CAPITULO N 09

CAPITULO IX
FOTOTROFÍA
9.1. FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA Y ANOXIGÉNICA EN EL MUNDO MICROBIANO
La fototrofía es la capacidad de captar energía de la luz. Aunque la capacidad de usar
la luz como fuente para generar ATP (fotofosforilación) depende de un mecanismo
característico, tiene en común con la fosforilación oxidativa el hecho de que produce
también un gradiente electroquímico de protones a ambos lados de una membrana, el
cual a su vez alimenta ATP-sintasas. Estrictamente hablando, la fotosíntesis alude a la
fotoautotrofía, es decir, la combinación de fototrofía o captación de esa energía
lumínica (obtenida en la "fase luminosa") con su empleo para fijar el CO2 (autotrofía)
hasta material celular ("fase oscura").
Haciendo abstracción del tipo de donante de electrones, la ecuación general de
la fotosíntesis sería:
Energía de la luz (hn)
2 H2A + CO2 -----------> [CH2O] + H2O + 2 A

En cianobacterias, algas y plantas verdes, H2A = H2O, como agente reductor.
Por lo tanto, al oxidarse se genera O2 (fotosíntesis oxigénica). Figura N° 9.1.

En bacterias fotosintéticas anoxigénicas H2A puede ser H2, SH2, S2O3-, etc.
Evidentemente, no pueden liberar oxígeno (fotosíntesis anoxigénica).

Por otro lado, existen procariotas fototrofos que captan la energía de la luz, pero
emplean materia orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan
fotoheterotrofos.

Más de la mitad de la fotosíntesis de nuestro planeta se debe a bacterias
fotosintéticas. Cuadro Nº 9.1.
345
Figura N° 9.1. Una Visión Simplificada de los tipos de fotosíntesis
Fuente: (Corzo Varillas J. 2003)
Cuadro Nº 9.1. Ciertas características de los diferentes tipos de microorganismos
fotosintetizadores
Fuente: (Cortez, E. et al. 2005)
346
Figura Nº 9.2. Árbol filogenético eubacteriano basado en datos de ARN 16S
Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).
Muchos microorganismos son capaces de usar la luz como fuente de la energía
(fototrofía). De éstos, Cyanobacteria y las algas son particularmente significativas
porque son oxigénicas, usando agua como donador de electrones para la transferencia
del electrón durante la fotosíntesis (Figura Nº 9.2). Junto con las plantas, estos
microorganismos son responsables de toda la generación biológica de oxígeno sobre
la Tierra.
En cierto sentido, todos los generadores biológicos de oxígeno descienden de estos
microorganismos puesto que los cloroplastos fueron adquiridos por endosimbiosis de
347
un linaje de Cyanobacteria. Así, los principios generales del metabolismo en
Cyanobacteria se pueden también aplicar a los cloroplastos.
9.1.1. Fotosíntesis oxigénica
La fotosíntesis oxigénica es la modalidad de fotosíntesis en la que el agua es el
donante primario de electrones y que, por lo tanto, libera oxígeno (O2) como
subproducto. Figura Nº 9.3.
Figura Nº 9.3. Modalidad de Fotosíntesis Oxigénica
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
Esta modalidad metabólica es propia de las cianobacterias y de sus descendientes
por endosimbiosis, los diversos tipos de cianelas y plastos que se observan en las
(algas) eucarióticas y en las plantas.
Las otras bacterias y arqueobacterias fotosintéticas recurren a otros donantes de
electrones, como el sulfuro o el hidrógeno. A partir de que la fotosíntesis oxigénica
apareciera en cianobacterias y se convirtiera en la forma principal de metabolismo
348
autótrofo, la atmósfera terrestre empezó a enriquecerse en oxígeno, hasta entonces
casi ausente.
En palabras simples, el proceso de combinación de dióxido de carbono con agua para
formar azúcar, resulta en un exceso de oxígeno, el cual es liberado.
En la Fotosíntesis oxigénica la generación de ATP y poder reductor se lleva a cabo en
dos centros de reacción fotoquímica diferentes llamados Fotosistema I (PSI) y
Fotosistema II (PSII), los cuales contienen clorofila y se localizan en las membranas de
los tilacoides. Estos dos fotosistemas actúan de una manera conjunta en
cianobacterias, algas y plantas.
a)
Cuando la luz es absorbida por las moléculas de clorofila existentes en el PSI,
éstas moléculas de clorofila se fotoactivan lo que les permite oxidarse. Los
electrones eliminados de las moléculas de clorofila del PSI son aceptados por
el NADP reduciéndose a NADPH2.Todo esto deja a las moléculas de clorofila
del PSI temporalmente deficientes en electrones lo que les confiere una carga
positiva.
b)
De la misma manera, la luz absorbida por las moléculas de clorofila existentes
en el PSII provoca que un electrón sea eliminado de cada molécula. Estos
electrones pasan a través de un sistema transportador de electrones hasta que
llegan al PSI donde son aceptados por las moléculas de clorofila deficientes en
electrones que se reducen. Este sistema transportador de electrones es
parecido al descrito en la fosforilación oxidativa, utilizándose la energía
liberada para la síntesis de ATP.
La diferencia radica en que el donador primario de electrones es la clorofila del PSII y
el aceptor terminal de electrones es la clorofila del PSI (NADH2 y O2 respectivamente
en la fosforilación oxidativa).
En este punto la clorofila del PSII es deficiente en electrones. Sin embargo, esta
clorofila es un fuerte agente oxidante que obtiene los electrones necesarios para
reducirse de las moléculas de H2O.
Esta oxidación del H2O genera oxígeno gaseoso. Las cianobacterias, algas y plantas
son organismos que generan oxígeno mediante la fotosíntesis oxigénica, siendo los
349
responsables de la producción mayoritaria del oxígeno que existe en la atmósfera
terrestre. Figura Nº 9.4.
La atmósfera de la primitiva Tierra no contenía oxígeno hasta que se desarrollaron las
cianobacterias hace entre 1000 y 3000 millones de años.
El desarrollo de los organismos aerobios sólo fue posible después de que se
acumularan en la atmósfera apreciables cantidades de O2 (generado mediante la
fotosíntesis oxigénica de las cianobacterias).
Además de la fotosíntesis oxigénica, muchas bacterias pueden también fotosintetizar
de forma anaerobia, típicamente con sulfuro de hidrógeno (H2S) como donador de
electrones para producir sulfato. El azufre inorgánico (S0), tiosulfato (S2O32-) y el hierro
ferroso (Fe2+) son también usados por algunos organismos.
Figura Nº 9.4. Comparativo de la fosforilación Cíclica y la fosforilación No cíclica.
Fuente: (Voet, D. y J. G. Voet. 2006)
Filogenéticamente, todas las bacterias fotosintéticas oxigénicas descienden de
Cyanobacteria, mientras que las bacterias fotosintéticas anoxígenas pertenecen a las
bacterias púrpuras (Proteobacteria), a las bacterias verdes del azufre (por ejemplo,
Chlorobium), a las bacterias verdes no del azufre (por ejemplo, Chloroflexus) o a
350
Heliobacteria (bacterias Gram positivas de contenido GC bajo). Además de estos
organismos, algunos otros (por ejemplo la archaea Halobacterium o la bacteria
Roseobacter, entre otras) pueden utilizar la luz para producir energía usando la enzima
bacteriorodopsina. Este tipo de metabolismo no se considera fotosíntesis sino
fotofosforilación, puesto que genera energía, pero no fija directamente el carbono.
Como consecuencia de la diversidad de bacterias fotosintéticas, existen numerosos
mecanismos por los cuales la luz es convertida en energía para el metabolismo. Todos
los organismos fotosintéticos localizan sus centros de reacción fotosintéticos dentro de
membranas, que pueden ser invaginaciones de la membrana citoplásmica (bacterias
púrpuras),
membranas
del
tilacoide
(Cyanobacteria),
estructuras
en
antena
especializadas llamadas los clorosomas (las bacterias verdes del azufre y no del
azufre) o la membrana citoplásmica en sí misma (heliobacteria). Diversas bacterias
fotosintéticas también contienen diversos pigmentos fotosintéticos tales como clorofilas
y carotenoides permitiendo que se aprovechen diversas porciones del espectro
electromagnético y de este modo habiten diversas zonas. Algunos grupos de
organismos contienen estructuras captadoras de luz más especializadas, por ejemplo,
ficobilisomas en Cyanobacteria y clorosomas en las bacterias verdes del azufre y no
del azufre, aumentando la eficiencia en la utilización de la luz.
9.1.2. Fotosíntesis anoxígena
Los
fototrofos
anoxigénicos
convierten
la
energía
de
la
luz
en
energía química necesaria para el crecimiento; sin embargo, y al contrario que las
plantas, algas y cianobacterias en este proceso de transformación de la energía no se
produce oxígeno y por ello se le llama fotosíntesis anoxigénica. Otra diferencia es que
351
los fototrofos anoxigénicos contienen un tipo de clorofila, bacterioclorofila, diferente a la
clorofila de las plantas. Estas bacterias contienen además carotenoides, pigmentos
encargados de la absorción de la energía de la luz y posterior transmisión a la
bacterioclorofila.
El color de estos pigmentos son los que le dan el nombre a estas bacterias: bacterias
rojas y bacterias verdes (Cuadro Nº 9.2). En las cianobacterias estos pigmentos
captadores de luz son las ficobilinas, de ahí su nombre: bacterias azules
(cianobacterias).
Cuadro Nº 9.2. Bacterias fotosintéticas
Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).
En las bacterias rojas y bacterias verdes sólo existe un fotosistema, de tal manera que
la energía absorbida de la luz se utiliza para transportar un electrón desde la clorofila a
la cadena de transporte de electrones que finalmente cede el electrón a la misma
352
clorofila. En esta cadena de transporte de electrones se genera la energía necesaria
para sintetizar ATP. Sin embargo, el transporte de electrones es cíclico (el donador
primario de electrones y el aceptor terminal de electrones es la misma clorofila) no
existiendo por lo tanto reducción de NADP a NADPH.
Esta reducción se lleva a cabo mediante transporte inverso de electrones gracias a los
electrones donados por el hidrógeno gaseoso (H2) o el sulfuro de hidrógeno (H2S). En
cualquier caso nunca se produce O2. Figura Nº 9.5.
Figura Nº 9.5. Modalidad de Fotosíntesis Anoxigénica.
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
Este grupo bacteriano está dividido en 7 subgrupos. Son células Gram negativas, de
forma esférica, espiral, bacilar o vibroide. Se organizan en agregados regulares o
irregulares, unicelulares o formas filamentosas multicelulares. Presentan pigmentos
fotosintéticos localizados en la membrana citoplasmática (subgrupo 4), y en varios
tipos de sistemas de membrana intracitoplasmático (subgrupo 1-3 ) o en clorosomas
(subgrupo 5 y 6). El color de las suspensiones celulares varía de púrpura-violeta a
púrpura roja, rojo-rosado, amarillo, café y verde. Todas tienen en común la presencia
de bacterioclorofila y pigmentos carotenoides.
353
Presentan crecimiento fotoautotrófico o fotoorganotrófico en condiciones anaeróbicas o
microaeróbicas. En contraste a la fotosíntesis oxigénica de cianobacterias, presentan
una fotosíntesis anoxigénica la cual es dependiente de un donador externo de
electrones, tal como compuesto de azufre reducido, hidrógeno molecular o compuestos
orgánicos. Durante la oxidación del sulfuro glóbulos de azufre son formados
transitoriamente almacenados dentro de la célula (subgrupo 1) o fuera de la célula (2 y
5). Almacenan polisacáridos, poli-b -hidroxibutirato y polifosfato.
Se desarrollan en ambientes anóxicos de suelos húmedos y en ambientes acuáticos,
agua dulce, marina y ambientes hipersalinos.
Bioquímicamente, la fotosíntesis anoxígena es muy diferente de la fotosíntesis
oxigénica. Las Cyanobacteria (y por extensión los cloroplastos) usan un esquema Z de
flujo de electrones que es utilizado eventualmente para formar NADH. Se utilizan dos
centros reactivos distintos (fotosistemas) y la fuerza motiva del protón es generada
usando un flujo cíclico de electrones y quinona. En las bacterias fotosintéticas
anoxigénicas el flujo de electrones es cíclico, transferiendo los electrones de nuevo,
una vez empleados en la fotosíntesis, al único centro de la reacción. Se genera la
fuerza motiva protón usando solamente quinona. En Heliobacteria y en las bacterias
verdes del azufre y no del azufre se forma NADH usando la proteína ferredoxina, una
reacción energéticamente favorable. En las bacterias púrpuras se forma NADH
mediante el flujo inverso de electrones debido al potencial químico más bajo de este
centro de reacción. En todos los casos, sin embargo, se genera y se utiliza la fuerza
motiva de un protón para conducir la producción de ATP vía una ATPasa.
Las bacterias únicamente son poseedoras de fotosistemas I, de manera que al carecer
de fotosistemas II no están capacitadas para usar al agua como dador de electrones, y
en consecuencia, no producen oxígeno al realizar la fotosíntesis. En función de la
molécula que emplean como dador de electrones y el lugar en el que acumulan sus
productos, es posible diferenciar tres tipos de bacterias fotosintéticas: las sulfobacterias
purpúreas se caracterizan por emplear sulfuro de hidrógeno (H2S) como dador de
electrones y por acumular el azufre en su interior; las sulfobacterias verdes también
utilizan al sulfuro de hidrógeno, pero a diferencia de las purpúreas no acumulan azufre
354
en su interior; y finalmente, las bacterias verdes carentes de azufre usan materia
orgánica, tal como ácido láctico, como donadora de electrones.
En las bacterias purpúreas, los fotosistemas I están presentes en la membrana
plasmática, mientras que en las bacterias verdes, estos se encuentran en la membrana
de ciertos orgánulos especiales. Los pigmentos fotosintéticos están constituidos por
las bacterioclorofilas a, b, c, d y e, así como también por los carotenos; por otra parte,
lo más frecuente es que la molécula diana sea la denominada P890.
Al igual que sucede en la fotosíntesis oxigénica, existe tanto una fase luminosa como
una oscura, distinguiéndose en la primera un transporte de electrones acíclico y otro
cíclico. Mientras en el cíclico únicamente se obtiene ATP, en el acíclico se reduce el
NAD+ a NADH, que posteriormente es empleado para la reducción del CO2, NO3-, entre
otros. El NADH también puede ser obtenido en ausencia de luz, gracias al ATP
procedente del proceso cíclico. Figura Nº 9.7.
Figura Nº 9.7. Potencial de Reducción de la Fotosíntesis Anoxigénica
Fuente: (Purves, W.K., Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller, H.C. 2002)
355
La mayoría de los microorganismos fotosintéticos son autótrofos, fijando dióxido de
carbono vía el ciclo de Calvin. Algunas bacterias fotosintéticas (por ejemplo,
Chloroflexus) son fotoheterótrofos, lo que significa que utilizan compuestos orgánicos
como fuente de carbono para el crecimiento. Algunos organismos fotosintéticos
también son capaces de fijar nitrógeno.
9.2. GRUPOS DE BACTERIAS FOTOTROFAS
Los microorganismos no pueden obtener su energía únicamente de la oxidación de
compuestos inorgánicos y orgánicos, sino que muchos pueden capturar la energía
luminosa y utilizarla para sintetizar ATP y NADH o NADPH. Este proceso es atrapada y
convertida en energía química recibe el nombre de fotosíntesis.
Las bacterias fotosintéticas realizan una parte muy importante de la transformación y
generación de la materia orgánica de lagos y ríos.
Su existencia es determinante en el frágil equilibrio energético de este planeta.
Estudiarlas es de gran importancia. En México existen ya algunos grupos interesados
en estos microorganismos y en sus mecanismos de transformación y conservación de
la energía solar.
Un organismo fotosintético generalmente incorpora y reduce CO2, reacciones éstas
que se consideran parte de este proceso. La fotosíntesis es uno de los procesos
metabólicos más importantes que ocurren en nuestro planeta debido a que casi toda
nuestra energía procede en último término de la energía solar.
La energía solar proporciona a los organismos fotosíntesis el ATP y el NADPH
necesarios para sintetizar la materia orgánica requerida para el crecimiento. A su vez,
estos organismos sirven como base de la mayoría de las cadenas alimentarias de la
biosfera.
La fotosíntesis también es responsable de reponer nuestras provisiones de O2, un
proceso crucial que es realizado por diversos organismos, tanto eucariotas como
procariotas.
Aunque la mayoría de las personas asocian la fotosíntesis a las plantas superiores más
evidentes, más de la mitad de la fotosíntesis de nuestro planeta es realizada por
microorganismos.
356
9.2.1. Diversidad de organismos Fotosintéticos
Existen tres grupos de bacterias Gram negativas fotosintéticas:

Cianobacterias.

Bacterias rojas del azufre y no del azufre.

Bacterias verdes.
Estos organismos pueden vivir utilizando CO2 como única fuente de carbono y algunos
son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Cuadro Nº 9.3.
Cuadro Nº 9.3. Grupos de organismos Fotosintéticas Eucariotas y Procariotas.
Organismos eucariotas
Organismos procariotas
Plantas superiores
Cianobacterias
Algas
verdes,
pardas
y
rojas Bacterias verdes del azufre
multicelulares
Algas unicelulares
(p.
ej.
Euglenoides,
Bacterias verdes no sulfúreas
dinoflagelados, Bacterias púrpuras del azufre
diatomeas)
Bacterias púrpuras no sulfúreas
Prochloron
Fuente: (Cortez, E. et al. 2005)
9.2.2. Ecología de las bacterias fotosintéticas
Cianobacterias: ocupan hábitat muy amplios: aguas (dulces o saladas), suelos,
ambientes extremos (desiertos, Antártida), en vida libre o en simbiosis.

Ecosistemas terrestres: beneficiosas como productores primarios y fijadores de
N2

Ambientes acuáticos. Ver problemas: eutroficación y floraciones (blooms).
357
Bacterias del azufre (tanto rojas como verdes). Hábitat muy especiales: ambientes
acuáticos anaerobios con luz y presencia de H2S ó H2.
Estas condiciones se presentan en tres tipos de sistemas:

En lagos profundos meromícticos, donde tiene lugar una estratificación
permanente o estacional de las aguas.

En estanques de poca profundidad, ricos en materia orgánica, CO2, H2 y,
generalmente, H2S, producidos por bacterias anaeróbicas de los sedimentos,
constituyendo los denominados tapetes microbianos.
9.2.3. Pigmentos de las Bacterias Fotosinteticas
Las bacterioclorofilas son unos pigmentos fotosintéticos que se encuentran en
varias bacterias fototrofas. Están relacionadas con las clorofilas, que son los pigmentos
primarios en plantas, algas y cyanobacterias.
Los grupos que contienen bacterioclorofila realizan la fotosíntesis pero no producen
oxígeno. Usan longitudes de onda de luz que no son absorbidas por las plantas.
Cuadro Nº 9.4.
Los diferentes grupos contienen diferentes tipos de bacterioclorofila:

Bacterioclorofila a, Bacteria púrpura, Chloracidobacterium thermophilum.1

Bacterioclorofila b, Bacteria púrpura.

Bacterioclorofila c, Bacteria verde del azufre, Chloroflexi, Chloracidobacterium
thermophilum.

Bacterioclorofila d, Bacteria verde del azufre.

Bacterioclorofila e, Bacteria verde del azufre.

Bacterioclorofila g, Heliobacteria.
Las bacterioclorofilas c y d son clorinas, con un anillo pirrol reducido, y las restantes
son bacterioclorinas, con dos.
358
Cuadro Nº 9.4. Tipos de Bacterioclorofilas en los grupos microbianos.
Pigmento
Bacteriana grupo
en el infrarrojo
máximo de absorción
in vivo (nm)
Bacterioclorofila a
Las bacterias púrpuras
(= Proteobacteria ),
805, 830-890
thermophilum
Chloracidobacterium
Bacterioclorofila b
Púrpura bacterias
835-850, 1020-1040
Bacterioclorofila c
azufre, las bacterias
verdes , Chloroflexi ,
"Cab. thermophilum"
745-755
Bacterioclorofila c s
Verdes no sulfúricas
bacterias
740
Bacterioclorofila d
Verde azufre bacterias
705-740
Bacterioclorofila e
Verde azufre bacterias
719-726
Bacterioclorofila g
Heliobacteria
670, 788
Bacterioclorofilas a, b son bacteriochlorinas, con dos anillos de pirrol reducido (B y D),
bacterioclorofilas c, d, e se clorinas, con una reducción de pirrol ring "(D), mientras que
bacterioclorofila g es único.
Fuente: (C.K. Mathews, K.E. Van Holde y K.B. Ahern, 2002).
Otros pigmentos fotosintéticos también absorben la energía luminosa. Entre éstos, los
más extendidos son los carotenoides, moléculas largas generalmente de color amarillo
que poseen un extenso sistema de dobles enlaces conjugados.
El -caroteno está presente en Prochloron y en la mayoría de las divisiones de las
algas, la fucoxantina se encuentra en diatomeas, dinoflagelados y algas pardas
(Phacophyta). Las algas rojas y las cianobacterias poseen pigmentos fotosintéticos
denominados ficobiliproteínas, formadas por una proteína unida a un tetrapirrol.
La ficoeritrina es un pigmento rojo con una absorción máxima en 550 nm, y la
ficocianina es un pigmento azul (absorción máxima en 620 y 640 nm).
359
Figura Nº 9.9. Estructura química de los Pigmentos fotosintéticos
Estructura de las bacterioclorofilas. R
puede ser fitilo o geranilgeranilo. la
bacterioclorofila b difiere basicamente de la a en R3 =(CH-CH3).
Fuente: (J. Koolman y K–H Röhm, 2004).
360
9.3. FISIOLOGÍA DEL CRECIMIENTO FOTOTRÓPICO EN LAS BACTERIAS
PÚRPURAS Y VERDES
9.3.1. Bacterias púrpuras
Incluidas
en
el
Phylum
Proteobacteria.
Unicelulares,
móviles
por
flagelos.
Metabólicamente muy versátiles:
-
Condiciones anaerobias y luz: fijan N2 y crecen fotoautotróficamente o
fotoheterotróficamente
-
Condiciones aerobias: quimioheterótrofas.
Las bacterias púrpuras o bacterias púrpuras fotosintéticas.
Son proteobacterias fototrofas, esto es, capaces de producir energía a través de
la fotosíntesis.
Poseen
pigmentos
de
bacterioclorofila a o b,
junto
con
varios carotenoides. Estos les proporcionan unos colores que incluyen el púrpura, rojo,
marrón y naranja. La fotosíntesis tiene lugar en centros reactivos sobre la membrana
celular, la cual se dobla dentro de la célula para formar sacos, tubos u hojas,
incrementando la superficie disponible.
Como la mayoría de las demás bacterias fotosintéticas, las bacterias púrpuras no
producen oxígeno porque el agente reductor implicado en la fotosíntesis no es el agua.
Se dividen en dos subgrupos: del azufre y no del azufre. Cuadro Nº 9.5.
Cuadro Nº 9.5. Bacterias púrpuras del azufre y no del azufre
Fuente: (Berenger J. y J. L. Sanz. 2002)
361
a. Bacteria púrpura del azufre
En
algunas,
llamadas bacterias
púrpuras
del
azufre,
el
agente
reductor
es sulfuro o azufre. En el pasado los distintos grupos eran consideradas familias, pero
los árboles de ARN indican que las bacterias púrpuras comprenden una variedad
de grupos separados, cada uno más relacionado con proteobacterias no-fotosintéticas
que con los otros grupos.
Las bacterias púrpuras del azufre se incluyen en el subgrupo gamma y forman el
orden Chromatiales. La semejanza entre la maquinaria fotosintética en estas diversas
líneas indica que tuvieron un origen común, bien de algún antepasado común o
conseguida por transferencia lateral.
Bacterias rojas del azufre: Chromatium Chromatium es un género de bacterias Gramnegativas encontradas en agua. Metabólicamente se clasifican dentro de las bacterias
púrpuras (o rojas) del azufre con capacidad fotosintética.
b. Bacteria púrpura no del azufre
Las bacterias púrpuras
no
del
azufre,
típicamente
el
agente
reductor
es hidrógeno aunque algunas pueden utilizar otros compuestos en cantidades
pequeñas,
se
incluyen
entre
los
subgrupos
de proteobacterias alfa
y
beta,
comprendiendo:

Rhodospirillales
Rhodospirillaceae es una familia de proteobacterias. La mayoría son bacterias
púrpuras no del azufre, produciendo energía a través de la fotosíntesis (inicialmente
todas las bacterias púrpuras no del azufre se incluían aquí). Se encuentran a menudo
en ambientes acuáticos anaerobios, tales como fango y agua estancada, aunque
también pueden sobrevivir en presencia de aire.

