1. Metabolismo de organismos a altas y bajas temperaturas; Autótrofos quimio-sintéticos y bacteriorodopsina MelvilíCintrón, Rey Y. Pagan, Amanda Cardona, Wilfredo Ramos, Jaclyn De Jesús, NilsaRivera, Enid Vélez Biol 4368 Dr. Carlos Ríos

2. Agenda Metabolismo de organismos Altas temperaturas Bajas temperaturas Organismos Autótrofos quimio-sintéticos Grupos Metabolismo Bacteriorodopsina Estructura Función Aplicaciones

3. Metabolismo a altas y bajas temperaturas Para cada bacteria existen unas temperaturas cardinales de desarrollo Estas se dividen en tres grupos de acuerdo al rango de temperatura en el que pueden desarrollarse: Psicrófilas: 20 a 30 ºC (óptimo:15ºC) Mesófilas: 10 a 45ºC (óptimo:30ºC) Termófilas: 25 a 80ºC (óptimo:55ºC)

4. Tabla 8.5. Respuesta de crecimiento a distintas temperaturas

5. ¿Qué son organismos Psicrófilos? Organismos capaces de vivir a bajas temperaturas Se pueden encontrar en: Aguas de mar profundas Montañas y regiones polares Lagos congelados “Permafrost”

6. Clasifiación de organismos Psicrófilos

7. Metabolismo de organismos a bajas temperaturas Efectos del choque de frío (cold shock): Disminución en la fluidez de la membrana Transporte activo Secreción de proteínas Afecta la estabilización de estructuras secundarias de RNA y DNA Reduce la eficiencia del mRNA en transcripción y traducción Doblamiento (Folding) más lento de proteínas y ribosomas necesarios para la adaptación del frío

8. Adaptaciones Enzimas especiales hidrolosas Proteínas “anti congelantes” Membrana más fluida, con más proteínas asociadas a la misma y más ácidos grasos

9. Organismos termófilicos Termófilos- +45 °C Termófilos obligados- > 45° C Termófilos facultativos- 20-45 ° C, pero puede crecer +45° C Hipertermófilo- >80°C. Ej. Pyrolobus fumarii (113°C) Muchos son arqueas Volcanes, aguas termales, geiser, etc. Produce carboxil esterasas y esterasas termoresistentes Ej. Pyrobaculum calidifontis

10. Metabolismo de termófilos Organotrófico- utiliza compuestos orgánicos como fuente de energía Ej. CO2 Litotrófico- utiliza compuestos o elementos inorgánicos como fuente de energía Ej. Fe+2, S0

11. Enzimas termoestables β-Galactosidasa Catecol 2,3 dioxigenasa- microorganismos +55°C Bacillus stearothermophilus Alfa y beta galactosidasa Thermus sp. Xilanasa- +80°C, Thermotoga maritima

12. Organismos extremos C. caldarium Termofílicos A. pompejana H. globosa P. vacuolata OrganismosExtremos T. acuaticus Methanopyrus C. psychrerythraea S. solfataricus P. fumarii Psicrofílicos C. nivalis

13. Imágenes de ambientes extremos Fuente hidrotermal Yellowstone Fumarla, Pirolobus fumarii Imágenelectrónica de Thermus termophilus

14. Metabolismo en lasplantas

15. Plantas Efecto del frío en las plantas Mucho frío = muerte Ejemplos Coliflor Broccoli Lechuga

16. Hongos Dentro de los organismos eukariotas, solo algunas especies de hongos tienen la habilidad de desarrollarse a temperaturas extremas

17. Autótrofos quimio-sintéticos Organismos que obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos Absorben agua, dióxido de carbono, compuestos nitrogenados simples del ambientes para sintetizar sustancias orgánicas complejas Autótrofos: Bacterias de hidrógeno, nitrificantes, fijadoras de nitrógeno, de sulfuro, hierro, metilótrofos, metanogénicas y fotótrofos

18. Bacterias de hidrógeno y nitrificantes Bacterias de hidrogeno H2 energía y poder reductor para crecimiento y fijación de CO2 2H2 + CO2 (CH2O) + H2O ADP es generada por hydrogenasa H2+0.5O2+NAD+ H2O +NADH + H+ Bacterias nitrificantes Nitrosomas: oxidan amonia a nitrito 2NH3 + 3O2 2NO2-+ 2H+ + 2H2O Nitrobacter : oxidan nitrito a nitrato 2NO2- + O2 2NO3-

19. Bacterias de sulfuro Bacterias de sulfuro Thiorhodaceae : todos crecen en sulfato elemental Muchas utilizan tiosulfato Desulfovibrio y desulfotomaculum: bioenergéticas diferentes Desulfovibrio PPi que se produce no se conserva la energía de este para obtener ATP neto ATP + SO42- APS + PPi (APS-sulfato de adenilil) PPi + H2O  2Pi

