Metabolismo en microorganismos

La quimiolitotrofia y la fototrofía son procesos biológicos fundamentales en los que microorganismos y fototrofos capturan energía de fuentes inorgánicas y luz, respectivamente. Estos organismos juegan un papel crucial en ecosistemas extremos, realizando la oxidación de compuestos inorgánicos o la fotosíntesis para obtener energía y fijar CO2, lo que les permite crecer de manera autotrófica. La generación de ATP y NADH es esencial para su metabolismo y supervivencia en condiciones donde los recursos son escasos.

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Quimiolitotrofia: Extracción de Energía de Compuestos Inorgánicos

La quimiolitotrofia es un tipo de metabolismo en el que ciertos microorganismos, denominados quimiolitotrofos, obtienen energía mediante la oxidación de sustancias inorgánicas como el sulfuro de hidrógeno (H2S), el hidrógeno (H2), el hierro ferroso (Fe2+) y el amonio (NH4+). Estos microorganismos pueden vivir en ambientes aeróbicos o anaeróbicos y son capaces de prosperar en ecosistemas ricos en compuestos inorgánicos reducidos. La oxidación de estos compuestos inicia una cadena de transporte de electrones que resulta en la generación de un gradiente protónico, el cual es utilizado para la síntesis de ATP, de manera análoga a la fosforilación oxidativa en organismos que metabolizan compuestos orgánicos. Un ejemplo representativo es la bacteria Ralstonia eutropha, que utiliza el hidrógeno como donante de electrones y cuenta con dos tipos de hidrogenasas: una asociada a la membrana que participa en la generación de energía y otra citoplasmática que reduce NAD+ a NADH, esencial para el crecimiento autotrófico.

Colonia de microorganismos en medio de cultivo agar con tinción, mostrando estructuras en tonos verdes y azules sobre fondo amarillento.

Fosforilación Oxidativa: Proceso Común en Quimiolitotrofos y Quimoorganotrofos

La fosforilación oxidativa es un mecanismo central tanto para quimiolitotrofos como para quimoorganotrofos en la conservación de energía. En los quimiolitotrofos, la cantidad de energía disponible depende de la diferencia de potencial de electrodo estándar (ΔE0') entre el donante y el aceptor de electrones. Estos organismos tienen la capacidad de adaptarse a condiciones aerobias o anaerobias, y la vida puede ser sostenida por una amplia gama de pares de donantes y aceptores de electrones, siempre que la reacción redox asociada libere suficiente energía libre para permitir la síntesis de ATP a través de una cadena de transporte de electrones eficiente.

Autotrofía en Quimiolitotrofos: Síntesis de Compuestos Orgánicos a partir de CO2

A diferencia de los quimoorganotrofos, que son heterótrofos y obtienen carbono a partir de compuestos orgánicos, los quimiolitotrofos suelen ser autótrofos, utilizando el dióxido de carbono (CO2) como su principal fuente de carbono. La fijación de CO2 en compuestos orgánicos requiere un aporte considerable de poder reductor, como el proporcionado por el NADH, para la biosíntesis de componentes celulares. No obstante, los potenciales de electrodo de los donantes de electrones utilizados por los quimiolitotrofos suelen ser más positivos que el del par NAD+/NADH, lo que representa un desafío para la generación de NADH. Algunos quimiolitotrofos, como R. eutropha, superan este obstáculo utilizando hidrogenasas para producir NADH directamente, mientras que otros recurren al transporte inverso de electrones, un proceso energéticamente costoso, para obtener el poder reductor necesario para la fijación de carbono.

Fototrofia: Conversión de Energía Lumínica en Energía Química

Los fototrofos son organismos que capturan energía lumínica para impulsar reacciones químicas, principalmente la fotosíntesis. Este proceso conduce a la generación de un gradiente protónico que es utilizado por la ATP sintasa para producir ATP mediante fotofosforilación. Los fototrofos se clasifican en oxigénicos, como las cianobacterias y las plantas, que producen oxígeno al oxidar el agua, y anoigénicos, que no liberan oxígeno durante su proceso fotosintético. Las bacterias púrpuras son un ejemplo de fototrofos anoigénicos que utilizan centros de reacción fotosintéticos y fotopigmentos como las bacterioclorofilas para absorber la luz y transferir energía al centro de reacción, donde se convierte en energía química.

Fotofosforilación Cíclica en Bacterias Púrpuras

En las bacterias púrpuras, la fotofosforilación cíclica es un proceso en el cual la energía lumínica excita la bacterioclorofila P870 a su estado energético P870*, que actúa como un potente donante de electrones. Estos electrones se transfieren a una quinona y circulan a través del complejo citocromo bc1, retornando finalmente a P870. Este ciclo permite a las bacterias púrpuras generar ATP de manera continua en presencia de luz, sin la necesidad de un aceptor de electrones externo, lo que les confiere una gran flexibilidad en ambientes donde los aceptores de electrones pueden ser limitados.

Generación de Poder Reductor en Fototrofos y Quimiolitotrofos para el Crecimiento Autotrófico

Tanto fototrofos como quimiolitotrofos necesitan poder reductor, como el NADH, para el crecimiento autotrófico. En algunos casos, estos organismos utilizan compuestos de azufre reducidos como donantes de electrones, pero cuando el potencial de electrodo de estos donantes no es suficientemente negativo para reducir directamente el NAD+, se recurre al transporte inverso de electrones. Este mecanismo implica el uso de energía derivada del gradiente protónico para mover electrones en contra de su gradiente electroquímico, reduciendo así el NAD+ a NADH. Este proceso es esencial para la biosíntesis de biomoléculas necesarias en las rutas metabólicas autotróficas.

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Los quimiolitotrofos pueden habitar en ambientes ______ o ______ y prosperar donde hay compuestos inorgánicos reducidos.