Tema 8. Reacciones Rédox Flashcards
¿Cómo es el catabolismo y el anabolismo en los microorganismos?
Los nutrientes, incluidos la fuente de carbono, la de energía y la de poder reductor, serán captados por la célula del medio ambiente y en sus reacciones de catabolismo conseguirá generar ATP, cofactores reducidos y metabolitos precursores, que son compuestos orgánicos clave en todas las rutas biosintéticas
Así, con todos estos compuestos básicos de la célula, en las reacciones del anabolismo, es decir, reacciones de biosíntesis, se usará la energía, el poder reductor y los metabolitos precursores para formar unidades estructurales como ácidos grasos, aminoácidos, azúcares, nucleótidos… que darán a macromoléculas
¿Cómo toman los microorganismos la fuente de carbono?
a) De compuestos orgánicos, en cuyo caso se denominan heterótrofos
b) Del CO2, denominados entonces autótrofos. Este directamente tendrá que participar en reacciones del anabolismo para formar los metabolitos precursores que no estarán formados. Para ello, necesitará poder reductor (obtenido de compuestos inorgánicos reducidos) y energía (bien de la luz, en cuyo caso se denominan fotoautótrofos; o bien de la oxidación de compuestos inorgánicos reducidos, denominados quimioautótrofos)
¿Cuáles son los 12 metabolitos precursores base para todas las reacciones celulares?
Glucosa 6P
Fructosa 6P
Ribosa 5P
Eritrosa 4P
Gliceraldehído 3P
Ácido 2-fosfoglicérico
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
Acetil-CoA
Ácido oxalacético
Ácido alfa-cetoglutárico
Succinil-CoA
¿Resumen de aquellos metabolitos precursores?
A partir de la glucosa, mediante la glucólisis, generaremos piruvato y acetil-CoA, que se incorporarán al ciclo de Krebs. A lo largo de estas rutas hay diferentes puntos desde los que se derivan la síntesis de aminoácidos: el oxalacetato es uno de ellos, por lo que a partir de él hay muchas reacciones que conducen a la síntesis de diversos aminoácidos. Lo mismo ocurre a partir del alfa-cetoglutarato. Así mismo, de intermediarios de la glucólisis también existen varios que derivan hacia la síntesis de aminoácidos
Puesto que el ácido oxalacético es muy importante en la formación de muchos aminoácidos, la célula debe asegurarse un aporte continuo del mismo, más allá del que viene del ciclo de Krebs. Para ello, los microorganismos poseen las denominadas rutas anapleróticas, mediante las cuales el PEP se puede transformar en ácido oxalacético
¿Qué son las reacciones rédox?
Las reacciones redox constituyen la base de todo el metabolismo. Proporcionan la energía necesaria para el trabajo celular. Así mismo, proporcionan poder reductor que será para la biosíntesis de moléculas
Un compuesto reducido, se va a oxidar cediendo sus electrones para que otro compuesto oxidado se reduzca. Así, las reacciones redox están formadas por dos semirreacciones: oxidación y reducción
Decimos que un compuesto está oxidado cuando tiene menos electrones, menos protones y más oxígeno que su pareja. Por su parte, estará más reducido si presenta un mayor número de electrones y protones y menos cantidad de oxígeno en su estructura que su pareja
Para que un compuesto pueda ser oxidado necesita que otro sea reducido, esto es, nunca se dará solo una semirreacción
La facilidad que tiene un compuesto en dar electrones se mide por el potencial redox
En estas pareja, el compuesto más oxidado estará a la izquierda y el más reducida a la derecha
La reacciones ocurrirán de forma espontánea cuando el donador de electrones sea un compuesto con un potencial redox muy negativo y se los dé a un compuesto oxidado con un potencial redox más positivo. Los electrones fluyen desde el componente reducido de arriba hasta el componente oxidado de abajo
¿Qué reacciones redox se van a producir de forma espontánea en el metabolismo?