Esta familia también incluye a Magnetospirillum, que contiene minúsculas
cadenas de la magnetita. Éstas les permiten detectar el campo magnético de la tierra,
que corre tanto hacia abajo como de norte a sur, para volver al fondo de una charca
362
(magnetotaxis). Cadenas similares de magnetita se han encontrado en meteoritos
marcianos, lo que ha llevado a sugerir la existencia de vida en Marte.
Rhodospirillaceae (por ejemplo, Rhodospirillum).
Acetobacteraceae (por ejemplo, Rhodopila).

Rhizobiales
Bradyrhizobiaceae (por ejemplo, Rhodopseudomonas).
Las Bradyrhizobiaceae son una familia de bacterias, con diez géneros; incluyendo
bacterias asociadas a plantas como Bradyrhizobium, un género de rhizobia que
establecen simbiosis con algunas leguminosas. También con animales como Afipia
felis, formalmente causante de la enfermedad por arañazo de gato. Otras son de vida
libre, como Rhodopseudomonas, una bacteria fotosintética púrpura hallada en aguas
marinas y en suelos.
Rhodobiaceae (por ejemplo, Rhodobium).
Rhodobium es un género de bacterias púrpuras no del azufre. Los árboles de ARN los
separan
de
las
demás
familias,
por
lo
que
se
clasifican
en
la
suya
propia, Rhodobiaceae. Las células tienen forma de bacilo y se reproducen
por gemación como muchos otros miembros de Rhizobiales. R. orientis, la especie
típica, fue aislada del agua del mar en 1995. Es capaz de la producción fotosintética de
hidrógeno usando la enzima nitrogenasa.
Hyphomicrobiaceae (por ejemplo, Rhodomicrobium).
363

Otras familias:
Rhodocyclaceae (por ejemplo, Rhodocyclus).
Rhodocyclaceae es una familia de bacterias Gram negativas que se incluye en su
propio orden, Rhodocyclales, en el subgrupo beta de Proteobacteria. Incluye muchos
géneros previamente asignados a la familia Pseudomonadaceae. La familia contiene
principalmente bacterias con forma de bacilo, aerobias y desnitrificantes, que exhiben
capacidades metabólicas muy versátiles. La mayoría de las especies viven en hábitats
acuáticos y prefieren condiciones oligotróficas. Muchas proliferan en aguas residuales
y juegan un importante papel en la biorremediación, por ejemplo, Zoogloea.
El géneros que da nombre al grupo, Rhodocyclus es bastante atípico en el grupo, pues
el único fototrofo entre ellos. Rhodocyclus sp. Realizan la fotosíntesis anoxígena bajo
condiciones anóxicas de forma similar a otros géneros de proteobacterias alpha. La
especie Rhodocyclus purpureus también se diferencia de los otros miembros de la
familia (incluyendo otras especies Rhodocyclus) por la forma anular de su célula que
lleva los dos extremos de la célula hasta casi tocarse y que ha inspirado su nombre.
Rhodobacteraceae (por ejemplo, Rhodobacter).
Comamonadaceae (por ejemplo, Rhodoferax).
9.3.2. Bacterias verdes
Pequeño grupo de bacterias similares fisiológica, nutricional y ecológicamente a las
bacterias rojas.
Las bacterias
verdes
del
azufre o Chlorobi constituyen
un
pequeño
grupo
de bacterias que realizan la fotosíntesis anoxigénica.
Características Generales.

Son Anoxifotobacterias que utilizan como donadores de electrones SH2 y
a veces SO4 2-

La mayoría autótrofos
364

Morfología muy variada: cadenas de cocobacilos, formando entramados

Mas antiguas que las Cianobacterias

Muy alejadas filogenéticamente de los otros dos grupos de anoxifotobacterias,
Bacterias Púrpura y Heliobacterias

Poseen Bacterioclorofila a junto a c, d, o e y Carotenoides de color verde

El aparato fotosintético está localizado en Clorosomas y membrana plasmática

Viven a grandes profundidades

Algunas forman “Consorcios” con bacterias quimiorganotrofas

Géneros representativos: Chlorobium, Pelochromatium, Pelodictyon
a. Bacterias verdes del azufre
Son fotolitoautótrofas obligadas que usan sulfuro de hidrógeno (H2S) o azufre (S) como
donantes de electrones (por comparación, las plantas durante la fotosíntesis usan agua
como donante de electrones y producen oxígeno). Las estructuras donde se
almacenan los pigmentos fotosintéticos están unidas a la membrana y se conocen
como clorosomas o
vesículas
clorobiales.
Estos
clorosomas
contienenbacterioclorofila "c", "d" y "e".
Estas bacterias se encuentran en las zonas ricas en azufre y anaerobias de los lagos.
Algunas de estas bacterias contienen vesículas que les permiten ajustar la profundidad
para conseguir una cantidad óptima de luz y H2S ya que estas bacterias son
generalmente inmóviles (se conoce una especie que tiene un flagelo). Otras especies
no tienen vesículas y se las encuentra en el fango rico en azufre en el fondo de los
lagos y lagunas. Estas bacterias son bien diversas morfológicamente y se pueden
presentar como bacilos, cocos y vibrios. Algunas crecen solas, otras en cadenas y
pueden ser de color verde grama o marrón chocolate.
Una especie de bacteria verde del azufre ha sido encontrada viviendo en
una fumarola de la costa de México a una profundidad de 2.500 metros bajo la
superficie del Océano Pacífico. A esta profundidad, las bacterias, denominadas GSB1,
viven del débil resplandor del respiradero termal puesto que ninguna luz del sol puede
penetrar a tal profundidad.
365
Las bacterias verdes del azufre se clasifican en la familia Chlorobiaceae que, al no
estar estrechamente emparentada con ninguna otra, se incluye en su propio
filo, Chlorobi. El grupo más próximo es Bacteroidetes.
Bacterias verdes del azufre
Phylum Chlorobi. Fotoautótrofos anaerobios. Gen. Chlorobium.
b. Bacterias verdes no del azufre
Las bacterias verdes no del azufre (Chloroflexi) son un filo de bacterias que obtienen
energía mediante fotosíntesis. Su denominación se debe a su pigmento verde, que se
encuentra
generalmente
asociado
a
estructuras
membranosas
internas
llamadas clorosomas.
Las
bacterias
de
este
producen oxígeno durante
grupo
la
son
fotosíntesis,
aerobias
pues
facultativas,
pero
no
contienen bacterioclorofila y
realizan fotosíntesis anoxigénica. Su vía de fijación del carbono también difiere de la de
otras bacterias fotosintéticas. El nombre de bacterias no del azufre no es muy
adecuado porque pueden utilizar compuestos reducidos de azufre como donadores de
electrones. Tienden a formar colonias encerradas en envolturas típicamente
filamentosas, y se mueven mediante deslizamiento sobre superficies. Algunas especies
son termófilas.
Características Generales

Línea filogenética propia, muy distante de las bacterias verdes del Azufre. Es
una línea evolutiva muy antigua

