Tem 5 respiració aeròbica (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 3º curso
Asignatura Metabolisme de Microorganismes
Año del apunte 2013
Páginas 18
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 40
Subido por

Vista previa del texto

La respiració orgànica és la degradació de compostos orgànics, per tant, aquest metabolisme, la font de carboni és orgànica i el donador d’electrons també és orgànica. Quan parlem d’heteròtrofs parlem d’aquells que tant la font de carboni com la font d’energia és orgànica. Tots tenen en comú que l’acceptor d’aquesta cadena respiratòria és l’oxigen.
L’interessant d’aquest metabolisme no és fixar-nos en l’acceptor final, sinó fixar-nos en els substrats. Això ens permet entendre que hi ha una sèrie de microorganismes que poden degradar la lignina, per tant poder servir per la producció de biopullping, que és la formació de la pasta de paper o poden degradar compostos aromàtics que són xenobiotics, per tant ens centrarem en el substrat i la seva aplicació. En quant al metabolisme, com que els substrats són tant diversos, ens trobem amb moltes rutes (la majoria ja les coneixem).
Hi ha un concepte que és bàsic en el metabolisme microbià que és el facutaltativisme, en els procariotes és algo normal, mentre que en les eucariotes això no es dona. Aquest facultativisme va lligat a la versatilitat que tenen de canviar de rutes que funcionen en condicions d’aerobiosis (amb oxigen) i utilitzar la mateixa maquinaria enzimàtica o part d’aquesta per funcionar en condicions d’absència d’oxigen. E. Coli és el major representant, ja que és el més estudiat dels facultatius i aquest, quan hi ha oxigen el sucre l’oxidarà en el cicle de krebs però en absència d’oxigen el que fa es modificar algunes de les etapes del cicle de krebs, de manera que queda com el cicle de krebs truncat. En aquest cas, en una de les branques d’aquest cicle de krebs diferent lo que s’acumula és l’Oxo-Glu i en l’altra branca lo que hi ha és un canvi en el sentit de les reaccions normals del cicle de krebs de manera que en aquest cas lo que s’acaba acumulant és el Succ-CoA, un altre intermediari del metabolisme.
Pel que fa a les cadenes respiratòries, els procariotes també presenten més versatilitat. La cadena respiratòria típica del mitocondri seria la de la imatge. On podem veure els complexes proteics de sempre, com són els citocroms, les quinones... Hi ha alguns bacteris com Paracoccus denitrificans que tenen una cadena electrònica similar a la eucariota.
Però d’altres com E. Coli en condicions d’aerobiosis pot funcionar de dues maneres, amb una oxidasa (bo3 i bd3). Quan fa respiració aeròbica E.
Coli a banda de poder utilitzar diferents substrats, té també la possibilitat d’utilitzar una cadena que té una Quinol oxidasa amb una afinitat moderada per l’oxigen o quan les concentracions d’O2 disminueixen molt, té la possibilitat de treballar amb una altra oxidasa que té una afinitat molt més gran per l’oxigen. Això també és una diferència en quant a la cadena respiratòria eucariòtica per la facilitat a adaptar-se a la concentració d’oxigen.
En el cas de l’esquerra es pot veure com seria la respiració en cas d’oxigen on treballaria la Quinol oxidasa bo3.
Mentre que a la dreta de la imatge tenim el cas de treballar sense oxigen. La NADH-DH en cas d’anòxia seria la de tipus II i en cas d’oxigen seria la de tipus I, que a part d’oxidar el NADH també té una funció de bomba de protons desplaçant-los cap a l’exterior de la membrana cel·lular i passaria el mateix amb aquesta oxidasa de moderada afinitat (bo3) que també té una funció de bombeig de protons. Per tant, si comparem amb la cadena respiratòria de quan hi hagi poc oxigen disponible, que serà la quinol oxidasa bd3, veiem que aquí no tenim la bomba de protons ni a nivell de la NADH-DHII ni a nivell de la pròpia oxidasa, per tant, aquí el rendiment energètic queda limitat als protons que transloquen les quinones del interior a l’exterior cel·lular. Per tant, això ens vol fer saber, que aquest bacteri només utilitzarà el cas de la dreta quan ja no li quedi més remei, quan la concentració d’oxigen és molt baixa, ja que el rendiment energètic és molt més baix. Si no li surt rentable ja deixarà de fer aquesta via i passarà a fer anaerobiosis.