Potencial de reducción. Cuanto más negativo sea ese valor, menor potencial reducción
Las reacciones liberan energía (es decir, se producen espontáneamente) si los electrones son cedidos desde compuestos reducidos con potencial de reducción más negativo a otros oxidados con potencial de reducción más positivo
Los compuestos que están a la derecha de un par con un potencial de reducción negativo van a reaccionar con compuestos que están a la izquierda, es decir, compuestos oxidados, de un par con un par de potencial de reducción más positivo. Nos encontramos así las reacciones exergónicas, en las que la diferencia del potencial de reducción entre el potencial del oxidante y el del reductor es positiva
¿Cómo se mide que una reacción pueda ocurrir o no?
La energía libre de Gibbs, energía libre o entalpía libre es proporcional a la diferencia entre los potenciales de reducción entre el compuesto que va a actuar como oxidante y el compuesto que va a actuar como reductor. Depende de la constante de Faraday (F) y del número de electrones (n)
Si la diferencia de los potenciales es positiva, la energía de Gibbs es negativa, condición para que la reacción sea espontánea
Las reacciones exergónicas liberan energía, mientras que las endergónicas, desplazadas hacia los reactivos, requieren energía
¿Qué ocurre con las reacciones exergónicas en el metabolismo?
Una reacción exergónica se puede acoplar a la realización de un trabajo útil:
a) Formación de un compuesto rico en energía
b) Formación de un gradiente de concentración y/o de carga eléctrica a ambos lados de una membrana, es decir, formación de un gradiente electroquímico a través de una membrana
¿Cuál es la moneda de transferencia de potencial de reducción en la célula?
Los cofactores FADH2, NADH+H+ y FMNH2 acumulan y transportan el poder reductor, lo ceden en caso de ser necesario en una reacción.
a) El NAD+ en su forma oxidada tiene una carga positiva en el núcleo de nicotinamida, y cuando dos equivalentes de reducción, es decir, dos protones y dos electrones, se queda con los dos electrones, pero solo acepta un protón, de forma que el otro protón queda suelto. La forma reducida se escribe como NADH+H+. Cabe destacar que NAD+ interviene más es reacciones del catabolismo, mientras que el NADP+ lo hace en anabolismo
b) FAD en su forma reducida capta los dos electrones y los dos protones, por lo que se escribe como FADH2. El FAD se forma con el núcleo de la riboflavina, que es la vitamina B12, cofactor para muchos microorganismos que no pueden sintetizar este compuesto. Por tanto, es esencial para el metabolismo.
c) El FMN, al cual le falta AMP, participa sobre todo como transportador de membrana
Estas son diferentes moléculas que acumulan y ceden los equivalentes de reducción en las reacciones del metabolismo
¿Cuál es la moneda energética de la célula?
El ATP, gracias a que los enlaces entre los grupos fosfato son muy ricos en energía. Esto significa que, a partir de AMP, proporcionando esa energía y fosfatos, podemos pasarlo a ADP y, si existe alguna reacción en el metabolismo que proporcione de nuevo la energía y fosfato requeridos, se pueda formar ATP a partir de ADP
La fuente de energía para que se forme este ATP pueden ser moléculas orgánicas, inorgánicas o la luz
¿Cómo es el proceso de la fosforilación a nivel de sustrato?