Poseen bacterioclorofila a o c
366

Utilizan sustancias orgánicas como donadores de electrones

Poseen Clorosomas

Viven en aguas termales donde forman biopelículas

Géneros representativos: Chloroflexus, Chloronema
Algunas especies que anteriormente se incluían en este grupo, ahora se clasifican en
el filo Thermomicrobia. Cavalier-Smith denomina a estos dos grupos Chlorobacteria y
considera que son las bacterias más primitivas.
Phylum Chloroflexi. Gén. Chloroflexus (fotoheterótrofo, pudiendo ser fotoautótrofo o
quimioheterótrofo de forma facultativa).
9.3.3. Reacción Luminosa en bacterias Verdes y Púrpuras
Las bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras se diferencian de las cianobacterias y de
los fotosintetizadores eucariotas en varias aspectos fundamentales. Cuadro Nº 9.6.
En particular, las bacterias verdes y púrpuras no utilizan agua como fuente de
electrones ni producen O2 mediante fotosíntesis, es decir, son anoxigénicas.
Por el contrario, las cianobacterias y los fotosintetizadores eucariotas son casi siempre
oxigénicos. En la reacción luminosa fotosintética de las bacterias púrpuras no se
produce NADPH directamente. Las bacterias verdes pueden reducir el NAD+
directamente durante la reacción luminosa. Para sintetizar NADH y NADPH, las
bacterias verdes y púrpuras deben usar dadores de electrones tales como el
367
hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno, el azufre elemental y compuestos orgánicos que
tienen potenciales de reducción más negativos que el agua y que, por tanto, son más
fáciles de oxidar (son mejores dadores de electrones).
Por último, las bacterias verdes y púrpuras poseen pigmentos fotosintéticos
ligeramente diferentes, las bacterioclorofilas muchas de las cuales tienen máximo de
absorción en longitudes de onda más largas. Figura Nº 9.10.
Las bacterioclorofilas a y b tienen máximos en 775 y 790 nm, respectivamente. In vivo,
los máximos están en 830 a 890 nm (bacterioclorofila a) y 1020 a 1040 nm (Bchl b).
Este desplazamiento de los máximos de absorción a la región infrarroja adapta mejor a
estas bacterias a sus nichos ecológicos.
Figura
Nº 9.10. Sistema de transporte de electrones en las bacterias
fotosintéticas
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
368
Cuadro Nº 9.6. Características generales de las bacterias fototróficas purpuras y
verdes.
Fuente: (Berenger J. y J. L. Sanz. 2002)
Actualmente, hay cuatro grupos de bacterias verdes y púrpuras fotosintéticas, cada
una de las cuales contiene varios géneros: bacterias verdes sulfúricas (Chlorobium),
bacterias
verdes
(Chromatium),
no
y
sulfúreas
bacterias
(Chloroflexus),
púrpuras
no
bacterias
púrpuras
sulfúreas
sulfúreas
(Rhodospirillum,
Rhodopseudomonas).
Muchas de las diferencias observadas en las bacterias verdes y púrpuras se deben a la
falta del fotosistema II. Por ello no pueden usar agua como dador de electrones en el
transporte de electrones no cíclico. Consecuentemente, sin el fotosistema II, no pueden
producir O2 a partir de H2O mediante la fotosíntesis y están limitadas a la
fotofosforilación cíclica. De hecho, casi todas las bacterias púrpuras y verdes sulfúreas
son anaerobios estrictos. Cuando se excita la clorofila P870 especial del centro de
reacción, cede un electrón a la bacteriofeofitina.
A continuación, los electrones fluyen a las quinonas y, a través de una cadena
transportadora de electrones, de nuevo a la P870 impulsando así la síntesis de ATP.
Es destacable que aun que tanto las bacterias verdes como las púrpuras carecen de
dos fotosistemas, presentan fotosistemas diferentes, así, las púrpuras tienen un
369
aparato fotosintético similar al fotosistema II, mientras que las verdes sulfúreas tienen
un sistema similar al fotosistema I.
a- Cadena de transporte electrónico en bacterias “verdes”
Las bacterias verdes presentan un aparato fotosintético diferente de las bacterias
púrpura. En primer lugar, el mismo no se encuentra localizado en investigaciones de la
membrana, sino en vesículas, denominadas clorosomas, localizadas debajo de la
membrana citoplasmática. Los clorosomas contienen bacterioclorofila c, d o e
(absorción entre 700 y 755nm) y, adicionalmente, muchos de los carotenoides y
proteínas. En este sistema, las vesículas pigmentales absorben la luz y transfieren la
energía al centro de reacción, denominado P840, que está localizado en la membrana
citoplasmática.
La proporción entre la bacterioclorofila de las vesículas y la bacterioclorofila de los
centros de reacción es de 1 a 1000, mucho más alta que en el caso de las bacterias
púrpura; por tanto, los clorosomas son captadores muy eficientes de luz, incluso en
condiciones de iluminación muy débil.
Estas bacterias tienen un fotosistema del tipo PSI, con un pico de absorción a 840 nm.
Puede tener bacterioclorofilas de los tipos c, d, e. Los electrones abandonan PSI
unidos a una ferrosulfoproteína soluble, de pequeño tamaño, la ferredoxina, que se
desplaza por la cara interna –citosólica- y son transferidos a la coenzima Q por la
enzima ferredoxina-coenzima Q oxidorreductasa y, a continuación siguen un camino
similar al anterior; en este caso el citocromo de tipo c que devuelve el electrón al
fotosistema es el c553.
La diferencia fundamental con el caso anterior es que el potencial redox de la
ferredoxina es menor que el del NAD+, por lo que esa ferrosulfoproteína puede reducir
directamente al NAD+ (o al NADP+, que tiene igual potencial redox)
370
Figura Nº 9.11. El flujo de electrones que se genera en el aparato fotosintético de
las bacterias verdes posibilita la reducción directa del NAD+.
Fuente: (Purves, W.K., Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller, H.C. 2002)
En este sistema, el flujo de electrones (Figura Nº 9.11) implica la transferencia de un
electrón desde el centro de reacción a una proteína de hierro y azufre
.
A diferencia de las bacterias púrpuras, el siguiente intermediario, una ferredoxina,
puede desviar el electrón hacia el NAD+. En este caso la reducción del citocromo c555,
que es el que a su vez vuelve a reducir al centro de reacción, se consigue mediante un
dador externo de electrones como, por ejemplo, el SH2. En las bacterias verdes, al
igual que sucede en la fotosíntesis oxigénica, la reducción del NAD+ es consecuencia
directa del proceso fotosintético. La excepción es Chloroflexus, cuyo aceptor primario
de electrones presenta un potencial redox que impide reducir directamente el NAD+.
Las bacterias verdes y púrpuras se enfrentan a un nuevo problema debido a que
también requieren NADH o NADPH para la incorporación de CO2. Pueden sintetizar
NADH al menos de tres formas. Si están creciendo en presencia de gas hidrógeno, que
tiene un potencial de reducción más negativo que el del NAD+, pueden usar
directamente el hidrogeno para sintetizar NADH. Al igual que los quimiolitotrofos,
muchas bacterias púrpuras fotosistemas utilizan ATP o la fuerza motriz de protones
371
para invertir el flujo de electrones en una cadena transportadora de electrones, y
transferidos de dadores inorgánicos u orgánicos al NAD+.
Las bacterias verdes sulfúreas, como Chlorobium, parecen realizar una forma sencilla
de flujo de electrones fotosintético no cíclico para reducir el NAD+. Las bacterias
“verdes” (Chlorobium y relacionados) pueden emplear diversos donadores de
electrones: sulfuro, tiosulfato, azufre elemental y diversos compuestos orgánicos, para
llevar a cabo la reducción de la clorofila oxidada. Evidentemente, ajustan el flujo de
electrones a través de las vías cíclica (produce sólo ATP sin consumir poder reductor
externo) y no cíclica (produce sólo NADPH usando un donador externo de electrones)
para maximizar la eficiencia del sistema en función de sus necesidades metabólicas.
El esquema de la cadena de transporte electrónico de estas bacterias es el siguiente:
(Figura Nº 9.12).
Figura Nº 9.12. Transporte cíclico y no ciclico de electrones
PSI; 2, citocromo bf; 3: Ferredoxina:coQ oxidorreductasa; 4: Ferredoxina:NADP
oxidoreductasa. En rojo, transporte no cíclico; en azul, transporte cíclico de
electrones.
Fuente: (Corzo Varillas J. 2003)
Las
bacterias
fotosintéticas
verdes
que
producen
azufre
(sulfurosas),
como Chlorobium, viven en ambientes carentes de oxígeno, como en el fondo de
algunos lagos ricos en materia orgánica. Estos organismos le dan el color verde
característico a estas aguas. Así encontramos también bacterias púrpuras
372
sulfurosas, como Chromatium, que viven en ambientes también carentes de
oxígeno y que utilizan compuestos con azufre en su metabolismo. Éstas se
encuentran también en algunos lagos y en manantiales de aguas termales
sulfurosas. Finalmente tenemos a las bacterias púrpuras no sulfurosas, que
tienen la peculiaridad de utilizar la luz en ausencia de oxígeno, como las bacterias
verdes y las púrpuras sulfurosas, pero además pueden utilizar al oxígeno durante
los periodos de oscuridad. Estas bacterias poseen en su interior una complicada
organización de moléculas encargadas de captar la luz solar y conservar la
energía proporcionada por esta forma de energía química. La luz que es
aprovechada es la luz visible y gran parte de la cual es empleada también por las
plantas verdes, de tal forma que los pigmentos encargados de captar la luz lo
hacen en las regiones del espectro de la luz visible que no son utilizadas por las
plantas. Estas moléculas se conocen como pigmentos antena y, dado que la
intensidad de la luz que llega a las profundidades donde se encuentran estas
bacterias es muy baja, su captación debe ser muy eficiente para así aprovechar
la energía al máximo.
Estos microorganismos cuentan con estructuras internas que contienen las moléculas
que captan la luz de tan baja intensidad. Estas estructuras se conocen como
cromatóforos y contienen moléculas de clorofila típica de estas bacterias, que son las
que captan la luz y retienen la energía que ésta proporciona.
Figura Nº 9.13. Fotosintesis en sistemas Oxicos y Anoxicos
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
373
B. Cadena de transporte electrónico en bacterias “púrpuras”.
Las bacterias púrpuras presentan bacterioclorofilas a o b. Además de absorber luz en
la banda correspondiente a la bacterioclorofila (800-890nm y 1020-1040nm), también
absorben en una segunda región entre 400 y 500nm debido a la presencia de los
carotenoides responsables del color rojo, púrpura o marrón de las bacterias fototrofas.
Estos pigmentos protegen a las bacterias del efecto tóxico de la fotooxidación y,
además, transfieren la energía absorbida a la bacterioclorofila. Invaginaciones de la
membrana proporcionan espacio para la localización del aparato fotosintético, que
incluye los elementos reseñados en la Figura Nº 9.14.
Un elemento esencial del aparato fotosintético es el centro de captación de la luz (CL),
que incluye más del 90% de la bacterioclorofila, juntamente con carotenoides y muchas
proteínas. Estos centros transfieren la energía luminosa a los centros de reacción.
Cada centro de reacción puede estar asociado a muchos CL (entre 20 y 490). El centro
de reacción, denominado P870, es un complejo
bacterioclorofila
(dos
de
ellas
activas
que incluye 4 moléculas de
fotoquímicamente),
2
moléculas
de
bacteriofeofitina (bacterioclorofila libre de magnesio) y una proteína con tres
subunidades diferentes. Este centro de reacción se encuentra asociado a un complejo
de hierro-ubiquinona. Estos dos complejos, integrados en la membrana, se encuentran
asociados a otro complejo, también anclado en la membrana, denominado citocromo
bc1. Al aparato fotosintético pertenece también la ubiquinona
y el citocromo c2,
moléculas que se mueven libremente en la membrana.
Figura Nº 9.14. Invaginaciones de la membrana donde se localiza el aparato
fotosintético.
Fuente: (Corzo Varillas J. 2003)
374
En presencia de luz, cada quántum absorbido provoca que un electrón se transloque
del par de bacterioclorofilas activas del centro de reacción a la bacteriofeofitina, vía una
bacterioclorofila secundaria
ubiquinona-hierro
, pasando posteriormente al complejo
. De aquí, el flujo de electrones sigue vía complejo
citocromo bc1 y citocromo c2
, el cual vuelve a reducir otra vez al
complejo P870. Figura Nº 9.15.
Este transporte de electrones cíclico genera un gradiente de pH en la membrana,
estimándose que por cada electrón que circula son expulsados al exterior dos protones
que son utilizados para generar ATP mediante la ATP-asa. Del análisis del fotosistema
de las bacterias púrpura se deduce que no existe ninguna posible desviación del flujo
de electrones entre la bacteriofeofitina
y el complejo ubiquinona-hierro
. Ello implica que el flujo de electrones no puede desviarse hacia el
NAD+
, por lo que la reducción del mismo se realiza utilizando el SH2
(Cromatiáceas) o sustratos orgánicos (Rodospiriláceas). Si el potencial redox del dador
de hidrógeno lo permite, el mismo se oxida en una reacción dependiente del NAD+.
Para los demás sustratos (incluido H2), el NAD+ se reduce a través de una cadena de
transporte inverso de electrones, a expensas del ATP generado en el proceso
fotosintético.
Figura Nº 9.15. Flujo de electrones en el aparato fotosintético de las bacterias
púrpuras.
Fuente: (Purves, W.K., Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller, H.C. 2002)
375
El flujo de electrones que se genera no posibilita la reducción directa del NAD+, ya que
el aceptor primario de electrones (Fe-Q) tiene un potencial más positivo que el par
NAD+ /NADH. Ello no sucede así en el sistema de bacterias verdes.
El gradiente de hidrogeniones así creado puede ser empleado por la bacteria para
sintetizar ATP a través de la ATPasa F de su membrana. Observe que los electrones
abandonan el fotosistema con un potencial redox mayor que el correspondiente al par
+
NAD /NADH (-0,32 V, en condiciones estándar), por lo que la transferencia de
+
electrones desde la coenzima Q reducida al NAD es un proceso endergónico.
9.4. FOTOSÍNTESIS DE LAS CIANOBACTERIAS
Las cianobacterias constituyen un grupo grande y heterogéneo de microorganismos
fototrofos. Clasicamente, los miembros de este grupo se han conocido con el nombre
de algas verdeazuladas aunque, atendiendo a su naturaleza procariota, el termino
correcto que se debe emplear para denominarlos es el de cianobacterias.
Las cianobacterias, antiguamente conocidas como algas verdeazules, por su color
verde-azulado (a veces rojizo, pardo o negro), son bacterias que han estado viviendo
sobre nuestro planeta por más de 3 mil millones de años.
Se caracterizan por que son procariotas (sin núcleo verdadero), autótrofos
(fundamentalmente). Unicelulares, tamaño entre 1 µm hasta varios micrómetros.
Las cianobacterias crecen en ambientes lénticos (lagos y lagunas), suelos húmedos,
troncos muertos, cortezas de árboles, algunas en aguas salobres y otras en aguas
termales.
Hace miles de millones de años las había en tan gran número, que eran capaces de
añadir, a través de la fotosíntesis, suficiente oxígeno a la primitiva atmósfera de la
Tierra, como para que los animales que necesitaban oxígeno pudieran sobrevivir.
376
9.4.1. Características Generales

Bacterias Gram negativas

Morfología variada: unicelulares y filamentosas móviles por deslizamiento

Presentan diferenciaciones celulares: Heteroquistes y Acinetos

Realizan Fotosíntesis Oxigénica. Presentan Ficobilisomas

Fotoautótrofos: asimilan el CO2 mediante el Ciclo de Calvin-Benson

Acumulan glucógeno

Ciclo de Krebs incompleto

Fijan Nitrógeno, producen Geosmina y Toxinas

Se dividen por fisión binaria, gemación o fisión múltiple

Están presentes en numerosos hábitats: Superficie e interior de rocas, suelos
desérticos, estanques y lagos, en simbiosis con Hongos, Protozoos y plantas.

