Quimioorganotrofía (II). Respiración anaerobia

Tras analizar dos de las formas que tienen los organismos quimioorgánotrofos de obtener poder reductor, la respiración aerobia y la fermentación, ahora nos centraremos en la tercera forma: mediante la respiración anaerobia.

Índice
  1. Respiración anaerobia
    1. Rendimiento energético
    2. Desnitrificación
    3. Reducción de sulfato y azufre
    4. Reducción de ion férrico (hierro)
    5. Acetogénesis
    6. Metanogénesis
    7. Aceptores orgánicos de electrones
    8. Bioluminiscencia

Respiración anaerobia

La respiración anaeróbica es igual a la aeróbica salvo en el aceptor terminal de electrones, que nunca es el oxígeno. No obstante, los componentes de la cadena de transporte de electrones (CTE) no siempre son los mismos que en la aeróbica. En el caso de la desnitrificación, el proceso de respiración anaeróbica compite con la aeróbica en el mismo organismo: si crece en presencia de oxígeno se favorece la aeróbica; si se agota, se efectúa la anaeróbica.

El donador de electrones es un compuesto orgánico, como en la respiración aeróbica. Los aceptores terminales de electrones pueden ser inorgánicos pero también pueden ser orgánicos. No debemos confundir la reducción desasimilatoria (de nitrato a nitrito, sulfato a sulfito) con la utilización de estos compuestos como nutrientes (nitrato como fuente de nitrógeno, sulfato como fuente de azufre, etc).

Algunos microorganismos con respiración anaeróbica son anaerobios estrictos, como las bacterias sulfatorreductoras y arqueas metanogénicas. Otros pueden alternar entre respiración aerobia y respiración anaerobia, dependiendo de la disponibilidad de los aceptores terminales de electrones (bacterias desnitrificantes). En el caso de las enterobacterias, además de poder realizar respiración aeróbica y anaeróbica (empleando nitratos como aceptor terminal), pueden tener también metabolismo fermentativo.

Rendimiento energético

El rendimiento energético no es tan eficiente en cuanto a la síntesis del ATP por fosforilación oxidativa como la respiración aeróbica. Los aceptores terminales de electrones tienen un potencial redox siempre menos electropositivo que el del oxígeno. Interesa que los donadores tengan un potencial redox muy electropositivo.

La producción de energía está relacionada con la diferencia de potenciales redox entre donador de electrones y aceptor. Se dispone de menos energía para sintetizar ATP en la respiración anaerobia. No obstante, es útil y más eficiente que las fermentaciones; además, permite sintetizar ATP por fosforilación oxidativa en ausencia de oxígeno.

Veamos las diferencias que aparecen en la respiración anaerobia en función de cual es su aceptor terminal de electrones.

Desnitrificación

El aceptor terminal de electrones es el nitrato, que se reduce hasta nitrito (reducción de NO3- a NO2- ). El par nitrato/nitrito tiene un potencial de +0'43, pero la cadena hasta el nitrato es más corta que en la respiración aerobia. Se realiza mediante la nitrato reductasa. Esta reacción no es una forma muy eficiente de obtención de ATP, pues se requiere bastante cantidad de nitrato para el crecimiento, y el nitrito formado suele ser tóxico. En algunos organismos no acaban la reducción en nitrito, lo siguen reduciendo hasta nitrógeno gas (desnitrificación en sentido estricto: de NO3- a N2) que escapa a la atmósfera.

La mayoría de bacterias que llevan a cabo esta respiración anaerobia son proteobacterias anaeróbicas facultativas. Provocan pérdidas importantes de nitrógeno útil en suelos y en abonos, ya que los nitratos son los fertilizantes nitrogenados de más fácil uso por parte de las plantas. En condiciones anóxicas, estas bacterias pueden provocar la transformación de los nitratos hasta nitrógeno gas que escapan del suelo o el abono, usando respiración anaerobia en este caso. Especies del género Bacillus, Pseudomonas denitrificans y Spirillum itersonii llevan a cabo la desnitrificación en sentido estricto.

Reducción de sulfato y azufre

La reducción asimilatoria está ampliamente distribuida en la gran mayoría de organismos, pero la capacidad de usar sulfatos como aceptor terminal de electrones y generar energía está limitada a bacterias sulfatorreductoras y unas pocas arqueas, todas ellas anaerobias estrictas.