Hi ha una gran diversitat de substrats, de fet, es considera que pràcticament la majoria de compostos orgànics naturals poden ser descomposats per diferents tipus de microorganismes.
Que puguin degradaran o no els diferents substrats dependrà de que tinguin o no els enzims que els hidrolitzin. També necessiten proteases, no tots els microorganismes tenen proteases per hidrolitzar els aminoàcids, bases nitrogenades... també lipases per degradar els lípids, els àcids grassos (B-oxidació), per degradar la lignina un complex de polifenols.
En el cas dels polisacàrids per tenir una idea de la diversitat que trobem en els microorganismes, aquí tenim una taula de diferents polisacàrids que poden ser servits per diferents microorganismes. Tenim els més típics com poden ser la sacarosa, la glucosa, el mido, la cel·lulosa... que degraden aquests microorganismes si tenen els enzims corresponents (amilases, cel·lulases...) que poden degradar aquests polímers. Hi ha altres polisacàrids d’entorns més específics, com pot ser la Lamiranina, paramilà, l’agar... que procedeixen d’algues marines. Tenim també microorganismes que poden degradar la pectina, el xilà, el dextrà...
Aquí tenim una fotografia al microscopi electrònic on podem veure unes fibres de cel·lulosa i com els bacteris colonitzen totes aquestes fibres de cel·lulosa degradant-la i formant comunitats al voltant. De bacteris cel·lulolítics hi ha molts, des de els Clostridis fins varietats més concretes com les que es desenvolupen al lumen.
La Metilotròfia i Metanotròfia són alguns casos més concrets de respiració aeròbica. Comencem pel cas dels microorganismes que anomenem Metilòtrofs.
- Metilòtrofs: Són bacteris que viuen a partir de compostos de carboni C1 (compostos orgànics però que no tenen enllaços carboni-carboni). Aquest carboni solitari és el que poden atacar aquests Metilòtrofs i es del qual es poden alimentar un microorganismes d’aquestes característiques. Si es troba en un enllaç carboni-carboni no té l’enzim per poder-lo metabolitzar. Son bacteris gram negatius que poden degradar tota una sèrie de compostos que componen aquesta regla. A l’esquerra de la taula tenim alguns exemples que poden utilitzar (metà, metanol, metilamina...).
A la dreta tenim altres compostos que també poden oxidar però que s’ha vist que no són suficients per obtenir el seu creixement. Aquí tenim un exemple com l’Etilè, que hi ha un doble enllaç carboni-carboni, per tant, el poden oxidar, però no poden sobreviure només amb aquest compostos al medi.
Dintre dels Metilòtrofs, són especialment rellevants els que poden degradar metà i els hi diem Metanòtrofs. Els Metanòtrofs no són un grup diferent, formen part dels metilòtrofs, lo que són un grup que s’ha estudiat molt i són molt rellevants, poden utilitzar altre compost d’aquests, però tenen la característica de que poden utilitzar metà amb molta facilitat. La majoria de Metanòtrofs són metilòtrofs obligats. Tanmateix, hi ha Metilòtrofs facultatius si poden utilitzar altres substrats.
Tenen una importància ecològica (reciclat del metà, CH4) el metà que generen els metanogens sovint és reciclat pels metanòtrofs i l’aprofiten. Si recordem els metanogens són anaeròbics i els metanòtrofs són aeròbics, per tant s’ha vist que aquests metanòtrofs es desenvolupen justament al límit de on hi ha l’emissió de metà i els nivells d’oxigen són més baixos; es troben en la proximitat dels metanogens però no en aquestes condicions anòxiques, sinó on hi ha una miqueta d’oxigen. També té molta importància ambiental (eliminar una emissió d’un gas (CH4) que en excés produeix l’efecte hivernacle). També, durant un temps van ser utilitzats per l’obtenció de biomassa, per pinsos dels animals (SCP  single cell protein, formà d’obtenir proteïna a partir d’aquests metilòtrofs). També per la producció de vitamines, aa... Un altre dels aspectes més interessants i actuals dels Metilòtrofs (concretament del Pichia pastoris) és que després han servit per fer producció de proteïnes recombinant. Aquest microorganisme, a partir de metanol creix, per això té un baix cost de producció i a de més, és interessant utilitzar aquest microorganismes per expressió de proteïnes recombinant perquè el que es fa és posar el gen que es vol estudiar sota el control de la metanol oxidasa i això fa que aquest promotor permet fer moltíssimes copies del gen que es posi sobre el seu control i que Pastoris ha resultat una molt bona opció per aconseguir una proteïna recombinant per finalitats terapèutiques o fàrmacs...