Tamaño entre 1 µm hasta varios micrómetros

Son componentes básicos de los Estromatolitos. Hay restos fósiles de más de
3000 millones de años de antigüedad. Probablemente fueron los primeros
organismos productores de Oxígeno
Actualmente son 24 géneros: Chroococcus, Synechococcus, Anabaena, Spirulina,
Nostoc, Oscillatoria y otros.
Géneros sin heterocistes: Oscillatoria y Spirulina
Géneros con heterocistes: Anabaena.
377
9.4.2. Importancia Biológica de las Cianobacterias
Las cianobacterias son organismos antiguos que se caracterizan por conjugar el
proceso de la fotosíntesis oxígenica con una estructura celular típicamente bacteriana.
Al ser responsables de la primera acumulación de oxígeno en la atmósfera, las
cianobacterias han tenido una enorme relevancia en la evolución de nuestro planeta y
de la vida en él.
En la actualidad presentan una amplia distribución ecológica, encontrándose en
ambientes muy variados, tanto terrestres como marítimos, e incluso en los más
extremos, siendo la fotoautotrofia, con fijación de CO2 a través del ciclo de Calvin, su
principal forma de vida, y contribuyendo de manera importante a la productividad
primaria global de la Tierra. Muchas cianobacterias son capaces de fijar el nitrógeno
atmosférico, siendo, a su vez, capaces de hacerlo en condiciones de aerobiosis (de
hecho, ciertas cianobacterias representan los mayores fijadores en amplias zonas
oceánicas contribuyendo de forma importante a la cantidad total de nitrógeno fijado en
vida libre).
La existencia conjunta de la fotosíntesis y de la fijación de nitrógeno ha requerido el
diseño de estrategias que hagan posible el funcionamiento de ambos procesos
antagónicos
desde el
punto de
vista
de sus requerimientos ambientales.
Entre tales estrategias la separación en el tiempo o en el espacio de ambas funciones
permite el desarrollo normal de la célula en condiciones de bajos niveles de nitrógeno
combinado. En este sentido, merece particular mención la capacidad de algunas
especies
filamentosas
de
desarrollar
unas
células
llamadas heterocistos,
enormemente especializadas en la fijación del nitrógeno en ambientes aeróbicos.
Por lo que respecta a la fisiología de este grupo, la misma es notablemente sencilla.
Como fuente de nitrógeno utilizando nitrato o amonio. No obstante, es importante
resaltar que muchas cianobacterias fijan nitrógeno elemental. Aun cuando muchas
especies son fototrofas obligadas, incapaces de crecer en la oscuridad a expensas de
materia orgánica, algunas pueden asimilar compuestos orgánicos sencillos, tales como
la glucosa o el acetato. No obstante, ello solo tiene lugar en presencia de luz. Parece
que las cianobacterias son incapaces de producir ATP mediante la oxidación de
378
compuestos pero, si el ATP es obtenido mediante fotofosforilacion, algunos
compuestos orgánicos pueden ser utilizados como fuente de carbono.
Es también importante mencionar que algunas cianobacterias pueden llevar también a
cabo una fotosíntesis anoxigenica. En estas circunstancias funciona solamente el
fotosistema I, y el SH2 funciona como dador de electrones.
9.4.3. Características de la Fotosíntesis de las cianobacterias
A pesar de tener un metabolismo fototrofo, difieren de las bacterias verdes, purpuras y,
de
hecho,
del
resto
de
procariotas
fototrofos
en
aspectos
esenciales,
fundamentalmente por el hecho de que desarrollan una fotosíntesis oxigénica.
Presentan solamente un tipo de clorofila, la clorofila a, al igual que las plantas
superiores y la mayoría de las algas. Además todas ellas presentan un tipo de
pigmentos característicos, las ficobilinas, que juegan un papel accesorio en la
fotosíntesis. Las ficocianinas, un tipo de ficobilinas, son azules, y presentan un pico
máximo de absorción de la luz a 625-630 nm. Juntamente con la clorofila a son
responsables del color de este grupo de microorganismos.
Las cianobacterias “inventaron” una variante de la fotosíntesis que ha llegado a ser la
predominante, y que ha determinado la evolución de la biosfera terrestre. Se trata de
la fotosíntesis
oxigénica.
La
fotosíntesis
necesita
un reductor (una
fuente
de electrones), que en este caso es el agua (H2O). Al tomar el H del agua se
libera oxígeno. La explosión evolutiva y ecológica de las cianobacterias, hace miles de
millones de años, dio lugar a la invasión de la atmósfera por este gas, que ahora la
caracteriza, sentando las bases para la aparición del metabolismo aerobio y
la radiación de los organismos eucariontes.
En las Cianobacterias la Fotosíntesis se realiza en las Laminillas membranosas o
Cromatóforos (organelos membranosos parecidos a los Cloroplastos de los vegetales
superiores). Es de tipo Oxigénica puesto que utiliza el H2O como donador de
electrones liberando O2 atmosférico.
Junto con el ATP y NADPH2 que son sintetizados en presencia de la luz solar, el CO2
es fijado y reducido posteriormente en Carbohidratos. En estas Bacterias fotosintéticas
379
no existe el PSII (Fotosistema II) su Fotofosforilación de de tipo Cíclica con
participación de un único sistema pigmentario el PSI (Fotosistema I).
El proceso fotosintético de las cianobacterias se presentan en la Figura Nº 9.16. La
energía lumínica es captada y transferida al centro de reacción I, lo que provoca que
un electrón salte, siendo capturado por una proteína con hierro y azufre que presentan
un E’o de -600 mV. El electrón, a través de un flujo cíclico, es transferido al centro de
reacción I vía ferredoxina, plastoquinona, un complejo citocromo bf y una proteína con
Fe y S y plastocianina. La transferencia de electrones de la quinona al complejo
citocromo bf está asociada a la translocación de protones a través de la membrana.
Figura Nº 9.16. Sistema fotosintético de las Cianobacteria.
P680, centro de reacción II; P700, centro de reacción I; PQA-Fe, complejo
plastoquinonahierro; PQ, plastoquinona; cit bf, citocromo bf; PC; plastoquinona; Fd,
ferredoxina; Fe-S, proteína azufre y hierro.
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
380
Este flujo cíclico de electrones puede interrumpirse para producir poder reductor de
NADPH, al cual se le transfiere los electrones de la ferredoxina. Si se da esta situación,
el aporte externo de electrones se realiza mediante el fotosistema II. La transferencia
de electrones al NAD + genera un ‘pool’ de plastoquinona oxidada. Teniendo en cuenta
que la plastoquinona se encuentra en la membrana en concentraciones mucho más
elevadas que el resto de los componentes, el sistema puede soportar un cierto flujo de
electrones al NAD+ sin aporte externo pero, finalmente, el ‘pool’ de plastoquinona
necesita ser reducido. El centro de reacción II se encarga de bombear electrones de
agua a un complejo plastoquinona-hierro, el cual finalmente lo transfiere a la
plastoquinona. El potencial redox tan positivo del centro de reacción P680 (E0=+850
mV) posibilita oxidar agua a oxigeno, proceso catalizado por una manganoproteina.
Las Cianobacterias fijan el N2 atmosférico reduciéndolo a Amonio (NH4). La fijación del
N2 atmosférico se realiza en ellas a través de la Nitrogenasa (enzima fijadora del N2
atmosférico) quien lo fija y lo reduce a NH4.
Por ende, las Cianobacterias poseen la capacidad de realizar la Fotosíntesis Oxigénica
y participar en el Ciclo del N2. Estos 2 procesos en ellas No son compatibles, ya que la
enzima Nitrogenasa es inhibida por el O2 molecular que se desprende por la escisión
de la molécula de H2O, por lo que durante el dia solo realizan la Fotosíntesis, mientras
que en la noche fijan el N2 y lo reducen a NH4.
En el ciclo del N2 las Cianobacterias solo intervienen en el proceso de Amonificación
(transformación del N2 atmosférico en NH4).
Lo que denominamos fotosíntesis en realidad son dos procesos acoplados. El
esquema representa a un cloroplasto, pero también podría valer para explicar lo que
ocurre en el interior de una cianobacteria. A la izquierda tenemos la denominada Fase
Luminosa en la que la energía de la luz es transformada en energía química. En la
parte de la derecha tenemos la Fase Oscura donde se aprovecha la energía química
para reducir el CO2 a hidratos de carbono. En las plantas, algas y cianobacterias el
donador de electrones e hidrógenos es el agua y por ello se consigue la fotolisis del
agua obteniéndose oxígeno como producto residual, por ello se habla de fotosíntesis
oxigénica. En otros seres vivos como las bacterias verdes, fotosíntéticos ese donador
es distinto y no se produce oxígeno, por lo que se denomina fotosíntesis anoxigénica.
381
9.4.4. El PSI y el transporte electrónico entre fotosistemas
Los PSI de cianobacterias y de cloroplastos son muy similares, y funcionan de la
misma manera, cediendo un electrón a la ferredoxina. Se diferencian en la molécula
que, a su vez, cede electrones a la clorofila oxidada.
En cianobacterias, que poseen simultáneamente cadena de trasporte electrónico,
respiratorio y fotosintético, los electrones llegan al PSI transportados por un citocromo
de tipo c, que es el mismo que lleva los electrones al centro IV. De hecho, en
cianobacterias las dos cadenas de transporte electrónico (respiratoria y fotosintética)
comparten la quinona, el centro respiratorio III y el citocromo c. Figura Nº 9.17.
Por el contrario, los cloroplastos carecen de cadena de transporte electrónico
respiratorio. No son cianobacterias, aunque procedan de una bacteria–cianobacteria
probablemente- endosimbionte. En este caso, los electrones llegan al PSI desde el
citocromo b6f transportados por una pequeña proteína soluble con un átomo de cobre,
la plastocianina. En su estado oxidado el cobre está como Cu2+, y como Cu+ en su
estado reducido.
La ferredoxina reducida sirve como fuente de poder reductor para:
1. Producir NADPH, mediante la NADP reductasa o Ferredoxina: NADP
oxidoreductasa. Es una proteína de membrana.
2. Reducir directamente al citocromo b6f, en cuyo caso tenemos el transporte de
electrones cíclico, sin producción de NADPH pero sintetizando ATP gracias al
bombeo de protones desde el citocromo.
3. Otros procesos redox del cloroplasto que requieren ferredoxina reducida.
382
Figura Nº 9.17. El PSI y el transporte electrónico entre Fotosistemas
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
383
La ferredoxina NADP+ reductasa (FNR, EC 1.18.1.2) es una flavoproteína que contiene
FAD, y que cataliza la fotorreducción del NADP+ durante la fotosíntesis oxígenica. Esta
enzima se encuentra en todas las cianobacterias y en todos los eucariotas
fotosintéticos, y también ha sido descrita en diferentes tejidos no fotosintéticos de
plantas superiores.
La FNR de cianobacterias, aislada de células vegetativas esta muy bien caracterizada,
y su papel fisiológico consiste en catalizar la reducción del NADP+ utilizando dos
electrones donados por sendas moléculas de ferredoxina reducida. Se ha descrito
también que en las cianobacterias, la FNR puede también funcionar como una NADPH
deshidrogenasa respiratoria.
9.4.5. Fotofosforilación
La fotofosforilación es un proceso de síntesis de ATP a partir de ADP + fosfato
llevado a cabo por las ATP-sintasas de la membrana del tilacoide, en los cloroplastos
de las células vegetales. Es un proceso de la fase luminosa de la fotosíntesis en que
se utiliza la energía liberada en el transporte de electrones para bombear protones
desde el estroma al interior del tilacoide con el fin de crear un gradiente electroquímico
el cual, al disiparse por la salida de protones del tilacoide al estroma a través de las
ATP-sintasas, acopla esta energía protón-motriz a la fosforilación del ADP para formar
ATP. La energía necesaria la proporciona la luz que es captada por los pigmentos
fotosintéticos.
Es la síntesis de ATP que se produce cuando se exponen cloroplastos aislados a la
acción de la luz, en presencia de ADP y fosfato. La formación de ATP a partir de la
reacción de ADP y fosfato, es el resultado del acoplamiento energético de la
fosforilación al proceso de transporte de electrones inducido por la luz, de la misma
forma que la fosforilación oxidativa está acoplada al transporte de electrones y al
consumo de oxígeno en las mitocondrias.
ADP + Pi + cloroplastos + luz à ATP Pi = fosfato inorgánico.
384
Existen dos tipos:

Fotofosforilación acíclica. Están implicados ambos fotosistemas, I y II; el flujo de
electrones que produce no es cíclico por lo que se sintetiza tanto ATP como NADPH.

