: Bioenergética y Fotosíntesis

1. ¿Qué quiere decir que una reacción es endergónica o exergónica?

Las reacciones endergónicas necesitan un aporte de energía (de cualquier tipo) para llevarse a cabo, mientras que las reacciones exergónicas liberan energía.

2. ¿En qué consiste la oxidación de un compuesto?

La oxidación supone la pérdida de uno o varios electrones por parte de un compuesto.

3. ¿Cómo se denominan los organismos capaces de usar compuestos inorgánicos como donadores de electrones?

Se denominan organismos quimiolitótrofos.

4. ¿Qué diferencia a un organismo fotoautótrofo de un fotoheterótrofo?

La principal diferencia radica en su fuente de carbono, aunque ambos obtienen la energía de la luz:

• Fotoautótrofo: Utiliza la energía de la luz para reducir el CO₂ en compuestos orgánicos.
• Fotoheterótrofo: Utiliza el carbono orgánico como fuente de carbono.

5. ¿De dónde obtienen el poder reductor las bacterias fotótrofas? ¿Y las cianobacterias?

Las bacterias fotótrofas obtienen el poder reductor de fuentes de azufre reducido o de hidrógeno. Las cianobacterias, en cambio, lo obtienen del agua (H₂O).

6. ¿Por qué cada organismo tiene una forma diferente de clorofila que absorbe la luz a diferente longitud de onda?

Este mecanismo permite a los organismos fotótrofos hacer un mejor uso de la energía disponible en el espectro electromagnético. Al tener diferentes pigmentos que absorben la luz a distintas longitudes de onda, se reduce la competencia por la luz, permitiendo la coexistencia de diferentes organismos en un mismo hábitat iluminado. Esto tiene una importante repercusión ecológica.

7. ¿Qué son los clorosomas?

Son sistemas antena gigantes que se encuentran en ciertas bacterias fotótrofas. Absorben una longitud de onda determinada y contienen pigmentos accesorios.

8. ¿Qué función tienen los pigmentos accesorios? ¿Y cuáles son?

Los pigmentos accesorios son los carotenoides y las ficobilinas.

Su función general es la capacidad para absorber la luz y transferir la energía a la clorofila del centro de reacción. Además, tienen funciones específicas:

• Las ficobilinas captan la luz en las cianobacterias mediante el complejo antena.
• Los carotenoides tienen una función fotoprotectora, previniendo el daño fotooxidativo.

9. ¿Cómo se disponen los genes implicados en la fotosíntesis en bacterias fotótrofas púrpuras, tomando como ejemplo Rhodobacter capsulatus? ¿Qué genes lo forman? ¿Qué permite dicha agrupación?

Todos los genes implicados en la fotosíntesis de este microorganismo están agrupados en operones, formando un agrupamiento génico fotosintético que ocupa una región de 50 kpb del cromosoma.

Lo forman genes como bch, crt, puf y puh, cada uno encargado de la síntesis de un componente específico:

• bch: Biosíntesis de bacterioclorofilas.
• crt: Biosíntesis de los carotenoides.
• puf y puh: Dan lugar al centro de reacción y a los fotocomplejos captadores de luz.

Esta agrupación permite que la síntesis de todos estos elementos se produzca de una manera coordinada, esencial para la formación de los fotocomplejos funcionales.

9.1. ¿Cómo se controla la expresión de dichos genes en fotótrofos anoxigénicos?

La expresión está regulada por el oxígeno. El oxígeno inhibe la síntesis de pigmentos en estos organismos, de modo que la fotosíntesis se produce solo en condiciones anóxicas.

Esta regulación se lleva a cabo, en parte, gracias a la proteína CrtJ (codificada por el gen crtJ), que actúa como una proteína reguladora global que reprime la síntesis de las bacterioclorofilas y los carotenoides.

10. ¿Qué elementos son esenciales para que se realice el ciclo de Calvin?

Este ciclo requiere:

• NAD(P)H (poder reductor).
• ATP (energía).
• Dos enzimas clave: la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (RubisCO) y la fosforribulocinasa.

11. ¿Qué son los carboxisomas y cuál es su función?

Los carboxisomas son inclusiones celulares (intracitoplasmáticas) rodeadas de una delgada membrana no unitaria (una monocapa). Consisten en un ordenamiento cristalino de las moléculas de la enzima RubisCO.

