Universidad de Puerto Rico

Recinto de Mayagüez

Departamento de Biología

Metabolismo a altas y bajas temperaturas;

Autótrofos quimiosintéticos y Bacteriorodopsina

Melvilí Cintrón

Rey Y. Pagán

Amanda Cardona

Wilfredo Ramos

Jaclyn De Jesús

Nilsa Rivera

Enid Vélez

Biol 4368

Dr. Carlos Ríos

Metabolismo a altas y bajas temperaturas

El metabolismo es el conjunto de reacciones que ocurren en los organismos para generar energía al igual que para la biosíntesis de moléculas necesarias para la vida. El metabolismo varía dependiendo de las condiciones en las que el organismo viva. En el caso de las bacterias, existe lo que conocemos como las temperaturas cardinales de desarrollo. Estas se dividen en tres grupos principales: psicrófilos (-20 a 30 ºC), mesófilos (10 a 45ºC) y termófilos (25 a 80ºC). Los organismos psicrófilos son capaces de vivir a bajas temperaturas y se pueden encontrar en aguas de mar profundas, montañas y regiones polares, lagos congelados y el “permafrost”. A bajas temperaturas pueden ocurrir efectos de choque de frio. Este fenómeno produce disminución en la fluidez de la membrana, afecta el transporte activo secreción de proteínas y la estabilidad de estructuras secundarias de RNA y DNA. Además, reduce la eficiencia del mRNA en transcripción y traducción al igual que hace que el doblamiento de proteínas sea más lentos. Los organismos que viven a estas bajas temperaturas han adaptado sus mecanismos para funcionar de manera óptima a estas condiciones. Dentro de esas adaptaciones esta la presencia de enzimas resistentes a las bajas temperaturas, estas enzimas son más flexibles ya que poseen menos amino ácidos con carga, tienen una reducción de puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas, además que poseen menos cantidad de Prolina y Arginina. Para contrarrestar la formación de cristales poseen unas proteínas “anti-congelantes” que no permite que se formen cristales dentro de la célula. Su sistema de transporte posee una adaptación para que funcionen de manera óptima en bajas temperaturas. La membrana de estas células es más fluida, posee más ácidos grasos con cadenas de metilo, hay un mayor número de proteínas asociadas a la membrana y algunas de ellas poseen carotenoides no polares. Estos organismos pueden ser desde fotosintéticos, quimioautótrofos y quimioheterótrofos. Los organismos opuestos a éstos son los termófilos, que viven a altas temperaturas. Muchos de estos organismos son arqueas y se encuentran mayormente en ambientes extremos como los son volcanes, aguas termals, geiser, fumarolas, etc. Un ejemplo de un organismo termófilos lo es Pyrobaculum calidifontis, la cual produce carboxil esterasas y esterasas termoresistentes. Dentro del metabolismo de estos organismos encontramos aquellos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía (organotrófico) y los que usan compuestos o elementos inorganismos (litotrófico). Un ejemplo de una proteína termoestable presente en estos organismos lo es la beta-galastosidasa.

A diferencia de otros organismos las plantas destinan una cantidad significativa del carbono asimilado y de la energía a la síntesis de una amplia variedad de moléculas orgánicas. Estas moléculas no aparentan tener una función directa en procesos fotosintéticos, respiratorios, asimilación de nutrientes, transporte de solutos o síntesis de proteínas, carbohidratos o lípidos, y se denominan como metabolitos secundarios. Los metabolitos secundarios además de no presentar una función definida en estos procesos difieren también de los metabolitos primarios en que ciertos grupos presentan una distribución restringida en el reino vegetal. En otras palabras, no todos los metabolitos secundarios se encuentran en todos los grupos de plantas. Se sintetizan en pequeñas cantidades y no de forma generalizada. La producción de muchos están restringidos a un determinado género, familia, o incluso especies de plantas. Algunas plantas son resistentes a las temperaturas bajas mientras que otras no lo son. Las plantas deben de estar protegidas para que no se estropeen, ya que a temperaturas bajas las hojas, los tallos, y las raíces se pueden ver afectadas. Los líquidos de la célula al congelarse aumentan de tamaño y rompen la pared celular. Entre las principales consecuencias que el frío puede producir en las plantas se encuentra: daños por falta de absorción de agua, por acción del frío en las raíces, daños en la corteza de los troncos, hojas y brotes tiernos.

