Metabolisme de Quimiolitòtrofs (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 20
Fecha de subida 18/01/2015
Descargas 27
Subido por

Vista previa del texto

Metabolisme dels Quimiolitòtrofs: Els quimiolitotrofs utilitzen com a única font d’energia els compostos inorgànics. Aqui torbarem representants de bacteris com poden ser els bacteris de l’hidrogen. Ens trobem davant d’un tipus de metabolisme que podríem dir que és exclusiu de procariotes, per tant ens trobem davant d’uns exemples de lo que seria la gran diversitat d’organismes respecte a organismes superiors. Un tipus de metabolisme que veurem, encara que hi ha moltíssims, són els que tenen una aplicació més immediata.
Les característiques bàsiques són la font d’energia, el donador d’electrons és un compost inorgànic, la font de carboni també és inorgànica i la incorporen pel cicle de calvin a través de la incorporació del CO2. Els elements que veurem, les vies metabòliques són similars als que vam veure pels fototrofs, les cadenes d’electrons tenen els elements estàndards (els citocroms, els Quinones...). Aquí, lo que és interessant fixar-se, és en els enzims que immediatament oxiden aquests substrats inorgànics. També són importants els productes que generen, per tal de saber les aplicacions en que poden ser útils.
Aquests bacteris els trobem en entorns diversos. Aquesta roda d’aquí recull els diferents hàbitats tals com antropogènics, on s’haurien anant ubicant aquests bacteris.
Els llocs on hi ha activitat volcànica és un hàbitat molt habitual per aquest organismes. Perque allí a banda d’altres compostos es troben una altra concentració de compostos sulfats.
Les sulfatares es defineixen com aquelles fonts de sortida de vapor d’aigua calenta i el vapor d’aigua rossega compostos sulfats.
A les mateixes sulafatres no, perque tenen temepratures elevadisimies, però a l’entorn, com que hi ha tota una acumulació de compostos sulfats és on es situarien alguns d’aquests bacteris. En la imatge d’abans tenim alguns dels compostos que podrien utilitzar aquests bacteris com H2S, SO2., CO, CH4...
Altres entorns on s’han desenvolupat han sigut on hi ha explotacions mineres a la superfície, ja que són microorganismes aerobis, necessiten oxigen. Allí utilitzaran com a font d’energia compostos com el ferro, el FeS2, el coure... en aquest entorn també són útils perquè ajuden, amb una combinació del seu metabolisme amb reaccions químiques que ja es donen a l’ambient aerobi, doncs s’aconsegueix reutilitzar metalls que són molt insolubles.
També en tota mena de residus en l’agricultura de l’aigua, els bacteris nitrificants formen part d’una de les etapes del tractament d’aigües residuals, per tant, aquests nitrificats, que lo que fan és utilitzar l’amoni (NH4) per formar nitrat, estaríem parlant d’aquests quimiolitotròfs.
Als llocs on hi ha aigua en general, tant aigua marina com aigua fresca (estuaris) també trobarem representants d’aquests microorganismes i la atmosfera també es poden trobar, ja que poden utilitzar tots aquests gasos dels que parlàvem (metà, sulfhídric...), són entorns molt diversos perquè la varietat de compostos és gran.
El primer quimiolitotrof fa moltes dècades que es va caracteritzar, va ser Winobrasqui (el de la columna) qui va caracteritzar aquests quimiolitotrofs, però un dels grans avenços en quant a conèixer la diversitat que ens confereixen aquests microorganismes es va iniciar quan es van fer inspeccions als fons marins amb robots (Alvin). Aquests robots es submergien de l’ordre de 20mil metres de profunditat i és quan es comencen a trobar nous bacteris que no s’havien caracteritzat fins el moment. De fet, la font aquesta de biodiversitat són les font termals submarines, aquests sortidors de vapor i aigua calenta cap a l’exterior i metalls... i es comencen a veure tota una sèrie d’animals que no s’havien caracteritzat encara (mol·luscs especials, cucs gegants...) i es comencen a plantejar cóm poden sobreviure aquests animals en un entorn tan pobre i tant extrem. I a partir d’aquí van veure que es desenvolupa tota una microbiota, tot un conjunt de bacteris que estarien vivint d’aquests compostos sulfats, metalls, etc i que servirien per alimentar aquest animals parcialment.