Su función es actuar como un mecanismo para aumentar la cantidad total de RubisCO en la célula y concentrar el CO₂ en su interior, permitiendo fijarlo con más rapidez sin aumentar la osmolaridad del citoplasma.

: Quimiolitotrofía y Ciclos Biogeoquímicos

12. ¿Qué significa que un organismo es mixótrofo?

Un organismo mixótrofo es capaz de obtener energía a partir de la oxidación de un compuesto inorgánico (como un quimiolitótrofo), pero requiere compuestos orgánicos como fuente de carbono.

13. ¿En qué consiste el sistema Sox?

El sistema Sox se encuentra en bacterias del azufre, como Paracoccus pantotrophus. Es un sistema de oxidación del sulfuro y tiosulfato funcionalmente distinto. Este sistema puede oxidar compuestos reducidos de azufre directamente a sulfato (SO₄²⁻), sin la formación intermedia de sulfito, lo que aumenta la eficiencia energética.

Este sistema comprende 15 genes que codifican para distintos citocromos y otras proteínas necesarias.

14. ¿Qué es la nitrificación?

Es la oxidación de los compuestos nitrogenados inorgánicos, como el amoniaco (NH₃) y el nitrito (NO₂⁻), de forma aerobia, llevada a cabo por las bacterias nitrificantes.

15. ¿Qué es el proceso Anammox?

El proceso Anammox (Oxidación Anaerobia del Amonio) es la oxidación del amoniaco en condiciones anóxicas. El amoniaco se oxida utilizando el nitrito como aceptor de electrones para producir nitrógeno gaseoso (N₂).

16. ¿Dónde se produce dicho proceso?

El proceso Anammox se produce en un orgánulo especializado denominado Anammoxosoma. Esta estructura está rodeada por una membrana unitaria formada por lípidos muy densos (anillos de 4 carbonos conectados por enlaces éster) que evita la difusión de compuestos muy tóxicos que se producen en su interior, como la hidrazina, la cual se degrada por completo a nitrógeno dentro del orgánulo.

16.1. ¿Qué beneficio medioambiental confiere el proceso Anammox?

Es muy beneficioso para el tratamiento de aguas residuales, ya que la eliminación anóxica de amoniaco o aminas, junto con la producción de nitrógeno gaseoso, ayuda a disminuir la contaminación nitrogenada fija en los ríos y corrientes, manteniendo una gran calidad de agua.

17. ¿En qué consiste la fijación del Nitrógeno?

Consiste en la utilización del nitrógeno gaseoso (N₂) como fuente de nitrógeno celular. En este proceso, el nitrógeno se reduce a amoniaco (NH₃) y se convierte en un compuesto orgánico.

17.5. ¿Quién cataliza esta reacción?

La catálisis se lleva a cabo por el complejo enzimático denominado nitrogenasa.

18. ¿Quién inhibe este proceso?

El oxígeno. La fijación del nitrógeno se inhibe porque la dinitrogenasa-reductasa, un componente del complejo nitrogenasa, se inactiva rápidamente y de forma irreversible por el oxígeno.

19. ¿Todas las nitrogenasas se inhiben por oxígeno?

No. La nitrogenasa de la bacteria Streptomyces, por ejemplo, es insensible al oxígeno.

19.2. ¿De qué modo empleado con frecuencia se puede medir la fijación de nitrógeno? ¿En qué se basa?

El método más frecuente es el ensayo de reducción de acetileno. Se basa en que las nitrogenasas clásicas no son completamente específicas para el nitrógeno y también reducen otros compuestos con triples enlaces, como el cianuro (CN⁻) y el acetileno. Al reducirse, el acetileno se transforma en etileno.

La técnica para medir esto es la cromatografía de gases, que detecta y cuantifica el etileno producido. La cantidad de etileno es un indicador indirecto y proporcional de la actividad nitrogenasa.

19.3. ¿Qué genes determinan la regulación de la nitrogenasa en Klebsiella pneumoniae?

Se denominan regulón nif (Nitrogen Fixation), que incluye los genes estructurales de la nitrogenasa, otros genes accesorios y los reguladores.

21. Regulación del mecanismo de fijación de nitrógeno en Klebsiella pneumoniae

21.1. ¿Cómo se regula?

La regulación es muy estricta y se realiza principalmente a nivel de la transcripción, determinada por dos estímulos reguladores principales: el oxígeno (que la reprime) y el nitrógeno fijado (amoniaco).