A nivell del metabolisme comentem només la utilització del metà (es tracta de compostos relativament senzills). L’enzim clau que ens trobem és el de la utilització concreta de cada substrat, en el cas concret del metà tenim la metà monooxigenasa (MMO), en el cas del metanol era la metanol oxidasa, per tant, l’enzim característic de cada via d’utilització dependrà de cada substrat.
La seqüència de reacció és molt senzilla, el metà es transforma en metanol per la MMO i aquest formaldehid, precisament és l’intermediari que quan la cèl·lula necessiti entrada de carboni per créixer, serà el que incorporarà a les vies de biosíntesis, per tant, el compost C1 és el metà i pot servir tant per font d’energia com de font de carboni. Per això diem que els metanòtrofs són capaços de créixer només d’un compost C1.
D’aquesta oxidació total del metà fins a CO2 el que obté la cèl·lula és l’NADH i aquest NADH és el que passa a la cadena respiratòria. El NADH és el donador d’electrons i finalment l’acceptor és l’oxigen, com sempre. Amb aquesta translocació de protons permeten desprès obtenir energia mitjançant la ATPasa de protons. Fixeu-vos que aquí l’O2 té un doble paper, per un banda és acceptor d’electrons, però també és un reactiu de la oxidació del metà.
Les monooxigenases són també la classe d’enzims responsables de la degradació de xenobiòtics.
L’enzim MMO (Metà Monooxigenasa) te un cofactor atípic: MP (metanopterina).
La respiració redueix el cofactor que dona els electrons a la cadena de transport que les passa a O₂ que es redueix a aigua. Juntament amb el transport es deona el bombeig de protons necessari per al funcionament de l’ATPasa.
Aquesta classe de bacteris tenen membranes internes en forma de làmines. Segons la disposició d’aquestes làmines els bacteris es classifiquen en 2 classes: - Tipus I: Membranes al interior cel·lular.
- Tipus II: Membranes al voltant de la membrana plasmàtica.
En aquestes làmines acumulen els enzims característics de la metilotròfia. Els bacteris metanòtrofs, per exemple, tenen acumulacións de MMO en aquestes estructures.
A part de diferències estructurals, els bacteris metilòtrofs de tipus I i tipus II també presenten diferències metabòliques. Mentre que els de tipus I incorpora C per la via de la ribulosa monofosfat, els de tipus II ho fan per la via de la serina. La via de la serina és un tipus de CAC incomplert. Utilitza alguns enzims del CAC que funcionen al revés de lo habitual.
La lignina és una pert del material que està formada la fusta. A part d’aquest polimer conté cel·lulosa i hemicel·lulosa.
La lignina només és degradada per un sol grup de microorganismes, els fongs lignolítics. Està composta per unitats de fenilproà (no és un polisacàrid). La seva estructura és no ordenada i està formada per anells fenòlics i numerosos enllaços diferents. Aquests factors fan que sigui dicícil de degradar.
Molts microorganismes tenen cel·lulases (i hemicel·lulases) amb les quals poden degradar els polimers de naturalesa sacàrdia de la fusta.
En la degradació de la fusta poden apareixre microorganismes metanògens dins dels troncs (ambient anòxic).
Els fongs lignolítics trenquen la lignina i donen anells aromàtics els quals oxiden per obrir-ne l’anell. Llavros donen lloc al “humus” que acabarà donant lloc a la turba. Aquests microorganismes s’utilitzen per a fer biopúlping (fer pasta de paper).
Alguns generes representatius en la degradació biològica de la lignina són Phanerochaete, Pleurotus i Ceriporiopsis subvermispora.
Aquests fongs quan degraden la lignina donen l’aparença típica dels florits.
Enzims lignolítics: Per tal de degradar la lignina hi ha una sèrie d’enzims que actuen conjuntament per produir tal degradació.
Lignina peroxidasa: La lignina peroxidasa (o LiP) usa com a substrats H₂O₂ i alcohol veratrílic com a substrats. Oxida els anells aromàtics a un catió radical. Aquest intermediari desestabilitza l’estructura fenòlica. Aquesta inestabilitat és deguda l’electró desaparellat que presenta. Aquesta inestabilitat condueix a l’obertura de l’anell que amb l’ajuda de posteriors reaccions d’oxidació dona compostos de menor pes molecular que no són cíclics com ara alcohols i àcids.