Es parla de que hi ha fonts que són més calentes que poden arribar a tenir 350 Gº de sortida i es diuen Hot vents o xemeneies negres i les que tenen temperatures més moderades, que es diuen Warm vents. Òbviament els microorganismes no es trobaran al mig de la font on surten els vapors, però si a l’entorn del voltant. La sortida explusarà compostos del sulfur de ferro, compostos sulfhídrics... hi ha tot un intercanvi amb aquesta capa més impermealbe amb altres compostos com els minerals, el CO2... per tant hi ha una certa, tot i que poca, disponibilitat de substrats perque els microorganismes puguin viure.
Aquí tenim diversos grups de quimiolitotrofs que parlarem: - Nitrificants: que utilitzaran l’amoni.
- Els Sulfur oxidants: que oxiden sulfur per sobreviure.
- Hidrogen oxidants: que només a partir d’hidrogen poden formar energia.
- Fe oxidants: que torbaríem aquí quasi tots els grups de quimiolitotrofs que parlarem.
La quimiolitotròfia com a metabolisme és possiblement un dels més pobres, degut el rendiment energètic que li aporta a la cèl·lula quan el comparem amb altres tipus de metabolismes. Els substrats que hem vist son substrats molt senzills des de el punt de vista de l’estat d’oxidació, compostos que es poden oxidar molt poc ja.
Partint ja d’un potencials redoxs estàndards bastant positius.
Com que l’acceptor sempre és l’oxigen, que és un dels millors acceptors que hi ha, tot i així, com el donador té l’estat d’oxidació ja molt elevat, la diferència de potencial és favorable però no dona gaire rendiment energètic.
En la taula de dalt es poden veure les energies teòriques que estem parlant de l’oxidació d’aquests compostos.
També, els número d’electrons que es transfereixen en aquestes reaccions són pocs, al voltant de dos i com a màxim 6 (sulfur i amoni). Per tant, això es tradueix en que són microorganismes de creixement molt lent.
Treballar amb ells presenta una certa dificultat perquè els hi costa créixer i a nivell industrial requereix temps aconseguir una quantitat de biomassa important.
Per què fan aquest metabolisme? Uns perquè no els i queda més remei i d’altres són facultatius i ho faran segons les necessitats que tinguin a l’entorn.
En aquesta imatge podem veure de manera gràfica aquest creixement pobre que tenen aquests microorganismes.
En l’eix de les Y està el creixement cel·lular i en els de les X està la quantitat d’energia que poder obtenir. Aqui realment, va augmentat la energia però la biomassa que s’obté augmenta molt poquet. En canvi amb la glucosa, el rendiment cel·lular és molt més elevat.
Alguns d’aquests bacteris lo que han fet és formar unes estructures de reserva precisament per intentar doncs millorar la seva supervivència. Aquestes estructures de reserva són lo que s’anomena carboxisomes. La funció d’aquestes vesícules és l’acumulació de Rubisco cristal·litzat que posarien en funcionament quan la cèl·lula ho necessiti.
una pobre són Aquestes estructures les trobarem en algunes espècies, no totes, de quimiolitotrofs. Seria resposta evolutiva sobre aquest metabolisme amb que han de sobreviure. També, no tots obligats, alguns són facultatius, quan tinguin disponibilitat d’un altre substrat més rentable canviaran de via catabòlica.
Aquestes serien les característiques més generals dels quimiolitotrofs, llavors començarem parlant de els bacteris de l’H, que són aquells que poden utilitzar com a font de carboni un compost tant senzill i disponible com és el hidrogen. Com a exemple parlarem d’un bacteri que és el Helicobacter Pylori, per la repercussió que té a nivell de salut. No té una aplicació beneficiosa però si té una rellevància important com a patogen. Aquest patogen provoca ulceres gàstriques, és una causa habitual.
El metabolisme bàsic que fan, és a dir, cóm aconsegueixen l’energia a partir del hidrogen, el que fan és capturar el hidrogen i l’oxigen que actua com a acceptor i lo que generen són productes d’aigua, productes innocus.