20. Bacterias de sulfuro Desulfotomaculum Usa PPi como fuente de energía Acetato+ PPi acetil-P + Pi Acetil-P + ADP  acetato + ATP APS + 2e-  AMP + SO32- Sulfolobus ambivalens puede vivir de manera anaerobia como quimio autótrofa utilizando CO2 como fuente de carbono, pero usa H2 para la reducción de sulfuro a H2S

21. Bacterias de Hierro Ferrobacillus ferrooxidans y algunos del grupo Thiobacillus (Gallionella, Leptothrix y Sphaerotilus) oxidan el ión ferroso al ion férrico para producir energía Fe2+ + H+ + 0.25O2 Fe3+ + 0.5 H2O + 40 kcal Ferrobacillus ferrooxidans: autótrofo obligado; incapaz de crecer sólo con el ion ferroso como única fuente de energía Gallionella, Sphaerotilus y otros organismos oxidantes de hierro son facultativos y pueden crecer como heterótrofos y luego pueden regresar a crecer en hierro

22. Bacteriorodopsina (BR) 1971-Halobacterium salinarium Topología: 7 hélices transmembranales Transporta protones fuera de la célula Convierte la luz en energía (ATP) Convierte la luz verde (500-650 nm, max 568 nm) a un gradiente de protones electroquímicos

23. Bacteriorodopsina (BR) Está envuelta en fototaxis mediante la generación de cambios potenciales en la membrana Se encuentra en la membrana púrpura Color morado Mayormente constituido por amino ácidos hidrofóbicos Ayuda a adaptación a ambientes altamente salinos

25. Bacteriorodopsina CICLO CATALÍTICO 6 pasos: isomerización (I), transporte de electrones (T), y cambio de accesibilidad (switch S). Reacción primaria: foto-isomerización de retinol de trans a 13- cis K590 se forma al intermediario L550 Primera translocación de protón: de L550 a M410 (EC) Primer cambio de accesibilidad extracelular a citoplasmático: M410(EC) a M410(CP) Intermediarios se cambian a color amarillo. Segunda transferencia : M410(EC) a N560 Termo-isomerización de retinol de 13- cis a trans : N560 a O640 Segundo cambio de accesibilidad del citoplasma a extracelular: O640 to BR

26. Aplicaciones de BR Escritura electrónica Propiedades fotoeléctricas -fabricar fotodetectores Ordenadores portátiles de funcionamiento con luz (dos formas estables de la proteína, una morada y otra amarilla) Se puede usar como elemento fotosensitivo en retinas artificiales Chipcards

27. Referencias Haupts, U., Tittor, J., Bamberg, E. and Oesterhelt, D. General concept for ion translocation by halobacterial retinal proteins: the isomerization/ switch/transfer (IST) model. Biochemistry. 1997;36(1):2-7. Howard Lees. Sumposium on Autotrophy: IV. Some thoughts on the energetics of chemosynthesis. 1962;26: 165-167. Bibikov, S.I., Grishanin, R.N., Kaulen, A.D., Marwant, W., Oesterheltt, D., and Skulachev, V.P. Bacteriorhodopsin is involved in halobacterial photoreception. Proc. Natl. Acad. Sci. 1993;90:9446-9450. Bibikov, S.I., Grishanin, R.N., Marwant, W., Oesterheltt, D., and Skulachev, V.P. The proton pump bacteriorhodopsin is a photoreceptorfor signal transdution in Halobacterium halobium. FEBS.1991; 295(1,2,3): 223-226. Yu A. Ovchinnicov. Discurso de Investidura: Aprovechamiento de la luz por los seres vivos y el problema de la vision. Universidad de Granada. 1983. Moat A.G. and Foster J.W. Characteristics and metabolism of autotrophs. 1995; 398-401. Smith, A.J., London, J. and Stanier, R.Y. Biochemical Basis of Obligate Autotrophy in Blue-Green Algae and Thiobacilli. Journal of Bacteriology. 1967; 94(4): 972-983. Gomez, Patricia., Perez, Maria. Archaebacterias hipertemofilas: Vida en Ebullición. RCCV 2007; 1. Ballester, A. et al. Biolixiviación de menas naturales. Posibilidades actuales de utilización. CDU. KinG says: Chattopadhyay, M.K. (2006) Mechanism of bacterial adaptation to low temperature. J.Biosci. 31: 157-161 Margesin, R. et al (2007) Psychrophiles: from biodiversity to biotechnology (http://books.google.es/books?id=l8jkkYY7VpoC&dq%22%20%5Ct%20%22_blank). Springer, 2007. http://www.botanical-online.com/florcuidarplantasinvierno.htm Adolfo Ávalos García y Elena Pérez-Urria Carril. Metabolismo secundario de plantas. Serie Fisiología Vegetal. 2009; 2 (3): 119-145.