Manganés peroxidasa: L’enzim Manganés peroxidasa (MnP) utilitza com a cosubstrat de reacció H₂O₂. El producte que genera dona quelants de Mn³˖. Aquests són àcids orgànics com ara l’àcid glioxílic. La reacció de MnP provoca l’oxidació de Mn²˖ a Mn³˖.
Els compostos quelants de Mn³ oxiden unitats fenòliques i transformen la lignina a radicals fenòlics. Aquests radicals són inestables i s’acaben oxidant fins donar compostos de menor pes molecular.
L’acció de MnP és mantenir la forma oxidada de Mn (Mn³˖) , és a dir, retorna el Mn²˖ produït com a conseqüència de l’oxidació de la lignina a Mn³˖ Lacasa: La lacasa (Lacc) utilitza O₂ i altres intermediaris per a oxidar la lignina a radicals fenòlics. Requereix de l’acció de compostos quelants amb Mn³˖ per tal de produir l’oxidació de lignina. Per aquest motiu Lacc depèn de l’acció regeneradora de MnP que li proporciona el managnés reduït (Mn²˖) que necessita.
Altres enzims implicats en la degradació de la lignina: A part de MnP, Lacc i LiP, per tal de degradar la lignina es requereix de l’acció d’altres enzims. Aquests contribueixen en la producció de cosubstrats que necessiten els altres enzims oxidants de lignina. Podem considerar-los, doncs, com a enzims auxiliars.
Glioxal oxidasa: L’enzim glioxal oxidasa (GLOX) produeix àcid glioxílic a partir de glioxal. En aquesta reacció enzimàtica es produeix també H₂O₂. Per una part, l’àcid glioxílic és un agent quelant de Mn³˖ per a MnP. Per altra part, H₂O₂ és cosubstrat per LiP i MnP.
Aril alcohol oxidasa: L’enzim aril alcohol oxidasa (AAO) te com a substrats alcohols aromàtics com ara l’alcohol veratrílic. Un dels productes que genera és H₂O₂, necessari per l’oxidació de la lignina per LiP i MnP. A part, el producte d’oxidació de l’alcohol aromàtic és un producte d’oxidació de la lignina, el qual ajuda a la degradació final d’aquest polímer.
Altres enzims auxiliars: A part dels enzims anteriorment exposats trobem altres enzims que produeixen altres substàncies necessàries per la oxidació de la lignina com H₂O₂.
Es produeix una mineralització del substrat, a partir del substrat es produeix CO2 i aigua. En aquest cas la oxidació incompleta d’alcohols seria un metabolisme on el compostos orgànic, que és l’etanol, pot ser oxidat només parcialment però per respiració aeròbica. L’oxidació incomplerta d’etanol a acètic no és l’única hi ha d’altres, però només expliquem aquesta dels bacteris acètics per l’aplicació que tenen que és la producció de vinagre. A aquests bacteris cal no confondre’ls amb els acetogènics que vam veure, que eren productors d’acètics però a partir d’altres substrats, no d’etanol com en aquest cas.
Dintre dels gèneres més destacables podem trobar Acetobacter i Gluconobacter, hi ha molts altres, però aquestos són els més representatius en la producció de vinagre, aquests bacteris acètics tenen la peculiaritat de poder oxidar alcohols o sucres a àcids orgànics 8oxidació parcial del substrat). Algunes espècies poden fer l’oxidació total fins a CO2 com és el cas d’espècies d’Acetobacter. Per altra banda, Gluconobacter només farà aquesta oxidació parcial (cicle de Krebs incomplet) no tenen els enzims necessaris per poder oxidar fins a CO2.
Són bacteris gram negatius mòbils i són aerobis estrictes, no són facultatius, tenen al necessitat absoluta per l’oxigen, de fet, típicament, sintetitzen cel·lulosa per formar una biofilm que els i permeti estar a la superfície del líquid (en el cas del vinagre, del vi) i afavorir aquest desenvolupament i metabolitzar.