La fuente de energía son moléculas orgánicas o inorgánicas. Un compuesto reducido es oxidado liberando energía que se utiliza para la formación de dos enlaces, esto es, para la síntesis de ATP a partir de ADP+Pi. No obstante, hay una diferencia, y es que esta fosforilación a nivel de sustrato constituye el único mecanismo de síntesis de ATP en organismos que fermentan. Sin embargo, en microorganismos que respiran, la generación de ATP ocurre tanto por fosforilación a nivel de sustrato como mediante fosforilación oxidativa
En este proceso, hay una síntesis de ATP en ausencia de aceptor externo de electrones mediante la ruptura de enlaces ricos en energía
Muchos de los compuestos con enlaces ricos en energía contienen un grupo fosfato que, cuando se hidroliza, se acopla a la síntesis de ATP. Esto, por ejemplo, se ve en la reacción que se da en la glucólisis: el PEP se pasa a piruvato, con lo que se pierde ese grupo fosfato y se acopla a la síntesis de ATP porque este es un enlace rico en energía. Concretamente, tiene que liberar más energía que la necesaria para formar este enlace éster. Por su parte, otras moléculas también tienen enlaces de alta energía aunque no tengan grupos fosfato, como el acetil-CoA que se produce en la beta-oxidación de los ácidos grasos o en la degradación de las proteínas. La primera etapa del ciclo de Krebs es la incorporación de los dos carbonos que provienen del acetil-CoA al ácido oxalacético para formar el ácido cítrico gracias a la ruptura de este enlace (enlace tioéster)
¿Cómo es el proceso de la fosforilación oxidativa?
Se basa en una diferencia de potencial a ambos lados de una membrana creado por la oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos. Ese gradiente, mediante la acción de una ATPasa, puede hacer que se genere el ATP
La fosforilación oxidativa descrita por la teoría quimiosmótica de Michel le valió el Nobel de Fisiología en 1978. Propuso este flujo de electrones en la cadena de transporte electrónico desde transportadores con un potencial electroquímico más negativo, hasta otros con potenciales más positivos. Este flujo, a través de los transportadores, hace que se genere un gradiente de protones a través de la membrana que luego es aprovechado por la ATPasa para la síntesis de ATP
Esta cadena de transporte está en la membrana plasmática en microorganismos procariotas, mientras que en eucariotas se localiza en la membrana interna mitocondrial. No obstante, básicamente su estructura es la misma y el funcionamiento es el siguiente:
Los electrones que proceden de la oxidación de la fuente de energía celular son transferidos a un complejo NADH deshidrogenasa (también FADH). Los compuestos que pueden aportar esos electrones son compuestos orgánicos reducidos (quimioorganótrofos) o bien compuestos inorgánicos reducidos (quimioautótrofos). Este complejo deshidrogenasa, a su vez, transfiere esos electrones a una flavoproteína. A continuación suelen encontrarse proteínas Fe-S, seguidas de quinonas, y como últimos componentes, citocromos. Finalmente, los electrones son cedidos a un aceptor final que es el oxígeno en la respiración aerobia u otro compuesto oxidado (inorgánicos, como pueden ser el nitrato, el sulfato, el ion férrico, el CO2; u orgánicos como el fumarato) en la anaerobia
La diferencia de potencial que se crea a ambos lados de la membrana, como diferencia en la concentración de protones, es una forma de de energía para la célula que podrá utilizar, por ejemplo, para el movimiento flagelar, para el transporte de nutrientes y/o para la síntesis ATP
Esta cadena de transporte de electrones es exclusiva de organismos que respiran, pero la ATPsintasa no es exclusiva de organismos que respiran, sino que también se puede dar en microorganismos que respiran porque este gradiente electroquímico no solamente se usa en la síntesis de ATP, sino que también puede ser usado para otros trabajos. Por ejemplo, el movimiento flagelar, para transporte de nutrientes a través de la membrana, etc. Las células que fermentan también pueden necesitar el gradiente electroquímico para esos trabajos y como el gradiente electroquímico y el ATP son formas interconvertibles de energía, en esos casos lo que ocurre es que la ATPasa funciona en sentido contrario, hidrolizando ATP y generando el gradiente electroquímico. La ATPasa no es exclusiva en organismos que respiran, sino que también está presente en fermentativos
En microorganismos eucariotas respiradores (que posean mitocondrias), la ATPsintasa está en la membrana interna de dicho orgánulo con la subunidad F1 mirando hacia la matriz mitocondrial y el ATP así está disponible dentro de la matriz mitocondrial, por ejemplo, para la beta-oxidación de los ácidos grasos. El gradiente se forma acumulando protones en el espacio intermembrana
En procariotas, por su parte, bien respiradores o fermentadores, la ATPasa se encuentra con la subunidad F1 hacia el interior del citoplasma, y el ATP se forma en el citoplasma. El gradiente en este caso se forma acumulando protones en el periplasma
En microorganismos que realizan la fotosíntesis también tienen la cadena de transporte de electrones en la membrana de tilacoides de cloroplastos. La subunidad F1 estaría dispuesta hacia el estroma del cloroplasto y el ATP se genera en el mismo. El gradiente de protones, por su parte, se da en el lumen de los tilacoides. Hay una excepción en el mundo procariota que son las cianobacterias. Estas también tienen tilacoides. En ese caso, el estroma del cloroplasto sería el equivalente al citoplasma en cianobacterias. Por tanto, F1 estaría dispuesta hacia el citoplasma, donde además se generaría ATP
Los electrones irán desde transportadores con potencial redox más negativo hacia transportadores con potenciales redox más positivos
¿Cómo es la fotofosforilación en microorganismos?