Regulación por Oxígeno y Nitrógeno:

• La proteína NifA es un regulador positivo que activa la transcripción de los genes estructurales del regulón nif.
• La proteína NifL es un regulador negativo. Detecta el oxígeno (gracias a una molécula de FAD) y, si está presente, inhibe la síntesis de otros genes nif, bloqueando la síntesis de nitrogenasa.
• La proteína NtrC responde a la cantidad de nitrógeno fijado (amoniaco). Si hay poco amoniaco, NtrC se activa, lo que a su vez activa a NifA, aumentando la transcripción de los genes nif y, por lo tanto, la fijación de nitrógeno. Si hay mucho amoniaco, NtrC bloquea la síntesis de nitrogenasa.

Regulación de la actividad enzimática (Apagado de la Nitrogenasa):

La actividad de la enzima ya sintetizada está regulada por el amoniaco. Este mecanismo se conoce como el efecto interruptor del amoniaco y se da en muchas proteobacterias fotótrofas y algunas fijadoras de nitrógeno quimiótrofas.

Cuando el amoniaco está elevado, se une a la nitrogenasa y, mediante una modificación covalente, la nitrogenasa reductasa cambia su conformación y pierde la actividad enzimática. Este proceso es reversible: cuando el amoniaco disminuye, la nitrogenasa recupera su función.

21.2. ¿Por qué las bacterias del hierro deben oxidar grandes cantidades de hierro para crecer? ¿En qué tipo de ambientes son abundantes las bacterias oxidadoras del hierro?

Las bacterias del hierro deben oxidar grandes cantidades de hierro ferroso (Fe²⁺) para crecer porque, especialmente a pH ácido, solo se puede extraer una pequeña cantidad de energía a partir de esta oxidación a hierro férrico (Fe³⁺).

Son abundantes en ambientes con contaminación ácida, como las escorrentías de las minas de carbón.

: Metabolismo C1 y Pentosas

22. ¿A qué se considera microorganismos metilótrofos y metanótrofos?

• Metilótrofos: Son microorganismos que utilizan compuestos de un solo carbono (C1), es decir, compuestos orgánicos sin enlaces carbono-carbono, como donadores de electrones y también como fuente de carbono.
• Metanótrofos: Son un tipo de metilótrofos que utilizan el metano como compuesto de C1.

23. Enumera los tipos de metanótrofos que existen y describe en base a qué se clasifican.

Los metanótrofos se clasifican en dos tipos dependiendo de la vía que utilizan para incorporar los compuestos C1 al material celular:

• Tipo 1: Utilizan la vía de la ribulosa monofosfato.
• Tipo 2: Utilizan la vía de la serina.

24. ¿Para qué son muy importantes las pentosas?

Las pentosas son esenciales para participar en la síntesis de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

25. ¿Mediante qué vía se pueden obtener los azúcares pentóxidos o las pentosas que dan lugar a los ácidos nucleicos?

Se obtienen mediante la vía de las pentosas-fosfato. Esta ruta metabólica permite obtener las pentosas necesarias para sintetizar nucleótidos. El intermediario clave es la Ribulosa 5-fosfato.

: Metabolismo Asimilador, Desasimilador y Procesos Especializados

26. ¿A qué se considera metabolismo asimilador?

Es un proceso donde se reduce un compuesto inorgánico (como CO₂, sulfato SO₄²⁻ o nitrato NO₃⁻) para utilizarlo en la biosíntesis de componentes celulares.

27. ¿A qué se considera metabolismo desasimilador?

Se emplean los mismos compuestos inorgánicos (nitrato, sulfato, etc.) como aceptores de electrones, por lo tanto, se reducen, pero la finalidad es la obtención de energía (metabolismo energético), no la biosíntesis.

27.1. ¿Qué enzima cataliza la reducción del nitrato?

Es la nitrato reductasa.

27.2. ¿En qué consiste la desnitrificación?

Es la producción de nitrógeno gaseoso (N₂) por bacterias que emplean nitrato en la respiración anaerobia.

28. ¿Mediante qué procesos se conserva la energía en la metanogénesis?

La energía se conserva principalmente mediante dos procesos:

• Fuerza protón-motriz: Generación de un gradiente de protones acoplado a una ATP sintasa para sintetizar ATP.
• Fuerza sodio-motriz: Generación de un gradiente de iones sodio (Na⁺) acoplado a una bomba de sodio para sintetizar ATP.

29. ¿Se puede oxidar el metano en condiciones anóxicas?