El producto final es el H2S, que se excreta fuera de la célula. Emplean como donadores de electrones productos de fermentación de otras bacterias. Éstos se van a oxidar, el lactato se oxida a piruvato y éste a acetato, obteniendo ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Algunas siguen oxidando el acetato (tipo II), mientras que hay otras que no (tipo I), y lo excretan como producto final.

Los del tipo II son capaces de usar ácidos orgánicos como una fuente de carbono y los oxidan hasta CO2. La mayoría son de origen marino, y hay dos mecanismos bioquímicos para la oxidación del acetato. La mayoría lo hacen por la vía del acetil-CoA (puede ir en ambos sentidos, en este caso va en la dirección de oxidación del acetato), cuyo enzima clave es la CO deshidrogenasa. Desulfobacter no usa esta vía, usa el ciclo del ácido cítrico modificado (CAC), emplea muchos de los enzimas del ciclo TCA, y contiene un enzima particular que activa el acetato para que reaccione con el succinil-CoA para la transferencia del CoA. El acetil-CoA se oxida hasta CO2. Cuando el acetil-CoA reacciona con el oxalacetato se libera citrato y se forma ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

Uso desasimilador del sulfato

El sulfato es muy estable y requiere la activación con ATP por la ATP sulfurilasa, formándose APS (adenosina fosfosulfato). Posteriormente, se reduce el sulfato a sulfito por la incorporación de 2 electrones. El sulfito se reduce hasta sulfhídrico a través de una serie de intermediarios. La sulfito reductasa cataliza el paso de sulfito a triptionato, otras reductasas seguirán reduciendo hasta H2S.

Los electrones llegan mediante una cadena de transporte de electrones basada en citocromos. El transportador principal es un citocromo periplasmático muy electronegativo, el citocromo C3. Acepta electrones de una hidrogenasa periplasmática, que los cede a un complejo de citocromos periplasmático asociado a la membrana denominado Hmc. Este complejo transporta los electrones a través de la membrana hasta una ferrosulfoproteína citoplasmática que suministra los electrones a las reductasas.

Ciclo del hidrógeno

El hidrógeno puede proceder del medio o ser generado por algunos donadores orgánicos de electrones. Una vez en el interior difunde a través de la membrana hasta la hidrogenasa periplasmática. Su destino final depende de las condiciones externas: presencia o no del sulfato.

Si hay sulfato, el H2 es oxidado por la hidrogenasa y da lugar a protones y electrones. Los electrones siguen la cadena de transporte de electrones comentada anteriormente. Los protones no entran al interior debido a la disposición espacial en la membrana de los componentes de la cadena, lo que causa una fuerza protón-motriz usada para la síntesis de ATP.

Si no hay sulfato disponible y el hábitat contiene arqueas metanogénicas, el H2 producido puede ser transferido a estas arqueas, y las sufatorreductoras dependerán de la obtención de ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

Es especialmente importante para las bacterias del tipo I, que no son capaces de oxidar el acetato y obtener energía de ello.

Dismutación del azufre

Algunas sulfatorreductoras llevan a cabo una dismutación del azufre, es decir, la rotura de un compuesto de azufre en dos, uno más oxidado y otro más reducido. Se puede realizar en compuestos con estados de oxidación intermedios como el tiosulfato. Producen energía ya que se favorece la formación de una fuerza protón-motriz.

Reducción del azufre

Hay microorganismos que reducen el azufre directamente hasta sulfhídrico y obtienen energía por la generación de una fuerza protón-motriz. Lo llevan a cabo algunas arqueas termófilas extremas como Desulfuromonas o Thermoproteus.

Reducción de ion férrico (hierro)

Podemos diferenciar las geobacterias (Geobacter) y acidobacterias (Acidobacterium), que pueden usar el ion férrico como aceptor terminal de electrones.

Las geobacterias son GRAM-, anaerobias, con habilidades que las hacen muy interesantes para la biorremediación. Son los primeros organismos descritos capaces de oxidar compuestos orgánicos derivados del petroleo convirtiéndolos en inocuos para el medio ambiente, y son capaces de llevar descontaminación de acuíferos anóxicos ricos en hierro.

Las acidobacterias son GRAM-, ubicuas, quimioheterótrofas (aunque algunas son fotótrofas). Son acidófilas y algunas son termófilas. No se dispone de gran información de este tipo de bacterias, pues la mayoría no son cultivables, aunque Acidobacterium sí lo es. Provocan la decoloración de obras de arte y pinturas rupestres, ya que reducen el óxido férrico a ferroso. Han sido descritas como las bacterias más abundantes mediante estudios moleculares en ambientes edáficos.