Ocurre en organismos fotosintéticos. El gradiente de potencial a ambos lados de la membrana no se crea por oxidación de compuestos sino por la luz, la cual proporciona la energía necesaria para ello. Posteriormente, a través de una ATPasa generará ATP
Hay una serie de moléculas (pigmentos) captadores de esa luz que reciben el nombre de sistemas antena. Estos captan la luz y, por resonancia inductiva, van transfiriendo su energía hasta que llegan a un tipo de clorofila que se denomina centro de reacción que, al excitarse, cede un electrón a una cadena de transporte de electrones. En esa cesión del electrón, los transportadores de electrones van captando protones en contra de gradiente, que son transferidos al otro lado de la membrana, creándose entonces un potencial electroquímico
El flujo de electrones, con variaciones en los componentes de la cadena de transporte, es igual al que hemos visto en el caso anterior (del transportador con más bajo potencial redoz hacia el transportador con potencial redox más alto). Finalmente, esos electrones son transferidos a una proteína transportadora soluble
Esta clorofila del centro de reacción que hemos dicho que es capaz de ceder un electrón queda inestable, por lo que debe recuperar dicho electrón cedido. Esto lo hará mediante la hidrólisis del agua, en la cual se genera oxígeno
Cuando este electrón es transferido a través de la plastocianina a otro fotosistema, lo que hace dicha plastocianina es recuperar el electrón que este centro de reacción ha cedido a la cadena de transporte de electrones, al igual que lo ha hecho el PSII porque ha sido excitado por la luz y ha llegado a un tipo de clorofila que sí es capaz de ceder los electrones. En el PSI, por tanto, la recuperación del electrón es por un transportador, no por hidrólisis del agua. En este PSI, además, ese electrón finalmente es cedido a un cofactor (NADP) para formar NADPH. Con todo este mecanismo se consigue la diferencia de potencial entre el interior del lumen del tilacoide y el estroma del cloroplasto que se aprovecha en la generación del ATP
El PSI (P700) capta energía de aproximadamente 700 nm de longitud de onda, el PSII (P680) capta longitudes de onda algo más cortas, de unos 680 nm (más energético)
En los microorganismos que realizan esta fotofosforilación se pueden dar dos casos:
- El sistema funciona en forma de fotofosforilación acíclica, en la que se acoplan los dos PS, lo cual conduce a la generación de ATP y NADPH
- Actúa solo el PSI, por lo que solo se genera ATP
Respecto de la localización de estos sistemas fotosintétics:
- En membrana de tilacoides de cloroplastos: fotosíntesis oxigénica
- En membrana de tilacoides en cianobacterias, solo que el estroma del cloroplasto sería el citoplasma de la célula: FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA
Tanto algas como cianobacterias llevan a cabo fotosíntesis oxigénica, en la cual el donador de electrones externo es el agua y se genera oxígeno. No obstante, existen otros microorganismos capaces de realizar fotosíntesis en la cual no se genera oxígeno, sino que los donadores de electrones son compuestos reducidos diferentes al agua, como por ejemplo el ácido sulfhídrico (cuando sus electrones se forma azufre elemental). También puede ser hidrógeno o el propio azufre elemental (que se puede seguir oxidando hasta sulfito), o bien compuestos orgánicos (succinato, malato, butirato…). Un ejemplo sería una bacteria verde del azufre (Chlorobium), que cuando lleva a cabo la fotosíntesis usando el ácido sulfhídrico, acumula el azufre elemental en forma de gránulos de azufre. Esto le sirve para que, en condiciones en las que no haya más compuesto de este tipo en el medio, pueda seguir usando azufre elemental para seguir donando electrones y seguir oxidándolo hasta sulfato y tener fuente de energía