El procés bàsic de transformació en els bacteris del vinagre és el pas d’etanol fins a àcid acètic, passant per un intermediari que és l’acetaldehid. Per tant, els dos enzims principals que intervenen en aquest metabolisme són la alcohol deshidrogenasa i l’aldehid deshidrogenasa. Per tant és un metabolisme simple, poden utilitzar sucre o alcohols. Utilitzen l’etanol que els llevats han produït en la fermentació alcohòlica per transformar-lo en àcid acètic, per formar el vinagre. A partir d’aquestes oxidacions amb les deshidrogenases tenim l’obtenció d’energia. mitjançant les ubiquinones que es redueixen o s’oxiden són les que translocarien els protons cap a l’exterior, això activaria la membrana i activaria la ATPasa, i com a últim acceptor, òbviament és l’oxigen.
També hi ha vinagres fermentats de fruits d’altres fruites, no només de vi. I de fet és un via d’aprofitament de fruita sobremadurada que es podria fer malbé i així l’aprofitem. El tema de la cèl·lula que es fa pel biofilm també és important, s’ha vist que és d’alta qualitat per després extreure productes derivats.
Ens referim a compostos xenobiòtics com a compostos contaminants.
Compostos estranys a la vida. També poden ser compostos naturals però desubicats del lloc d’origen: petroli, carbó, metalls...
Per tant, aquí entra en lloc el terme Bioremediació, per degradar aquests compostos contaminants.
Per començar hi ha molts tipus de xenobiòtics, per tant hi ha moltes vies de degradació de xenobiòtics. Només explicarem tres exemples. El grau de biodegradació dependrà del compostos i dels microorganismes. Explicarem tres tipus de biodegradació referents al àcid benzoic només canviant un àtom de clor o dos àtoms de clor.
- - - Mineralització: Hi ha microorganismes capaços de fer la mineralització, és a dir, degradació complerta del xenobiòtic. Poden utilitzar aquest xenobiòtic com a única font de carboni, oxidar-lo fins a CO2 i H2O i per tant poden créixer només amb la presència d’aquest contaminant.
Biotransformació: Es degrada parcialment, el clor benzoic es transforma però no l’arriba a mineralitzar. El microorganisme que aprofita aquest xenobiòtic el que fa és un cometabolisme, el que es necessita és un altre bacteri que li proporcioni uns altres substrats com a font de carboni ja que no es suficient per créixer.
Recalcitrància: Pràcticament, la seva transformació o no té lloc o no es dona. Per tant no és possible el creixement del microorganismes en aquest entorn. Per tant, interessen més com a biodegradació els dos primers cassos.
BIODEGRADACIÓ d’HIDROCARBURS: És molt important la biodegradació d’hidrocarburs del medi, com pot ser del petroli, ja que són molt contaminants.
Parlarem de compostos aromàtics que poden ser biodegradats. Les tres últimes línies són l’exemple de cóm es pot biodegradar el benzè, el catecol i el toluè.
En el cas del benzè, són estructures que no són fàcils d’atacar, ni químicament ni biològicament. Per tant, el microorganismes ha de tindre els enzims corresponents que li permetin atacar aquests xenobiòtics.
- En primer terme actua una monooxigenasa (incorporen un àtom d’oxigen  enzims claus en biodegradació d’hidrocarburs ja que estabilitzen una estructura tan estable que després es convertida en molècules més senzilles) i això ajuda a que siguin un substrat més fàcilment oxidable.
Partint del benzè es passa al benzè epoxi, després intervé l’aigua i l’obre i es forma el benzediol i finalment es forma el catecol.
- Després, el catecol pot ser metabolitzat per una dioxigenasa formant finalment el Cis, cis-muconate (anell obert alifàtica) - Tenim l’exemple del toluè, on també intervé una dioxigenasa que el que fa es introduir dos oxígens com a grups alcohol, que després amb una segona dioxigenasa aquest anell sobre. Les dioxigenases tenen com a cofactor ferro o coure.
BIODEGRADACIÓ D’HIDROCARBURS ALIFÀTICS: En aquest cas tenim l’octà, molècula pròpia de la gasolina que primer pateix una oxidació mitjançant la monooxigensas i es forma el Octanol, després es trona a oxidar i forma el Octanal. Aquesta és la degradació que patirà qualsevol hidrocarbur lineal i intervindrà també la oxigenasa en un primer terme per incorporar l’oxigen que desprès es va oxidant fins a àcid. Quan tenim l’àcid gras es pot metabolitzar mitjançant la B-oxidació.