Acetogénesis

El CO2 es el aceptor de electrones. Este gas es muy abundante en ambientes anóxicos; es uno de los productos del metabolismo energético de los quimioheterótrofos.

El acetato puede proceder de la fermentación o de algún tipo de respiración anaerobia. Hay dos grupos de procariotas anaerobios estrictos que pueden usar CO2 como aceptor terminal y en ambos actúa de donador el H2. Son los metanógenos y los homoacetógenos. En ambos se generan gradientes de protones o sodio que impulsan una ATPasa de membrana, lo que implica que, además de fosforilación a nivel de sustrato, hay fosforilación oxidativa.

Los homoacetógenos generan sólo acetato. El acetato se puede obtener por la fermentación de compuestos orgánicos (el CO2 originado es convertido en acetato) o por la reducción de CO2 a acetato empleando el H2 como donador de electrones. La mayoría de los que realizan la acetogénesis son GRAM+ y sólo fermentan (Clostridium aceticum, Acetobacterium). Algunos son autótrofos (la minoría, algunas GRAM+ y otros GRAM-) y tienen como única fuente de carbono el CO2.

Metanogénesis

Este proceso llevado a cabo por organismos metanógenos consiste en que, a partir del CO2 (fuente de carbono y aceptor terminal de electrones), se forma metano. La realizan las arqueas metanogénicas como Methanobacterium.

Usan autotróficamente el CO2 como fuente de carbono, aunque algunos pueden usar diversos compuestos de 1C como el etanol. Otros necesitan un aporte exógeno de carbonos orgánicos, como el acetato. El H2 suele ser la fuente de poder reductor.

Existen 3 tipos de sustratos metanogénicos: tipo CO2 (CO2, CO, HCOOH), con grupo -CH3 (CH3OH, metilamina) y tipo CH3COO- (reacción acetotrófica).

Poseen grandes cantidades de unos coenzimas exclusivos de ellos, muy superiores a los coenzimas habituales. Podemos diferenciar dos grupos, los portadores de carbono y los que intervienen en las reacciones redox.

  • Portadores C1:
    • El metanofurano transporta restos formilo.
    • La metanopterina posee una estructura similar al ácido fólico, presenta fluorescencia azul brillante tras absorber luz a 342 nm y participa en cualquier paso de reducción de formilo a metilo.
    • El coenzima M (CoM) en su forma activa es el 2-mercaptoetanosulfónico y se puede detectar como ditioetanosulfónico, es el portador de grupos metilo. Este último posee una especificidad muy alta con el enzima metil-reductasa, es muy ácido y posee una elevada concentración de azufre para su pequeño tamaño. Un compuesto análogo al coenzima M, el ácido bromoetanosulfónico es un inhibidor del coenzima M. Este inhibidor se usa para bloquear específicamente la metanogénesis.
  • Coenzima F430: no es un transportador de C1; es un tetrapirrol de níquel y absorbe luz a 430nm. No produce fluorescencia. Cumple un importante papel en el paso catalizado por la metil-reductasa, como el coenzima M.
  • Cofactor F420: posee una estructura compleja derivada de la flavina. La forma oxidada absorbe luz a 420nm y resenta fluorescencia azul-verdosa, cuando se reduce pierde el color. Es donador de electrones durante el proceso.
  • Coenzima B: es el 7-mercaptoheptanoil treonina fosfato. Es similar al ácido pantoténico. Es muy importante en la última reacción, como donador de electrones.

Ruta metanogénica

Consiste en la reducción de CO2 hasta metano, impulsada en general por el H2, aunque otros compuestos pueden donar electrones para formar metano, como el hierro.

  1. El metanofurano activa el CO2 y lo reduce hasta formilo. El resto formilo es transferido a la metanopterina.
  2. En 3 etapas el resto formilo es deshidratado y reducido hasta metilo (siempre unido a la metanopterina). F420 es el responsable de donar electrones en las dos últimas reacciones (cedidos a éste por el H2).
  3. La metanopterina cede el resto metilo al coenzima M. Se forma el metano por la metil-reductasa con la participación de F430 y coenzima B. Se forma un heterodisulfuro entre el coenzima M y el coenzima B al liberarse el resto metilo. Es importante para la obtención de ATP por la generación de una fuerza protón-motriz.