- Clorosomas y membrana citoplasmática en bacterias verdes: FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA
- Cromatóforos en la membrana citoplasmática de bacterias púrpuras y heliobacterias: FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA
¿Tipos tróficos de microorganismos?
Respecto a la fuente de carbono, los microorganismos pueden ser:
a) Autótrofos: usan CO2 como fuente de carbono (=litótrofo)
b) Heterótrofos: usan compuestos orgánicos como fuente de carbono (=organótrofos9
Respecto de la fuente de energía:
a) Fotótrofos: usan la luz como fuente de energía
b) Quimiótrofos: usan compuestos químicos reducidos como fuente de energía, pero dentro de estos pueden ser:
- Orgánicos reducidos: organótrofos. Estos, a su vez, pueden llevar a cabo bien la respiración aerobia o anaerobia, o bien fermentaciones
- Inorgánicos: litótrofos. La mayor parte de ellos obtienen la energía por respiración aerobia (=mixotrofos)
Así, tenemos microorganismos que usan como fuente de energía compuestos inorgánicos y como fuente de carbono el CO2, denominados quimioautótrofos, también denominados a veces quimiolitótrofos. Ejemplos de ellos serían las bacterias sulfooxidantes, las bacterias nitrificantes, las bacterias del hidrógeno y las bacterias del hierro
No obstante, entre los microorganismos autótrofos el CO2 no es la única fuente de carbono inorgánica posible, sino que también tendremos el monóxido de carbono. Los que lo utilicen se llamarán bacterias carboxidotróficas. Lo que hacen es oxidar el CO a CO2 antes de que este sea incorporado como fuente de carbono por diferentes rutas
Los mixótrofos, por su parte, usan compuestos inorgánicos (quimioautótrofos), pero para la obtención de energía también necesitan unos pocos orgánicos para llevar a cabo su metabolismo. Por ejemplo, Beggiatoa
Hay una enorme diversidad metabólica. Tendría poco sentido un microorganismo que fuera capaz de usar los compuestos orgánicos como fuente de energía y que directamente no los incorporara a sus componentes celulares. Generalmente, los microorganismos que usan los compuestos orgánicos como fuente de energía también los usan como fuente de carbono. Este sería el caso de los quimioheterótrofos/quimioorgánótrofos/organótrofos. Aquí se engloban prácticamente ejemplos de todos los grupos microbianos
Los fotótrofos y los fotoheterótrofos presentan una gran diversidad de microorganismos. Dentro de los foto(autó)trofos tenemos las bacterias verdes del azufre, las algas, las bacterias púrpuras del azufre y las cianobacterias, mientras que en los fotoheterótrofos se encuentran las bacterias verdes filamentosas, las bacterias púrpuras no del azufre y las heliobacterias
Existen muchos microorganismos que, dependiendo de las condiciones, pueden actuar como quimioheterótrofos o fotoheterótrofos. Por ejemplo, las bacterias rojas no del azufre