Metil  alcohol  Aldehid  àcid  biosíntesis (acetil-CoA) El gènere més comentat sense dubte, tant pels aromàtics com pels alifàtics són les Pseudomonas. També hi ha d’altres com pot ser la Nocardia, que és gram positiva i les altres gram negatives. Els gens que codificarien per produir aquestes oxigenases es troben codificats en plasmidis.
BIODEGRADACIÓ DE PESTICIDES: També hi ha altres residus dificils d’eliminar, que tot i que s’està intentant minimitzar l’ús, encara s’utilitzen herbicides, insecticides...
per conreus.
En la taula podem veure les substàncies que s’utilitzen com pesticides que s’utilitzen en el conreu i també tenim els anys de persistència, el temps que triga en desaparèixer. Ens trobem amb exemples que poden anar des de una setmana (no problemàtic) fins a 4 anys.
En el metabolisme, en aquest cas no ens centrarem tant, en el cas dels pesticides el que ens trobem són compostos orgànics que estan halogenats, per tant, un exemple seria el 2,4,5-T i s’obtenen clors. Hi ha unes primeres etapes de declorinació (eliminar/alliberar clor) i posteriorment intervenen les oxigenases que obren l’estructura de l’anell i aconseguim com a productes compostos com el succinat o l’acetat, compostos fàcilment oxidables. La diferència és la primera etapa de declorinació.
Depenent de si el microorganismes pot fer un mineralització complerta o una biotransformació, pot ser que necessiti un microorganismes al costat per a que aquest li proporcioni substrats per poder créixer (cometabolisme).
En trobem dos cassos de cometabolisme (molt important en la bioremediació): - El propi bacteri concret fa la biotrasnformació d’un xenobiòtic en presència d’un substrat de creixement.
El bacteri agafa el xenobiòtic que pot biotransformar, el transforma a un intermediari no metabolitzable que l’excreta, i com no li és suficient a de créixer en presència d’un altre substrat.
Aquest cas és més interessant encara.
És quan hi ha aquesta cooperació entre diversos microorganismes i pel nostre interès, eliminar el contaminant.
Tenim dos exemple dos significants de cooperació que s’ha vist que es desenvoluparien en aquests entorns altament contaminants.
Tenim l’exemple de la degradació del ciclohexà per part de Nocardia (s’ha vist que està en combinació amb Pseudomones) Nocardia presenten auxotròfia (no tenen la capacitat de sintetitzar certs aminoàcids o precursors de vitamines), aquesta Nocardia, l’exemple del ciclohexà, lo que fa és metabolitzar-lo i gràcies a això genera tota una sèrie de productes i quan els bacteris van morint, per la lisis cel·lular, expulsen una sèrie de productes al medi que pot ser aprofitat per Pseudomones i aquestes, a la vegada, li proporciona biotina (que no la pot sintetitzar Nocardia).
També tenim un últim exemple que es duu a terme en el mateix gènere de Pseudomonas, tenim l’exemple d’un insecticida que és el paratió (en aquest cas té una persistència d’una setmana) Pseudomonas stutzeri pot utilitzar-ho i donar lloc a p-nitrofenol que a la vegada es substrat per una altra Pseudomon, la aeruginosa i per tant aprofitarà aquest producte que excreta la stutzeri i al final del seu cicle de creixement hi ha la lisis cel·lular, s’extreu el material cel·lular i pot ser substrat per les noves cèl·lules, per les Pseudomones stutzeri noves una altra vegada.
La bioquímica d’aquesta metabolisme és bastant complexa, això és degut perquè els substrats són molt diferents. no hi ha una via única que serveixi per tots els microorganismes que fan bioluminescència, però sí que hi ha uns trets comuns.
La rellevància que té aquest metabolisme en quant a aplicacions posteriors són immenses, la bioluminescència és molt utilitzada per fabricar biosensors, aquesta capacitat d’emetre llum que tenen aquests microorganismes serveixen per això i utilitzant aquest gens es poden fer biosensors per detecció de proteïnes, estudis funcionals...
Molt bacteris marins són bioluminescents, i poden estar en vida lliure o en simbiosi amb altres peixos, però també trobem altres organismes com poden ser fons, dinoflagelats, cucs, crustacis, insectes... en la evolució aproximadament es conta que apareix durant 30 cops, és a dir, si agafem un arbre filogenètic el trobaríem al menys trenta ocasions en branques filogenètiques molt separades.