Fijación de CO2 en material celular (autotrofía)

Tiene lugar por la vía del acetil-CoA. Pueden crecer simplemente en presencia de CO2 e hidrógeno, obteniendo material celular y energía de estos dos compuestos. Hay una conexión entre la vía de formación de metano para obtención de ATP y la vía biosintética. En ambos casos se producen restos metilo, por lo que al integrar ambas vías ahorran energía.

Para formar o producir acetato obtienen los grupos metilo a partir de la vía metanogénica. Parte de la metil-metanopterina cede los restos metilo a un enzima Corr (enzima con corrinoide) produciendo metil-corrinoide (la corrina es similar a la porfirina, pero con el átomo central de Co). Este enzima corrinoide cede el resto metilo a la CO-deshidrogenasa para la formación de acetato.

Obtención de energía

La variación de energía libre de la reacción es de unos -31.2 Kcal/mol. Como la concentración real de H2 en la naturaleza es muy baja, menor de 10μM,  ΔGº real es de unas 7'1 Kcal/mol. El heterodisulfuro formado se puede reducir con electrones procedentes del hidrógeno pero que son transferidos a través del factor 420 (reacción catalizada por una heterodisulfuro-reductasa), lo que permite la síntesis de ATP. Es una reacción exergónica que implica la expulsión de protones fuera de la membrana. La disipación del gradiente protónico por una ATPasa de membrana permite la síntesis de ATP. También interviene en este transporte un transportador exclusivo de las arqueas metanogénicas, la metanofenazina.

Si las arqueas dejasen de formar metano, morirían, pues no obtendrían todo el ATP necesario. Al parecer casi todos los metanógenos son capaces de usar el azufre como aceptor terminal de electrones por una respiración anaerobia.

Aceptores orgánicos de electrones

Fumarato: el más extensamente estudiado. Junto con el succinato son intermediarios del ciclo TCA. Entre las bacterias que lo emplean están E. coli y otras bacterias anaerobias facultativas.

Óxido de trimetilamina (TMAO): se reduce hasta trimetilamina. En peces marinos cumple funciones orgánicas muy importantes en la expulsión del exceso de nitrógeno (que constituyeran parte del peso seco de estos peces). Es el responsable del olor a mar. La TMA posee un fuerte olor y sabor, parte del olor característico del pescado en descomposición se debe a la TMA. Es llevada a cabo por algunas bacterias anaerobias facultativas, otras bacterias rojas no del azufre sin O2 ni luz.

Dimetilsulfóxido (DMSO): se convierte en sulfuro de dimetilo (DMS). Puede ser llevada a cabo por muchas bacterias rojas, Escherichia y Camplylobacter. Es un producto muy natural y común en los medio acuáticos (DMSO), el DMS posee un olor fuerte y sabor picante.

Bioluminiscencia

Es una quimioluminiscencia, una generación de luz mediante reacciones bioquímicas. La transferencia de electrones permite la emisión de luz. Muchos casos de luminiscencia en animales son debidos a bacterias simbiontes como Vibrio harveyi, V. fischeri, Photobacterium phosphoreum, Ph. Leiognathi, Nostoc. Todas estas bacterias son frecuentes en el mar. Algunas, aun siendo anaeróbicas facultativas, sólo producen luminiscencia en presencia de oxígeno. Son capaces de desviar los electrones de la cadena respiratoria hasta el oxígeno para generar la luz, sin intervención de transportadores.

Para producir la luz se precisa la enzima denominada luciferasa, un aldehído de cadena larga de más de 8C (normalmente 12) denominado luciferina, flavin mononucleótido (FMN) y O2. La luciferasa se activa en presencia de FMN y O2, actúa sobre la luciferina, y cuando ésta vuelve a su estado basal emite luz azul-verdosa desde 470 a unos 505nm (V. fischeri emite a una longitud superior, a 545nm). El dodecanal se oxida a ácido dodecanoico, activando la luciferasa. Se activa al detener la cadena de transporte de electrones, con lo que se evita que los electrones lleguen al O2.

bioluminiscencia
Proceso de bioluminiscencia en el mar.

La síntesis de luciferasa está regulada por un mecanismo de percepción de quórum, hay un autoinductor (AHL, lactona de homoserina acilada) codificado por el gen lux I. Lo producen cuando la densidad celular en el medio es lo suficientemente elevada.

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