Helicobacter produeix un compost que és l’aigua i en principi no ha d’afectar, perquè és patogen? Aquest bacteri es situa a la mucosa gàstrica. En aquesta mucosa protectora utilitza la urea que hi ha i genera amoni.
Aquesta degradació de la urea fa que aquesta mucosa es vagi deteriorant i debilitant i sigui atacada pels àcids gàstrics. Fa que al final arribi a quedar desprotegida la paret gàstrica i es quan comencen els problemes de les ulceres.
I com sobreviu aquest bacteri en aquest entorn? Viu gràcies al hidrogen. El hidrogen de on l’obté? Està present perla degradació d’altres microorganismes o aliments que fermenten i alliberen hidrogen, per tant no te problemes per tenir H disponible. Precisament, una del es proves de detecció del patogen és la prova del hidrogen per avaluar si hi ha elevades concentracions de hidrogen, és un indicador de si hi ha una sobrecarrega de microbiota intestinal i que pot donar després un desenvolupament molt més gran de Helicobacter.
Hi ha altres quimiolitotrofs que poden utilitzar el hidrogen com a reductors de sulfats, però d’això ja parlarem, ara només parlem de bacteris del hidrogen quan només són d’aquest tipus que oxiden el hidrogen amb oxigen.
2 hidrogenases: A nivell de metabolisme, que és lo que ens interessa a nosaltres, de cóm poden viure a partir del hidrogen, hi ha uns enzims que són les hidrogenases. Hi ha dos grups segons les quantitats de deshidrogenases que tenen, hi ha alguns que només en tenen una (anclada a la membrana) i hi ha altres que tenen una hidrogenasas anclada a la membrana i una altra citoplasmàtica.
Depenent de la especie trobarem uns representants que tenne 1 deshidrogenasa o 2. La hidrogenasa és l’enzim directament responsable de la oxidació del hidrogen. Oxida els hidrogens i transfereix els electrons a la cadena electrònica, que després van a les Quinones, al tres tipus de citocroms i finalment arribarien aquests electrons al acceptor, en aquests cas, sempre l’oxigen, generant-se aigua. Amb tot aquest procés podem aconseguir tot un gradient de protons que desprès passen per la ATPasa de la membrana i així aconsegueixen ATP.
Els que tenen la segona deshidrogenasa, lo que tenen és com una especialització, la hidrogenasa de membrana actua enviant electrons a la cadena per produir ATP i la citoplasmàtica està especialitzada en la reducció dels cofactors de la cèl·lula. Els que no tenen aquesta hidrogenasa citoplasmàtica, enviaran alguns electrons de la cadena de transport electrònic per reduir alguns cofactors. Quan la cèl·lula necessiti cofactors reduïts per fer biosíntesi, transferiria electrons a la NAD.
Els bacteris nitrificants tenen una aplicació molt estesa en lo que és el tractament d’aigües residuals. Són bacteris que també es troben de forma molt diversa en diferents entorns habituals, sòls, aigües... allà on hi hagi descomposició de proteïnes i per tant hi hagi amoni (que és el substrat primer que utilitzen). Formen part de lo que s’anomena el cicle del nitrogen, tot el sistema del reciclatge del nitrogen. El nitrogen segueix un cicle que te diferents protagonistes, diferents microorganismes i organismes eucariotes.
La reacció global seria questa, on l’amoni s’acaba convertint en nitrat. Però són dos bacteris diferents els que fan això. Un són els Nitrosobacteris i els altres els Nitrobacteris.
Els Nitrosobacteris (Nitrosomes) utilitzen l’amoni amb oxigen i passen a nitrit i aigua, aquest nitrit, els Nitrobacteris (Nitrobacter) l’aprofiten i també amb oxigen l’oxiden a nitrat i aigua. Per tant, es dona en dues etapes i aquest sistema es sosté pel fet que el nitrit és tòxic pel Nitrosobacteri, i el fet de que existeixen aquests bacteris, els Nitrobacteris, fa que ho puguin aprofitar i així es dongui una relació de simbiosi entre aquests bacteris. Per això aquesta comunitat es desenvolupa sempre junta i torbem una combinació dels dos grups de bacteris.