Sí. Este proceso se da en los sedimentos marinos y se realiza gracias a consorcios microbianos. Estos consorcios están formados por bacterias reductoras del sulfato y arqueas de tipo metanógeno que, en el consorcio, se comportan como metanótrofos. Las arqueas oxidan el metano a CO₂ y ceden los electrones al sulfato, que es utilizado por las bacterias reductoras del sulfato.

29.1. ¿Qué vía emplean los acetógenos para reducir el CO₂ a acetato?

Emplean la vía del acetil-CoA.

29.2. ¿Qué importancia medioambiental tiene la reducción del seleniato? ¿Y la reducción del arseniato?

• Reducción del seleniato: Es importante en la eliminación del selenio del agua y los suelos contaminados, un proceso conocido como biorremediación.
• Reducción del arseniato: La reducción inicial de arseniato a arsenito puede producir un efecto tóxico, ya que el arsenito gana movilidad y puede contaminar aguas subterráneas. Sin embargo, algunos microorganismos, como las bacterias reductoras del sulfato (ej. Desulfotomaculum), pueden reducir el arseniato a arsenito junto con el sulfato, lo que provoca la precipitación de un complejo mineral de arsénico y sulfuro (As₂S₃). Este proceso se denomina biomineralización y ayuda a detoxificar el arsénico.

29.3. ¿En qué consiste la decloración reductora?

También llamada deshalorrespiración, es un proceso en el cual numerosos compuestos clorados actúan como aceptores de electrones para la respiración anaerobia.

: Fermentaciones y Regulación Génica

30. ¿Cómo se genera típicamente el ATP en las fermentaciones?

El ATP se genera mediante el proceso de fosforilación a nivel de sustrato.

31. En el caso de la fermentación del ácido láctico, tenemos dos tipos de fermentación, ¿cuáles son?

Los dos tipos son:

• Homofermentativa: Solo se produce un único producto principal, el ácido láctico (lactato).
• Heterofermentativa: Se producen más productos, como el etanol y el CO₂, además del ácido láctico.

32. ¿Qué importancia tiene la fermentación de azúcares en las especies Clostridium para el ser humano?

Muchas especies de Clostridium fermentan azúcares produciendo ácido butírico como producto principal. Otras también producen productos neutros como la acetona y el butanol. Esto es de gran importancia industrial, ya que estos compuestos son utilizados como disolventes industriales.

33. ¿Qué quiere decir el sintrofismo?

El sintrofismo es una situación de cooperación metabólica en la que dos organismos degradan juntos algún compuesto que ninguno de ellos podría degradar por separado.

34. ¿De qué manera los científicos pueden identificar cuál es la función de la lactosa en el Operón lac?

El Operón lac es un operón inducible. Los científicos descubrieron su función mediante el estudio de mutaciones constitutivas (mutaciones que hacen que los genes se expresen de forma continua, independientemente del estímulo inductor, en este caso, la lactosa).

Las regiones que, al mutarse, hacían que el operón se volviera constitutivo fueron:

• El gen lacI, que codifica el represor del operón. Si lacI está mutado, el represor no se sintetiza o es inactivo, por lo que el sistema siempre se expresa.
• La región operadora (donde se une el represor). Si esta región está mutada, el represor no puede unirse al ADN, y la transcripción procede sin control.

Estas mutaciones demostraron que la función normal de la lactosa es actuar como inductor, inactivando al represor.

35. Existe un Operón llamado arabinosa que está controlado por una proteína reguladora que ejerce un control positivo o negativo a la vez. ¿Qué tipo de control realiza el Operón de la arabinosa?

El Operón de la arabinosa realiza ambos tipos de control (positivo y negativo) mediante la proteína reguladora AraC.

AraC se expresa solamente cuando hay arabinosa (un monosacárido pentosa) en el medio. AraC interactúa con dos regiones reguladoras: araI y araO₂.

• Control Positivo (Inducción): Ocurre cuando hay arabinosa y AMPc (lo que indica ausencia de glucosa). AraC se une solo al sitio araI, el sistema se induce y se sintetizan las enzimas para metabolizar la arabinosa.
• Control Negativo (Represión): Ocurre cuando no hay arabinosa ni AMPc (lo que indica presencia de glucosa). AraC se une tanto al sitio araI como a araO₂. AraC tiene la propiedad de formar dímeros, y al unirse a ambas regiones, el ADN cambia su conformación y forma un lazo de ADN. Este bucle impide que la ARN polimerasa se una al promotor, reprimiendo la expresión del operón.