Fotofosforilación cíclica. Está implicado sólo el fotosistema I; se realiza un
bombeo de hidrogeniones del estroma al espacio tilacoidal, que contribuye a crear un
gradiente electroquímico de hidrogeniones y por tanto a la síntesis del ATP, sin que se
produzca NADPH.
Un fotosistema es el conjunto mínimo de los compuestos necesarios para llevar a cabo
el proceso de fotosíntesis. Es un centro de reacción que se sitúa, junto con otros
muchos, en las membranas de los tilacoides. Permite recibir la energía luminosa y
transmitirla a lo largo de una cadena de reacciones que la transforman en energía
química.
En el fotosistema I se realiza la síntesis cíclica de ATP, que es independiente de la
fotólisis del agua y de la formación de NADPH; mientras que la fotofosforilación no
cíclica, está acoplada al transporte de electrones desde el agua, en el fotosistema II a
través de una cadena transportadora.
La molécula de H2O del lado izquierdo de la ecuación, cede los dos electrones
necesarios para la reducción del NADP+ y el átomo de oxígeno que se libera en forma
de ½ O2. La molécula de H2O del lado derecho de la ecuación procede de la formación
de ATP a partir de la reacción de ADP + Pi.
a.
Fase luminosa cíclica
En la fase luminosa o fotoquímica cíclica interviene de forma exclusiva el fotosistema I,
generándose un flujo o ciclo de electrones que en cada vuelta da lugar a síntesis de
ATP. Figura Nº 9.18.
Al no intervenir el fotosistema II, no hay fotólisis del agua y, por ende, no se produce la
reducción del NADP+ ni se desprende oxígeno. Únicamente se obtiene ATP.
385
Figura Nº 9.18. Fase luminosa Cíclica
Fuente: (Blankenship, R. L. 2002).
El objetivo que tiene la fase cíclica tratada es el de subsanar el déficit de ATP obtenido
en la fase acíclica para poder afrontar la fase oscura posterior.
Cuando se ilumina con luz de longitud de onda superior a 680 nm (lo que se llama rojo
lejano) sólo se produce el proceso cíclico. Al incidir los fotones sobre el fotosistema I, la
clorofila P700 libera los electrones que llegan a la ferredoxina, la cual los cede a un
citocromo bf y éste a la plastoquinona (PQ), que capta dos protones y pasa a (PQH2).
La plastoquinona reducida cede los dos electrones al citocromo bf, seguidamente a la
plastocianina y de vuelta al fotosistema I. Figura Nº 9.19.
386
Este flujo de electrones produce una diferencia de potencial en el tilacoide que hace
que entren protones al interior. Posteriormente saldrán al estroma por la ATP-sintetasa
fosforilando ADP en ATP. De forma que únicamente se producirá ATP en esta fase.
Figura Nº 9.19. Fotofosforilación Cíclica
Fuente: (Purves, W.K., Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller, H.C. 2002)
Sirve para compensar el hecho de que en la fotofosforilación acíclica no se genera
suficiente ATP para la fase oscura.
La fase luminosa cíclica puede producirse al mismo tiempo que la acíclica.
b.
Fotofosforilación acíclica
El proceso de la fase luminosa, supuesto para dos electrones, es el siguiente: Los
fotones inciden sobre el fotosistema II, excitando y liberando dos electrones, que pasan
al primer aceptor de electrones, la feofitina. Los electrones los repone el primer dador
de electrones, el dador Z, con los electrones procedentes de la fotólisis del agua en el
interior del tilacoide (la molécula de agua se divide en 2H+ + 2e- + 1/2O2).
Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del tilacoide, y el oxígeno es
liberado.
387
Los electrones pasan a una cadena de transporte de electrones, que invertirá su
energía liberada en la síntesis de ATP.
La teoría quimioosmótica nos lo explica de la siguiente manera: los electrones son
cedidos a las plastoquinonas, las cuales captan también dos protones del estroma. Los
electrones y los protones pasan al complejo de citocromos bf, que bombea los
protones al interior del tilacoide. Se consigue así una gran concentración de protones
en el tilacoide (entre éstos y los resultantes de la fotólisis del agua), que se compensa
regresando al estroma a través de las proteínas ATP-sintasas, que invierten la energía
del paso de los protones en sintetizar ATP. La síntesis de ATP en la fase fotoquímica
se denomina fotofosforilación.
Los electrones de los citocromos pasan a la plastocianina, que los cede a su vez al
fotosistema I. Con la energía de la luz, los electrones son de nuevo liberados y
captados por el aceptor A0. De ahí pasan a través de una serie de filoquinonas hasta
llegar a la ferredoxina. Ésta molécula los cede a la enzima NADP+-reductasa, que
capta también dos protones del estroma. Con los dos protones y los dos electrones,
reduce un NADP+ en NADPH + H+. Figura Nº 9.20.
El balance final es: por cada molécula de agua (y por cada cuatro fotones) se forman
media molécula de oxígeno, 1,3 moléculas de ATP, y un NADPH + H+.
Figura Nº 9.20. Fotofosforilación acíclica
388
Fuente: (Purves, W.K., Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller, H.C. 2002)
En la membrana tilacoidal como resultado de la fotólisis del agua y de la oxidación de
la plastoquinona (PQH2) se generan protones (H+); que originan un fuerte gradiente de
concentración de protones (H+) al ser transportados del lumen tilacoidal hacia el
estroma. Este gradiente de pH a través de la membrana es responsable de la síntesis
de ATP, catalizada por la ATP sintasa conocida también como factor de acoplamiento;
ya que acopla la síntesis de ATP al transporte de electrones y protones a través de la
membrana tilacoidal. La ATP sintasa existe en los tilacoides del estroma y consta de
dos partes principales: un tallo denominado CFo, que se extiende desde el lumen de la
membrana tilacoidal hasta el estroma y una porción esférica (cabeza) que se conoce
como CF1 y que descansa en el estroma. Esta ATPasa es similar a la de las
mitocondrias donde sintetiza ATP.
El flujo cíclico de electrones tiene lugar en algunos eucariontes y bacterias
fotosintéticas primitivas. No se produce NADPH, sino ATP solamente. Esto puede
ocurrir cuando las células pueden requerir un suministro de ATP adicional, o cuando no
se encuentre presente NADP+ para ser reducido a NADPH. En el fotosistema II, el
389
bombeo de iones H+ dentro del tilacoide crea un gradiente electroquímico que culmina
con la síntesis de ATP a partir de ADP +Pi. Figura Nº 9.21.
Figura Nº 9.21. Flujo acíclico de electrones en los dos fotosistemas.
Fuente: (Cortez, E. et al. 2005)
9.4.6. Reacción luminosa en Eucariotas y Cianobacterias
Todos los organismos fotosintéticos tienen pigmentos para la absorción de la luz. Los
pigmentos más importantes son las clorofilas. Las clorofilas son grandes anillos planos
compuestos de cuatro anillos pirrólicos con sustituciones, con un átomo de magnesio
coordinado con los cuatro átomos de nitrógeno centrales. En los eucariotas pueden
encontrarse varias clorofilas, de las cuales las dos más importantes son al clorofila a y
la clorofila b. Estas dos moléculas se diferencian ligeramente en su estructura y en sus
propiedades espectrales. Cuando se disuelve en acetona, la clorofila a tiene un pico de
absorción de luz en 665 nm; el pico correspondiente para la clorofila b se encuentra en
645 nm. Además de absorber la luz roja, las clorofilas también absorben intensamente
la luz azul (el segundo pico de absorción para la clorofila a se encuentra en 43 0 nm).
Las clorofilas transmiten la luz verde debido a que absorben principalmente los
espectros azul y rojo. Por este motivo muchos organismos fotosintéticos son de color
390
verde. La larga cola hidrófoba unida al anillo de clorofila facilita su unión en las
membranas, donde tienen lugar las reacciones luminosas.
Los carotenoides y las ficobiliproteínas a menudo reciben el nombre de pigmentos
accesorios debido a su papel en la fotosíntesis. Aunque las clorofilas no pueden
absorber la energía luminosa de manera eficaz en el espectro comprendido entre el
azul-verde y el amarillo (aproximadamente entre 470 y 630 nm), los pigmentos
accesorios absorben la luz en este región y transfieren la energía captada a la clorofila.
De esta manera, hacen más eficaz la fotosíntesis en un espectro más amplio de
longitudes
de
onda.
Los
pigmentos
accesorios
también
protegen
a
los
microorganismos de la luz del sol intensa que podría oxidar y lesionar el aparato
fotosintético en su ausencia.
Las clorofilas y los pigmentos accesorios se disponen en estructuras muy organizadas
denominadas antenas, cuya finalidad es crear una extensa superficie para atrapar el
mayor número de fotones posible. Una antena tiene unas 300 moléculas de clorofila.
La energía luminosa es capturada en una antena y transferida de clorofila a clorofila
hasta que llegue a una clorofila del centro de reacción directamente involucrada en el
transporte fotosintético de electrones. En las eucariotas y en las cianobacterias existen
dos tipos de antenas asociadas a dos fotosíntesis diferentes. El fotosistema I absorbe
luz con una longitud de onda mayor ( 680 nm) y dirige la energía hacia una molécula
especial de clorofila a denominada P700. El término P700 significa que este molécula
absorbe con gran eficacia la luz en una longitud de onda de 700 nbm. El fotosistema II
atrapa la luz en longitudes de onda más cortas ( 680 nm) y transfiere una energía a la
clorofila especial P680.
Cuando la antena del fotosistema I transfiere energía luminosa a la clorofila P700 del
centro de reacción, la P700 absorbe la energía y se excita, su potencial de reducción
pasa a ser muy negativo. A continuación, cede su electrón excitado o de alta energía a
un aceptor específico, probablemente una molécula especial de clorofila a (A) o una
proteína ferrosulfurada. El electrón es transferido finalmente a la ferredoxina, desde
donde puede moverse en dos direcciones. En la vía cíclica (líneas discontinuas), el
electrón se mueve en una ruta cíclica a través de una serie de transportadores de
391
electrones y vuelve a la P700 oxidada. La vía se denomina cíclica debido a que el
electrón procedente de la P700 vuelve a ésta después de recorrer la cadena
transportadora fotosintética de electrones (Figura Nº 9.22). Durante el transporte cíclico
de electrones se forma FMP en la región del citocromo b6, utilizando para sintetizar
ATP. Este proceso recibe el nombre de fotofosforilación cíclica debido a que los
electrones recorren una ruta cíclica y se forma ATP. En el proceso sólo participa el
fotosistema I.
Figura Nº 9.22. Dirección del flujo de electrones.
Fuente: (Zannoni, D. 2004)
392
Los electrones también pueden recorrer una vía no cíclica en la que intervienen los dos
fotosistemas. La P700 es excitada y cede electrones a la ferredoxina como en el caso
anterior. Sin embargo, en la ruta no cíclica la ferredoxina reducida reduce el NADP+ a
NADPH. Debido a que los electrones cedidos al NADP+ no pueden ser utilizados para
reducir la P700 oxidada, se requiere la participación del fotosistema II. Este cede
entonces los electrones a la P700 oxidada y genera ATP en el proceso. La antena del
fotosistema II absorbe energía luminosa y excita a la P680, que a su vez reduce la
feofitina a. La feofitina a es clorofila a en la que se ha sustituido el magnesio central por
dos átomos de hidrógenos. Posteriormente, los electrones son transferidos a O
(probablemente una plastoquinona) y recorren en sentido descendente la cadena
transportadora de electrones hasta la P700.
La P680 oxidada obtiene un electrón de la oxidación de agua a O2. (Figura Nº 9.23).
Así, los electrones fluyen desde el agua hasta el NADP+ con la ayuda de la energía
proveniente de dos fotosistemas, y se sintetiza ATP mediante fotofosforilación no
cíclica. Se estima que se forman 1 ATP y NADPH cuando dos electrones recorren la
vía no cíclica.
Figura Nº 9.23. Esquema que muestra como la P680 oxidada obtiene un electrón
de la oxidación de agua a O2