Dentro de los organismos eucariotas, solo algunos hongos tienen la habilidad de desarrollarse a temperaturas extremas. Los hongos termofílicos tienen una temperatura de crecimiento mínima de 20C y una máxima de 50C. Estas clases de hongos son los componentes mayoritarios de la microflora que se desarrolla en materiales de plantas amontonados, en productos de la agricultura y en

otras acumulaciones de material orgánico, donde el calor, la humedad y ambientes aeróbicos le proveen las condiciones necesarias para su desarrollo. Mucor pusillus fue el primer hongo termifílico descubierto, el cual fue isolado del pan. Thermomyces lanuginosus es otro ejemplo de hongos que crecen a temperaturas extremas, este específicamente en papas, y Botrytis cinerea que ha sido encontrado en fresas. Además se ha encontrado una diversidad fúngica en carnes congeladas viejas. Se han descubierto otros hongos excepcionales capaces de desarrollarse a temperaturas mayores de 50C. Dentro de este grupo de encuentra Rhizopus microsporus y Aspergillus fumigatus el cual es un hongo que causa enfermedad en pacientes fundamentalmente inmuno-comprometidos con más frecuencia.

Autótrofos-quimio-sintéticos

Los organismos quimio-sintéticos son organismos que obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos. Absorben agua, dióxido de carbono, compuestos nitrogenados simples de ambientes y con ellos sintetizan sustancias orgánicas complejas. Existen diversos grupos de bacterias quimio-sintéticas: bacterias de hidrógeno, bacterias nitrificantes, bacteria de sulfuro y bacterias de hierro. Las bacterias de hidrógeno generan ATP por medio de la oxidación de H2 mediante O2. La energía que se forma es en la forma de ADP y se genera por oxidación de hidrógeno por hidrogenasa mediante la reacción: H2+0.50+NAD+ H2O +NADH + H+. La fijación de CO2 en estas bacterias realizan la siguiente reacción: 2H2 + CO2(CH2O) + H2O. En el caso de las bacterias nitrificantes, estas son importantes para el ciclo de nitrógeno; fijación de nitrógeno. Los organismos más comunes en los suelos que oxidan amonia a nitrito son los Nitrosomas mediante la siguiente reacción 2NH3 + 3O2 2NO2+2H +2H2O. Las Nitrobacter oxidan nitrito a nitrato mediante la siguiente reacción 2NO2 + O2 2NO3. Ambos organismos tienen una mecánica específica para la producción de ATP y la reducción de NAD+ requiere la asimilación del dióxido de carbono. Otro de los grupos de estos organismos son las bacterias de sulfuro, donde se incluye el grupo Thiorhodaceae que crecen en sulfato elemental. Otros organismos de esta categoría son desulfovibrio y desulfotomaculum que se diferencian en la forma en que producen energía. Desulfovibrio no guarda suficiente energía cuando produce para obtener ATP neto mientras que desulfotomaculum usa PPi como fuente de energía. El otro grupo dentro de los organismos autótrofos quimio-sintéticos son las bacterias de hierro las cuales pueden oxidar el ion ferroso al ion férrico para producir energía como lo es Ferrobacillus ferrooxidans que es un autótrofo obligado ya que es incapaz de crecer sólo con el ion ferroso como única fuente de energía. Gallionella, Sphaerotilus y otros organismos oxidantes de hierro son facultativos ya que pueden crecer como heterótrofos y luego pueden regresar a crecer en hierro.

Bacteriorodopsina

Esta proteína se describió la primera vez en el 1971 y se aisló de Halobacterium salinarium, una arquea. Tiene una topología de siete hélices transmembranales y convierte la luz verde (500-650 nm, max 568 nm) a un gradiente de protones electroquímicos hacia fuera de la célula. Esta proteína ayuda a adaptación a ambientes altamente salinos. También, está envuelta en fototaxis mediante la generación de cambios potenciales en la membrana. Se encuentra en la membrana púrpura, es quien provee el color morado/rojizo a muchos organismos fotosintéticos. Mayormente está constituido por amino ácidos hidrofóbicos. La forma en que ocurre la síntesis de energía por esta proteína envuelve seis pasos generales: isomerización, transporte de electrones y cambio de accesibilidad. Dado a sus propiedades fotoeléctricas esta proteína se puede utilizar para fabricar fotodetectores. Además, puede usarse para escritura electrónica, ordenadores portátiles de funcionamiento con luz ya que tiene dos formas estables de la proteína, una morada y otra amarilla. También se puede usar como elemento fotosensitivo en retinas artificiales y chipcards.

Referencias

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