De fet, els Nitrosobacteris, per protegir-se de l’efecte tòxic del nitrit, tenen unes estructures de membranes internes, com unes vesícules on tindrien lloc l’acumulació d’aquest nitrit, per protegir-se.
Si ens fixem en el rendiment de cada etapa, en la primera es pot veure, si la comparem amb altres energies lliures, doncs que és una energia molt pobre, de -65 Kcal/mol i en el cas de l’oxidació del nitrit encara pitjor, per tant són microorganismes de creixement molt lent; que de fet, a les plantes d’aigües residuals, aprofiten aquesta càrrega que porta l’aigua i utilitza les condicions per a que es desenvolupin aquests bacteris.
Procés de tractament d’aigües residuals: Tot lo que seria el procés d’aigües residuals, de forma estàndard tindríem tres etapes: - La denitrificació: Procés de respiració anaeròbia, a partir de compostos nitrogenats eliminar-los, denitrificar, en forma de nitrogen gas.
- Etapa Aeròbica: La descomposició de compostos orgànics enforma de CO2 mitjançant la respiració aeròbica dels microorganismes.
- Nitrificació: És la oxidació de l’amoni a nitrat i serien els quimiolitotorfs els responsables d’aquesta combinació de dos tipus de bacteris que farien aquesta nitrificació.
Per tant la matèria a eliminar vindria per una banda a la via anòxica dels compostos nitrogenats, en la via aeròbica, tots els compostos carbonats i després com que haurà amoni a banda d’altres compostos nitrogenats és quan intervenen els nitrificants formant nitrats que desprès poden ser transformats/eliminats pels nitrificants. En funció de la càrrega que hi hagi en cada tipus de compostos d’aquelles aigües doncs aquest cicle es repeteix més o menys vegades.
RESUM: Estem veient organismes quimiolitotrofs, organismes que sobreviuen utilitzant compostos senzills inorgànics, força oxidats. Vam veure el cas dels bacteris del hidrogen i desprès vam passar a veure el cas dels bacteris nitrificants, que en realitat són dos grups de bacteris (Nitrosobacteris i Nitrobacteris) que transformen l’amoni. Aquest amoni passa a nitrat, això forma part en una de les etapes que s’utilitza de forma estàndard en el tractament de les aigües residuals, en la part aeròbica de nitrificació.
Ara passarem a veure el metabolisme i quins són els enzims que intervenen.
Aquesta imatge representa la primera etapa de la nitrificació als Nitrosobacteris i es pot veure com estarien representats els diferents elements a la membrana. Com es veu ja d’entrada, els complexos enzimàtics es troben entre la membrana i el periplasma. El periplasma és l’espai que queda entra la membrana externa i la interna o la paret i la membrana citoplasmàtica quan són grams positius.
En aquesta zona intermitja que és el periplasma moltes vegades troben aquests enzims que intervenen a la oxidació de substrats que permeten el creixement.
L’oxidació de l’amoni, el primer pas que intervé és l’AMO (amoni mono oxigenasa). Les oxigenases són un tipus d’enzims que apareixen en altres vies catabòliques i que la funció genèrica és la de incorporar àtoms d’oxigen al substrat que utilitzen, per tant, estan les dioxigenases, les monooxigenases... en funció del nombre d’àtoms d’oxigen que incorporen. En el cas del AMO, el que fa és passar d’amoni a hidroxilamina. Aquest és l’oxigen que incorporaria la AMO. En aquesta reacció s’incorporen protons a l’aigua. L’oxigen te dos destins, un és un àtom que s’incorpora a la hidroxilamina (NH2OH) i un altre que passa a reduir-se en forma de aigua, com que passa a reduir-se part d’aquest oxigen en forma de aigua això implica que calen a part dels protons (equivalents de reducció) també l’aport d’electrons. Per tant, de la pròpia oxidació de ‘amoni, es desvia una part dels electrons en la cascada aquesta electrònica a la primera etapa inicial en la que hi ha una reducció parcial de l’oxigen a aigua.