Fuente: (T. Audesirk y G.Audesirk, 2003).
393
El transporte de electrones fotosintético, al igual que el transporte de electrones
mitocondrial, tiene lugar en el interior de una membrana. Las membranas de los grama
de los cloroplastos contienen las dos fotosistemas y sus antenas. Durante el transporte
electrónico fotosintético, se desplazan protones al interior del tilacoide, que
posteriormente vuelven al estroma, derivándose la síntesis de ATP. Se cree que las
laminillas estromales sólo poseen el fotosistema I y que sólo participan en la
fotofosforilación cíclica. En las cianobacterias, las reacciones luminosas fotosintéticas
también se localizan en membranas.
Para formar una molécula de oxígeno se requieren dos moléculas de agua, lo que
supone la cesión de 4 electrones por el centro fotoquímico P680. En resumen, el
proceso puede ser el siguiente:
El OEC actúa como un acumulador de carga: va cediendo electrones uno a uno al
P680 hasta que acumula un déficit de cuatro electrones; en ese momento, toma los 4
electrones a la vez de dos moléculas de agua y libera una de oxígeno. Este
procedimiento evita que se formen intermedios parcialmente reducidos de oxígeno, que
son muy reactivos. Note que los hidrogeniones se liberan en el exterior del citosol (o
del estroma del cloroplasto), colaborando por consiguiente a la creación de la fuerza
protón-motriz necesaria para la síntesis de ATP. Figura Nº 9.24.
Salvo por la presencia del OEC, las estructuras y el funcionamiento de los PSII de
cianobacterias y cloroplastos son análogas a las del PSII de las bacterias púrpuras, por
lo que no se repetirá aquí.
Figura Nº 9.24. Transporte de electrones fotosintético
Fuente: (Zannoni, D. 2004)
394
Las reacciones oscuras requieren 3 ATP y 2 NADPH para reducir 1 CO2 y utilizarlo
para sintetizar hidrato de carbono (CH20).
CO2 + 2ATP + 2NADPH + 2H- + H2O -------> (CH2O) + 3ADP + 3P + NADP+
El sistema no cíclico genera I NADPH y 1 ATP por cada par de electrones; por
consiguiente cuatro electrones que pasan a través del sistema producirán 2 NADPH y
2 ATP. Se necesita un total de 8 cuantos de energía luminosa (4 cuantos por cada
fotosistema) para impulsar los cuatro electrones desde el agua al NADP+. Debido a que
la relación entre el ATP y el NADPH necesaria para la fijación del CO2 es de 3;2, debe
suministrarse al menos 1 ATP más. La fotofosforilación cíclica probablemente opera de
manera independiente para generar el ATP adicional. Esto requiere la absorción de
otros 2 a 4 cuantos.
+
Por lo tanto, son necesarios alrededor de 10 a 12 cuantos de
energía luminosa para reducir e incorporar una molécula de CO2 durante la
fotosíntesis.
9.4.7. Fijación fotosintética del CO2
Aunque la mayoría de los microorganismos puede incorporar o fijar CO2, al menos en
las reacciones anapleróticas, sólo los autotrofos utilizan CO2 como fuentes de carbono
exclusiva o principal. La reducción e incorporación del CO2 requiere una gran cantidad
de energía. Los autotrofos generalmente obtienen la energía mediante la absorción de
luz durante la fotosíntesis, pero algunos la obtienen de la oxidación de dadores de
electrones inorgánicos reducidos. La fijación de CO2 autotrófica es fundamental para la
vida sobre la tierra ya que aporta la materia orgánica de la que dependen los
organismos heterotrofos. Reacciones luminosas fotosintéticas y quimilitotrofia.
Algunos microorganismos pueden fijar CO2 o convertir esta molécula inorgánica en
carbono orgánico y asimilarlo en tres rutas principales. Casi todos los autotrofos
microbianos incorporan CO2 mediante una ruta metabólica especial que recibe diversos
nombres: ciclo de Calvin, ciclo de Calvin- Benson o ciclo reductor de las pentosas
fosfato. Figura Nº 9.25.
395
Figura Nº 9.25. Ciclo de Calvin- Benson
Fuente: (C.K. Mathews, K.E. Van Holde y K.B. Ahern, 2002).
Aunque el ciclo de Calvin se encuentra en eucariotas fotosintéticos, está ausente en
Archaea, en algunas bacterias anaerobias obligadas, y en algunas bacterias
microaerofílicas. Estos microorganismos normalmente emplean una de las siguientes
rutas. Una ruta reducida del ácido tricarboxílico es utilizada por algunas Archaea
(Thermoproteus, Sulfolobus) y por bacterias como Chirorobium y Desulfobacter.
La ruta del acetil-CoA se encuentra en metanógenos, sulfato-reductores, y en bcterias
que pueden formar acetato a partir del CO2, durante la fermentación (acetógenos).
396
Debido a su gran importancia, nos centraremos aquí en el ciclo de Calvin. Rutas
alterantivas para la fijación de CO2.
El ciclo de Calvin tiene lugar en el estroma del cloroplasto de autótrofos microbianos
eucarióticos.
Las cianobacterias, algunas bacterias nitrificantes y tiobacilos poseen carboxisomas,
cuerpos de inclusión poliédricos que contienen la enzima ribulosa-1.5 bisfosfato
carboxilasa
y que podrían constituir
el sitio donde se fija el CO2 o almacena la
carboxilasa y otras proteínas.
Resulta más fácil comprender el ciclo si se divide en tres fases: carboxilación,
reducción y regeneración.
a.
Fase de carboxilación
La fijación del dióxido de carbono la realiza la enzima ribulosa 1,5-bisfosfato
carboxilasa o ribulosabisfosfato, carboxilasa/oxigenasa (rubisco), la cual cataliaza la
adición del CO2 a la ribulosa 1,5- bisfosfato (RuBP), formando dos moléculas de 3fosfoglicerato (PGA). Figura Nº 9.26.
Figura Nº 9.26. Fijación del dióxido de carbono
Fuente: (T. Audesirk y G.Audesirk, 2003).
397
b.
Fase de reducción
Una vez que se ha formado el PGA mediante carboxilación, es reducido a
gliceraldehído 3-fosfato. La reducción, llevada a cabo por dos enzimas es básicamente
la inversión de una parte de la ruta glucolítica, aunque la gliceraldehído 3-fosfato
deshidrogenasa se diferencia de la enzima glucolítica en que utiliza NADH+ en lugar
de NAD+. Figura Nº 9.27.
Figura Nº 9.27. Las tres fases del ciclo de Calvin carboxilación, reducción y
regeneración.
Fuente: (Zannoni, D. 2004)
398
c.
Fase de regeneración
La tercera fase del ciclo de Calvin regenera RuBP y produce h hidratos de carbono
tales como gliceraldehído 3-fosfato, fructosa y glucosa. Esta parte del ciclo es similar a
la ruta de las pentosas fosfato y en ella participan las reacciones de la transcetolasa y
la transaldolasa. El ciclo se completa cuando la fosforribuloquinasa forma de nuevo
RuBP. Figura Nº 9.28.
Para sintetizar fructosa 6-fosfato o glucosa 6-fosfato a partir de CO2, el ciclo debe
operar seis veces para producir la hexosa deseada y formar
en nuevo las seis
moléculas de RuBP.
5 RuBP + 6 CO2 -------> 12 PGA-------> 6 RuBP + Fructosa 6-P
Para incorporar una
molécula de CO2 a la materia orgánica son necesarias tres
moléculas de ATP y dos de NADPH. La formación de glucosa a partir del CO2 puede
resumirse mediante la siguiente ecuación:
6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H+ + 12H2O---->Glucosa + 18ADP + 18P1 + 12NADP+
En los quimioautotrofos, el ATP y el NADPH son aportados por las reacciones
luminosas fotosintéticas o por la oxidación de moléculas inorgánicas. Los azúcares
formados en el ciclo de Calvin pueden utilizarse posteriormente para sintetizar otras
moléculas esenciales.
Figura Nº 9.28. La tercera fase del ciclo de Calvin regenera RuBP
Fuente: (Zannoni, D. 2004)
399
En Chloroflexus la asimilación del CO2 no implica la utilización del ciclo de calvin o del
CAT reverso, sino de una via única, la via del hidroxipropionato, que implica una doble
carboxilacion de acetil-CoA para generar metilmalonil-CoA, que se desdobla en dos
moléculas de acetil-CoA, una de las cuales se utiliza para biosíntesis. Figura Nº 9.28.
Figura Nº 9.28. Generación de metilmalonil-coa en Chloroflexus
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
9.5. FOTO METABOLISMO DE LAS HALOBACTERIAS
Las halobacterias son arqueobacterias adaptadas a vivir en ambientes
de alta
concentración salina. No se desarrollan a concentraciones de NACl inferiores a 2.5
M,
siendo optima para su crecimiento una concentración de 5 M de NaCl. Se trata siempre
400
de organismos organotrofos, siendo la mayoría de las especies aerobios obligados.
Utilizan aminoácidos y ácidos orgánicos como fuente de energía, y requieren
diferentes factores de crecimiento (fundamentalmente vitaminas) para un desarrollo
óptimo.
Las halobacterias, que crecen en agua extremadamente salada, son aerobias
facultativas; ya que pueden crecer en ausencia de oxígeno. Los pigmentos púrpuras
conocidos como retinal (pigmento encontrado en el ojo humano) funcionan como las
clorofilas. La bacteriorodopsina es un complejo formado por retinal y proteínas de la
membrana, la que genera electrones que establecen un gradiente de protones que
activa una bomba ADP-ATP, que produce ATP en presencia de la luz, pero en
ausencia de clorofila. Este comportamiento ayuda a sustentar la universalidad de la
teoría quimio-osmótica de Mitchell, en la función de sintetizar ATP.
9.5.1. Características y clasificación de las Halobacterias
Las halobacterias (o halomebacterias) son una clase de arqueobacterias que se
encuentran en el agua saturada o casi saturada de sal. También son llamados
halófilos, aunque este nombre también se refiere a otros organismos que viven en
medios con alta concentración salina. Crean mareas.
Los Halófilos están todos en el mismo nivel taxonómico:
Fílum
Euryarchaeota,
Clase
Halobacteria,
Orden
Halobacteriales,
Familia
Halobacteriaceae.
La Familia Halobacteriaceae comprende 14 géneros diferentes.
Son aerobios heterótroficos que habitan ambientes hipersalinos y no crecerán en las
concentraciones de ClNa menores de 1.5 molar. Requieren también concentraciones
altas de magnesio para sobrevivir. Algunos géneros no sólo son halofílicos, sino
también alcalófilos.
Es decir, crecen mejor en valores de pH por encima de 9. Estas bacterias
organotróficas requieren iones Na+ para estabilizar su pared celular de glicoproteína.
401
La concentración de sal externa alta es equilibrada por la acumulación intracelular de
iones de K+.
Los halófilos extremos viven en ambientes naturales como el Mar Muerto, el Great Salt
Lake o estanques de agua de mar en evaporación, donde la concentración de sal es
muy alta (tan alto como 5 molar o 25 por ciento ClNa), ya que requieren
obligatoriamente sal para crecer y no lo harán en concentraciones de sal bajas. Su
pared celular, ribosomas y enzimas se estabilizan con Na+. Halobacterium halobium, la
especie prevaleciente en el Great Salt Lake, se adapta al ambiente de alta salinidad
por medio del desarrollo de una "membrana púrpura", que realmente son parches de
pigmento captador de luz en la membrana plasmática. Este pigmento es un tipo de
rodopsina llamado bacteriorrodopsina que reacciona con la luz produciendo un
gradiente de protones en la membrana que permite la síntesis de ATP. Éste es el único
ejemplo en la naturaleza de fotofosforilación no fotosintética.
Estos organismos son heterótrofos que normalmente respiran por medios aerobios. La
alta concentración de NaCl en su ambiente limita la disponibilidad de O2 para la
respiración pero ellos pueden complementar su capacidad productora de ATP
convirtiendo energía luminosa en ATP usando la bacteriorrodopsina. Cuando el
oxígeno está presente en el ambiente, sus membranas plasmáticas son rojas (alto
contenido en carotenoide), pero sin oxígeno, las membranas se vuelven purpúreas
(bacteriorrodopsina).
El crecimiento en ambientes hipersalinos condicionan la fisiología de estos
microorganismos, los cuales, para mantener una presión osmótica intracelular superior
a la del medio externo (situación común en el mundo bacteriano), bombean K+ al
interior de la célula (la concentración intracelular de este ion suele ser de 3M) .El Na+
también es requerido para el mantenimiento de la estructura de su pared celular.
Se clasifican según su tolerancia a la concentración de ClNa:

Halófilos Moderados: 3 a 15% ClNa

Halófilos Medios:

Halófilos Extremos: 18 a 30% ClNa
9 a 24% ClNa
402
El representante típico de este grupo es Halobacterium salinarium que es un halófilo
extremo que crece de forma óptima a concentraciones 4-5 M de ClNa (no lo hace por
debajo de concentraciones de ClNa 3 M). Esta microfotografía de una preparación por
congelación muestra la estructura de la superficie de la membrana de la célula y revela
parches lisos de "membrana púrpura" (bacteriorrodopsina) empotrados en la
membrana plasmática. Algunas especies de Halobacterium utilizan hidratos de
carbono, pero este hecho es poco frecuente. También en este género se han
encontrado especies capaces de crecer anaerobiamente, bien fermentado azucares
bien respirando. En este último caso utilizan nitrato, azufre elemental o tiosulfato como
aceptor terminal de electrones.
9.5.2. Mecanismos de Fotometabolismo de las Halobacterias
Algunas
especies
de
haloarqueas
presentan
en
su
membrana
citoplasmática pigmentos retinales tales como la bacteriorrodopsina (BR) y
la
halorrodopsina
luminosa
Estos
para
que
permiten
al
microorganismo
generar
gradientes
de
protones
gradientes
distintos
procesos
son
utilizados
bioenergéticos.
por
Ambos
el
y
utilizar
cloruro
microorganismo
pigmentos
están
la
energía
respectivamente.
para
realizar
constituidos
por
un tipo de proteína asociadas con una molécula de retinal y se localizan en
la membrana citoplasmática.
Pero mientras la halorrodopsina se encuentra dispersa por la membrana, la
bacteriorrodopsina se concentra en regiones o parches. Así pues encontramos:
a.
Membrana roja
Compuesta esencialmente por lípidos y proteínas. En ella se localizan los pigmentos
carotenoides, la halorrodopsina y el resto de los componentes habituales de la
membrana (ATPasa, transportadores de sustancias, transporte electrónico, etc.).
b.
Membrana púrpura Compuesta exclusivamente por bacteriorrodopsina y lípidos
La membrana púrpura es una membrana transductora de energía luminosa que forma
parte de la membrana citoplasmática (en forma de ³parches´ o ³manchas´) de algunos
microorganismos halófilos extremos pertenecientes al dominio Archaea. Contiene un
solo tipo de proteína, la bacteriorrodopsina (BR), que consiste en una cromoproteína
403
capaz de utilizar la energía luminosa para bombear H+ del interior al exterior de la
célula, generando así un gradiente electroquímico de H+ o fuerza protón-motriz. Las
células son capaces de utilizar esta fuerza protón-motriz para sintetizar ATP y realizar
otras funciones vitales que requieren un gasto energético.
Se considera que se trata del mecanismo más sencillo que se conoce de fototrofía, es
decir
de
transformación
de
la
energía
luminosa
en
un
tipo de energía metabólicamente utilizable.
Figura Nº 9.29. Bombeo de protones dependiente de la luz en las halobacterias.
La excitación producida por la luz provoca que el retinal en estado trans pase a la
forma cis, lo que a su vez provoca la expulsión de un protón hacia el exterior. La
forma cis vuelve a la trans en un proceso no fotodependiente y que incorpora un
protón del citoplasma. El gradiente protónico puede utilizarse para sintetizar ATP
mediante la ATP-asa. P-proteína a la que está unida el retinal a través del residuo
lisina (lys).
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
La membrana de las halobacterias presenta ciertas particularidades, como la presencia
de carotenoides que protegen a la célula de la agresión fotoquímica. Estos
404
carotenoides, denominados bacteriorruberinas, de color anaranjado a rojizo, confieren
a la célula un color rojo. Adicionalmente, la pigmentación se ve potenciada por una
molécula purpura cuya síntesis se induce cuando la presión parcial de oxigeno se
reduce: se trata de la bacteriorrodopcina, denominada de esta forma por su similitud
estructural con el pigmento visual del ojo, la rodopsina .Al igual que esta, la
bacteriorrodopcina consiste en una proteína unida a retinal a través de la membrana
citoplasmática. Figura Nº 9.30
Figura Nº 9.30. Fotosíntesis de Halobacterium halobium
Fuente: (Corzo Varillas J. 2003)
Al disminuir la presión parcial de oxigeno, el color de las células de Halobacterium de
anaranjado-rojizo a un color rojo intenso, debido a la síntesis de bacteriorrodopsina. Si
se aísla la membrana citoplasmática de células que han crecido en ambientes con baja
concentración de O2, la membrana purpura se encuentra cubriendo regiones de la
membrana citoplasmática, lo cual sugiere que la bacteriorrodopsina es acumulada en
la membrana preexistente mientras que se va reduciendo la concentración de O2.
La capacidad de la bacteriorrodopsina de captar luz es utilizada por las células para
llevar a cabo un proceso único, que posibilita la sin tesis de ATP a expensas de la luz
en ausencia de clorofilas. En presencia de luz (la bacteriorrodopsina presenta un
máximo de absorción a 570 nm), el cromóforo retinal, que normalmente se encuentran
en conformación trans, pasa a conformación cis (fig. 23.7), lo que lleva a la
transferencia de protones al exterior de la célula.
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La forma cis tiene tendencia a estabilizarse en la oscuridad, captando protones del
citoplasma. Este ciclo crea un gradiente electroquímico a través de la membrana
citoplasmática, el cual puede ser utilizado para la síntesis de ATP.
La energía generada por esta reacción no permite soportar el crecimiento máximo de
halobacterium en ausencia de una fuente orgánica de energía, pero puede mantener
un crecimiento lento en condiciones anaerobias desfavorables para la obtención de
energía a expensas de materia orgánica y también posibilita mantener la viabilidad de
las células en condiciones anaerobias y en ausencia de fuentes alternativas de
energía. Adicionalmente, el gradiente de protones creado también sirve para bombear
Na+ / H+, y para facilitar la entrada de nutrientes , incluido el K+ necesario para el
equilibrio osmótico .
9.6. BIOLUMINISCENCIA EN LAS BACTERIAS
La relación entre radiación luminosa y metabolismo microbiano no solamente está
restringida a la utilización de la energía radiante por parte de los microorganismos sino
que, también, existen actividades metabólicas microbianas que conllevan la producción
de luz.
Se conoce como bioluminiscencia a la producción de luz de ciertos organismos vivos.
Es un fenómeno muy extendido en todos los niveles biológicos: bacterias, hongos,
protistas unicelulares, celentéreos, gusanos, moluscos, cefalópodos, crustáceos,
insectos, equinodermos, peces.
La bioluminiscencia en el mundo procariota es más frecuente de lo que normalmente
se cree. Las bacterias bioluminiscencias se encuentran en ambientes tanto acuáticos y
terrestres, pudiéndose aislar fácilmente como saprofitos que crecen sobre peces
muertos o sobre carne. A pesar de que diversos grupos bacterianos tienen esta
propiedad, clásicamente ha sido asociada a dos géneros, Vibrio y Photobacterium.
Las Bacterias que emiten bioluminicencia está amplamente distribuídas em ambientes
naturales. A lo largo de los años varios investigadores vienen estudando la fisiologia,
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bioquímica y control genétco de bioluminescencia. Esos descubrimientos han
revolucionado el Área de Microbiología Ambiental a través de la utilización de los
genes lux como biosensores en escudos ambientales. Esta revisión examinará una
cronología de descubrimientos científicos de la bioluminiscencia bacteriana de las
aplicaciones actuales en estudios ambientales, mediante la utilización de test de
toxicidad Microtox. La significancia ecológica da bioluminiscencia será también
examinada.
9.6.1. Mecanismo de la bioluminiscencia
La bioluminiscencia se debe a un proceso químico complejo en el que intervienen
varios elementos. Estos seres sintetizan luciferina, un compuesto orgánico que
reacciona (se oxida) en presencia del oxígeno. La luciferasa es una enzima catalítica
que acelera la reacción y el ATP (trifosfato de adenosina), una molécula que genera la
energía para que tenga lugar la reacción. El exceso de energía se libera en forma de
luz.
Los procesos metabólicos que conducen a la producción de luz por los
microorganismos son actualmente bien conocidos. Las catálisis del proceso depende
de un enzima, la luciferasa, que cataliza una reacción en el cual un aldehído de cadena
larga es oxidado.
Esta reacción emite luz:
Se trata de una reacción que requiere oxigeno, flavin mononucleótido reducido y el
correspondiente aldehído, que suele ser el tetradecanal, aun cuando in vitro el sistema
funcione con moléculas más cortas, de 12 ó 9 átomos de C. la luciferasa es una
enzima compuesto de dos subunidades, α y β. Los genes que codifican dichas
subunidades (lux A y lux B) se encuentran localizados en el mismo operón, que
también incluye los genes luxC, luxD, luxE, que codifican una reductasa de ácidos
grasos. El clonaje de este bloque de genes ha abierto enormes posibilidades de
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aplicaciones prácticas a la emisión de luz por las bacterias, ya que es posible convertir
en bioluminiscentes a muchos microorganismos que de forma natural no lo son. Para
ello, solamente es necesario introducir un plásmido recombinante que contenga los
genes anteriormente mencionados.
Si bien la mayoría de las bacterias carecen de la luciferasa y de la reductasa de ácidos
grasos, sí que pueden proporcionar FMNH2 y, en la práctica, el aldehído puede ser
suministrado por el medio.
La posibilidad de convertir en bioluminiscentes a bacterias que de forma natural no lo
son ofrece innumerables posibilidades de aplicaciones prácticas, entre las que se
puede incluir el estudio de la expresión de genes diferentes (fusionando con el operón
lux al gen de interés), la detección de la presencia en determinadas muestras de un
microorganismo concreto (utilizando bacteriófagos específicos portadores de los genes
lux que, una vez introducidos en la bacteria si la misma se encuentra presente,
provocarán la aparición de luminiscencia en la muestra), o la detección de la viabilidad
bacteriana, ya que la producción de luz es dependiente del estado energético de la
bacteria. De hecho, la detección de la presencia de microorganismos por la producción
de luz tiene sin duda proyección en muchos campos de la microbiología aplicada, por
ejemplo, cuando se requiera comprobar el efecto de algún producto o condición
ambiental sobre una microflora especifica, la cual habrá sido previamente convertida
en bioluminiscente.
9.6.2. Simbiosis con bacterias Luminiscentes
Este fenómeno se conoce sólo en animales marinos tales como los celentéreos,
gusanos, moluscos, equinodermos y peces. La luz emitida por el pescado o la carne en
descomposición se debe a bacterias mientras que la de la madera muerta se debe
tanto a bacterias como a los micelios de ciertos hongos. En el mar existen bacterias
libres como Bacterium phosphorescens o la especie del mar Báltico Vibrium balticum.
Otras muchas bacterias bioluminiscentes viven como parásitos o en simbiosis con
otros animales.
Parece ser el fenómeno de luminiscencia de origen biológico más extendido en el reino
animal. En diversos lugares del cuerpo los animales disponen de pequeñas vejigas,
comúnmente llamadas fotóforos, donde guardan bacterias luminiscentes. Algunas
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especies producen luz continua cuya intensidad puede ser neutralizada o modulada
mediante diversas estructuras especializadas. Normalmente los órganos luminosos
están conectados al sistema nervioso, lo que permite al animal controlar la emisión
lumínica a voluntad.
La relación entre la bacteria Vibrio fischeri y el calamar sepiólide Euprymna scolopes
es un sistema que sirve como modelo de simbiosis en el laboratorio. En su fase juvenil,
el Euprymna scolopes posee una serie de apéndices recubiertos de mucosidad
alrededor de su órgano luminoso con los que recoge bacterias Vibrio fischeri del
entorno marino. Cuando la cantidad es suficiente, los apéndices mueren al tiempo que
el órgano luminoso madura en un proceso fisiológico que se ha asociado con la
aparición de la citotoxina traqueal.
La composición química de estas sustancias varía en las distintas especies
bioluminiscentes. Por ello, se desarrolla una variada gama de colores, entre el verde y
el azul como los más comunes, y el rojo o el ámbar en casos más puntuales: la
medusa abisal Periphylla periphylla genera tonalidades rojizas.
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