes). Para evitar la migracin de los excitones al PS I (cuya energa de exci-tacin es menor que la del PS II) y que el PS II quede en estado subexcitado perma-nentemente, el PS II se dispone en las membranas granales (MG) y el PS I en las inter-granales (MIG) (Fig. 3.34).

Durante el da, la luz solar intensa (rica en fotones azules) fotoexcita ms el PS IIque el PS I, por lo que la cadena de transporte de electrones entre el PS II y el PS Ipuede quedar reducida en exceso paralizando la conexin PS II/PS I. Para evitarlo, elcomplejo captor de luz del PS II (LHC II) es forzado a migrar hacia el PS I mediante su

fosforilacin por una kinasa de protenas que se activa cuando aumenta la concentra-cin de PQH2.

Figura 3.34. Disposicin asimtrica de los PS I (cuadrados blancos) y II (cuadrados negros).

Figura 3.33. Transporte no cclico de electrones y transporte cclico (flecha punteada) en la fo-tosntesis oxignica. Ff (feofitina); PQ (plastoquinona); bf(citocromo bf); PC (plastocianina); FeS(centro sulfofrrico); A0 (clorofila a); A1 (filoquinona (Vit K); Fd (ferredoxina); FNR (Fd:NADP

+

reductasa).

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3.6.3. Rendimiento de la fotosntesis

Fotosntesis anoxignica

Cociente H+/e = 2 (bc1): cada e equivale al eflujo de 2 H+

Cociente P/e = : cada e equivale a 0,5 ATP

Como la sntesis de 1 ATP requiere 4 H+ y equivale a 50 kJ mol1 (0,5 eV/ATP), serequieren 25 kJ para sintetizar 0,5 moles de ATP. Dado que 1 Einstein de luz de890 nm posee una energa de 130 kJ, el rendimiento ser:

Fotosntesis oxignica

En los cloroplastos el pH entre el estroma y el lumen tilacoidal es muy fuerte(3,5), pero 0 V porque la membrana tilacoidal es permeable al Cl y al Mg2+, endireccin opuesta, y esto deshace el . Por tanto, p= 0,06 3,5 = 0,21 V, queequivalen a un G= 20 kJ mol1 de H+, valor muy parecido al observado en mito-condrias respirando.

Para una estequiometra de 4 H+ /ATP, el valor anterior equivale a un total de80 kJ (0,8 eV), muy por encima del valor requerido para la sntesis de ATP in vivo

(0,5 eV).Cociente H+/e = 3 (1 en OEC y 2 en bc1): cada e equivale al eflujo de 3 H+

Cociente P/e = 3/4: cada e equivale a 0,75 ATP

Como la sntesis de 1 ATP requiere 4 H+ y equivale a 50 kJ mol1 (0,5 eV/ATP), serequieren 37,5 kJ (0,38 eV) para sintetizar 0,75 moles de ATP. Como el Eentre lospares O2/H2O y NADP

+/NADPH es1,14 V, la transferencia electrnica entre el aguay el NADP+ requiere al menos 1,14 eV.

Si por cada e* se sintetizan 0,75 ATP (0,38 eV) y NADPH (1,14 eV), en total se

necesitan 0,38 + 1,14 = 1,52 eV.Para energetizar 1 e se requieren 2 fotones, uno de 680 nm (1,82 eV) y otro de

700 nm (1,8 eV), lo que hace un total de 3,62 eV, por lo que el rendimiento ser:

1,520,42 (42%)

3,62r = =

250,19 (19%)

130r = =

100


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