Aquesta Hidroxilamina passa del citoplasma cap al periplasma i al periplasma és on actua el HAO. La hidroxilamina oxidoreductasa que és una reacció redox el que fa en aquest cas és oxidar la hidroxilamina a nitrit, que seria la primera etapa de la nitrificació. Aquesta oxidació el que fa és alliberar com a producte d’aquest metabolisme a nitrit, que és tòxic, per tant els bacteris que fan aquesta primera etapa tenen estructures com vesícules internes per acumular-lo o excretar-lo i que els altres bacteris el metabolitzin de nitrit a nitrat; no obstant, si hagués molt, tenen aquestes vesícules per mantenir-lo i que no hi hagi problemes de toxicitat.
En condicions normal, que hi hagi aquesta simbiosi entre bacteris nitrificants, aquest nitrit s’excreta al medi i és utilitzat per l’altre grup de nitrificants. En aquesta oxidació el que es guanya són 4 electrons concretament que aniran a la cadena electrònica a través dels complexos (3 tipus de citocroms  1 periplasmic, 1 de membrana tipus C i un altre de membrana tipus aa3).
En aquest primer acceptor tipus citocrom, dels 4 electrons que hi ha, 2 van cap a la primera etapa de la que parlàvem ja que es necessita un aport d’electrons per a que l’oxigen passi a aigua i els altres 2 electrons passen a la cadena normal electrònica fins a l’acceptor final que en el cas dels quimiolitotrofs sempre és l’oxigen.
Quan calgui poder reductor, es a dir, produir cofactors per mantenir el balanç redox pel creixement es desviaran cap a la formació de cofactors reduïts que poden anar a biosíntesis, fixació de carboni pel cicle de calvin.
La segona etapa és més senzilla degut que només intervé un enzim.
En aquest cas els Nitrobacteris oxiden el nitrit a nitrat, que és el producte final de la nitrificació. El pas de nitrit a nitrat seria en aquest cas realitzat per l’enzim NXR que faria la oxidació de nitrit a nitrat, és la nitrit oxidasa.
En aquesta reacció, com ja es parteix d’un substrat més oxidat que és el nitrit, l’energia lliure teòrica en base als parells de potencials redoxs era més baixa que l’anterior, s’aconsegueix ATP, per el suficient per a que aquestes cèl·lules puguin funcionar.
En algunes ocasions, depenent de que és el primer acceptor que li cedeix els electrons als cofactors per reduir (cas que passa en alguns fotosintètics que cal un flux revers d’electrons), doncs aquí també tenim un altre exemple on passa el mateix. Aquest citocrom c te un estat redox que el fa un donador pitjor que el parell del cofactor reduït/oxidat i no és una reacció espontània la de cedir els electrons als cofactors oxidats, per tant, és quan cal un flux revers d’electrons. Implica que s’ha de utilitzar energia de la cèl·lula per produir aquesta reacció.
Tot això sempre passa en microorganisme de creixement lent i complicat que no són fàcils de mantenir perquè com tenen la necessitat de fer això vol dir que l’ATP que els queda realment, desprès d’haver de repartir per fer el flux revers i el manteniment cel·lular, etc. doncs és pobre, per tant el creixement és lent.
En aquest cas, en un aquari, els bacteris nitrificants serien el punt clau per aquest reciclat del nitrogen. I haurà plantes que estaran donant lloc a l’excreció de proteïnes, van alliberant amoni, també les restes de menjars que se’ls hi posa als peixos, per exemple. Tot això implica que els bacteris nitrificants passarien de nitrits a nitrats i també i serien en aquest cicle del nitrogen els desnitrificants (respiració anaeròbica, són aquells que poden utilitzar els nitrats i passar-lo a nitrogen gas, per tant alliberen de l’aigua aquest nitrogen).
Per tancar amb el tema de nitrogen en quant als Quimiolitotrofs parlarem d’un tipus d’oxidació de l’amoni que es va descobrir fa uns quants anys, al 1986, encara que és relativament aviat comparat amb els descobriments d’altres bacteris. Se’ls i dona un nom abreujat de Anammox (Oxidació Anaeròbia de l’amoni).
No més es pens ava que la oxidació de l’amoni només es podien donar en medis amb oxigen, es pensava que l’amoni en condiciones anaeròbies era estable, no havia cap microorganisme que el podia utilitzar. Però desprès es va veure que en condiciones anaeròbiques aquest amoni desapareixia literalment. Això, desprès, quan es va caracteritzar, el microorganismes i el seu metabolisme, es va veure que lo que donava era una reacció combinada del nitrit i l’amoni per alliberar-se en forma de nitrogen gas, tot això sense la participació de l’oxigen.