L’enzim responsable de la bioluminescència en tots els cassos és l’enzim luciferasa. No s’aplica només a microorganismes sinó també en tots els organismes bioluminescents. Evidentment, totes les luciferases no són iguals encara que totes agafen el nom comú de luciferases. El substrat s’anomena luciferina de forma genèrica. Aquests substrats desprès poden ser molt diferents. En la taula de dalt tenim alguns exemples com per exemple el Fotobacterium, Vibrio... per tant, bacteris que poden fer bioluminescència i en general tenen com a substrat un compost aldehid relativament senzill. Pot ser senzill (una cadena hidrocarbonada amb un aldheid) però d’altres vegades podem torbar molècules més complexes.
El bacteri lo que està fent és respirar, ara bé, una respiració on els elements de la cadena respiratòria no serien els elements habituals dels que parlem sempre. El que es dona és tota una sèrie de reaccions redox, intervé FMNH2 com a cofactor, és un dels que intervé en aquestes reaccions redox aportant també el poder reductor i intervé l’O2 com a acceptor final, és reduït a aigua, com en les respiracions aeròbiques. Es parla d’una mena de bypass electrònic on el substrat donaria els electrons directament en el cas de bacteris a FMNH2.
Si fem la comparació amb altres organismes tenim la Cuca de llum, que és la que primer es va caracteritzar, és la que se li va donar el nom del substrat pròpiament com a luciferina. La luciferina, en aquest cas, és un compost orgànic, amb un anell fenòlic que conté un àtom de sofre i aquesta molècula en concret és la que utilitza, en aquest cas utilitza com a cofactor el Mg2+ per oxidar i generar lo que es va dir en el seu moment com Oxiluciferina.
Tenim un altre exemple, el del Hidrozou, on tenim un substrat diferent, també un compost, un complex orgànic on la luciferasa dona lloc a un compost oxidat. No obstant, en el cas dels microorganismes, que és el primer, ja hem dit quins són els trets comuns per tots els microorganismes.
Com hem dit abans, hi ha una mena de bypass de cadenes de transport d’e-: directe de FMN a O2. Lo que és importat d’aquí és el quorum sensing.
S’ha vist que participa aquest mecanisme en molts altres processos cel·lulars. Com és la producció de biofilms, com és la reducció de bacteriosines... moltissims aspectes que desprès tenen una aplicació directa. El Quorum sensing que és el que seria necessari per que és donés la reacció de bioluminescència. És el fet de que hi hagi una població mínima, un quorum, que es posa d’acord en fer alguna cosa, en concret, en el cas de la bioluminescència, vol dir que hi ha un mínim de població a partir de la qual es comencen a produir unes molècules secretores de senyal que van avisant a la resta de la població i això fa aquesta senyalització com a conseqüència té que es comencin a expressar tots els gens en aquest cas relacionats amb la bioluminescència. Hi ha una comunicació intercel·lular en aquesta comunitat bacteriana, les cèl·lules s’avisen per la circumstància que sigui, sovint associat a defensa.
Al quorum s’arriba quan les poblacions assoleixen uns mínims, que aquests mínims dependran de cada procés, parlem de poblacions que poden ser 10^3-10^4 cèl·lules/mL. En els processos de biofilm les poblacions també han de ser mínimes i les poblacions responen en circumstàncies de supervivència, per tindre una major facilitat a l’hora de captar l’oxigen.
Les aplicacions ja les hem comentat una mica al inici, hi ha moltíssimes, algunes de les quals ja hem de conèixer, com pot ser la mesura de la glucosa amb biosensors. També s’utilitza molt la mesura de la ecotoxicitat amb peixos, en les piscifactories uns dels problemes és la toxicitat que pot patir l’aigua on estan els peixos ja que són aigües estancades on els patògens es poden desenvolupar i atacar la població que s’està cultivant, llavors, existeixen peixos transgènics, sobretot s’ha utilitzat el peix zebra, en els quals se li incorpora aquests gens que els i permet fer la bioluminescència i aquests gens es posen sota el control del promotor que esta induït en presència de determinats compostos tòxics o elements associats a patògens (toxines), llavors, quan la concentració d’aquestes toxines comencen a ser elevades, això indueix als gens de bioluminescència i aquests peixos comencen a emetre llum, per tant són peixos control per tal de mesurar la ecotoxicitat d’aquelles aigües, és com un indicador.
...