Brocadia anammoxidans: Es va veure que eren planctomicets, que tenen estructures primitives, filogenèticament estan en les primeres branques de la evolució. No tenen glicopèptids, tenen moltes membranes internes, és a dir, tenen una sèrie de característiques diferents de proteobacteris o altres bacteris més nombrosos. Concretament, el nom que se’ls va donar va ser el de Brocadia anammoxia. Aquest bacteri el que fa és eliminar directament l’amoni i el nitrit del medi, per lo qual, té una aplicació clara en el tractament d’aigües residuals. En aquest cas tenim una desnitrificació directa, sense haver de passar per la nitrificació.
Com que no és un microorganisme de fàcil creixement, no està instaurat, no ha acabat de substituir totalment lo que és el tractament clàssic d’aigües residuals. Si que s’aplica, de vegades de manera combinada, perquè aquesta eliminació de l’amoni i el nitrit seria els dos substrats que utilitza sigui més eficaç, però no ha substituït la etapa dels nitrificants. És interessant coneixeu-ho però no descarta l’anterior que és la que s’utilitza.
Si ens fixem en la energia lliure no és tan desfavorable si la comparem amb els nitrificants, no és molt alta, però és millor que per exemple els oxidadors de nitrits. Aquesta Brocadia anammoxia i en general aquests planctomicets són peculiars ja que tenen estructures internes i aquests en concrets, els anammoxidants tenen anammoxisoma que és precisament, unes grans vesícules on té lloc la reacció d’oxidació d’amoni i nitrit, ja que hi ha un intermediari que és la Hidracina (N2H4  tòxic per la cèl·lula), per tant quedaria confinada la producció d’aquesta hidracina i la seva transformació final a nitrogen gas que s’allibera en aquestes vesícules internes.
La funció clau d’aquestes estructures anomenades anammoxisomes seria tenir confinada la hidracina per tal que no afecti al funcionament cel·lular.
En aquest cas tenim els enzims a l’interior de la membrana de l’anammoxisoma.
Aquest metabolisme te lloc confinat en aquesta mena d’orgànuls/ vesícules.
Hi ha tres enzims: · NiR: Nitrit reductasa.
· HH: Hidracil hidrolasa · HZO: Hidracina oxidasa Aquests enzims serien els responsables d’utilitzar tant el nitrit com l’amoni per acabar formant aquest intermediari que és la Hidracina que és tòxic i acabar alliberant nitrogen gas transformant aquesta hidracina.
Si ens fixem primer hi ha una utilització del nitrit que passa a monòxid de nitrogen gràcies a NiR i després va a parar a la HH, que aquest NO gràcies a la HH es converteix en la hidracina (N2H4), aquest intermediari és comú ja que si el substrat és l’amoni, també va a parar a la formació de la hidracina. La hidracina finalment és metabolitzada per la deshidrogenasa i passa a la forma gasos en forma de N2 i ja és alliberat fora de l’anammoxosoma i després passarà la membrana citoplasmàtica i s’alliberarà a l’exterior per difusió.
L’alliberament de protons a fora també porta a la producció d’ATP per la ATPasa i de manera secundària, també es forma aigua en aquest metabolisme.
Alguns bacteris capaços d’utilitzar compostos, sobretot el sofre i altres tipus de compostos com de ferro o de coure, però sobretot de sofre. Aquests bacteris dels que parlarem ara poden utilitzar molts compostos sulfats, però no exclusivament. Poden utilitzar ions de ferro, de coure... com a substrat d’oxidació, però genèricament s’anomenen bacteris del sofre. Concretament incolors, recordem que hi havia els porpra i els verds, doncs en aquest cas, simplement per fer la diferència es diuen bacteris incolors del sofre.
En aquesta taula podem veure el Thiobacillus però com les espècies van evolucionant, la forma de anomenarlos, per tant també podem trobar-lo escrit ara com Àcidithiobacillus. En el grup dels bacteris del sofre hi ha moltes espècies i dintre de les espècies podem trobar diferents varietats de compostos com a font d’energia. el sofre en general tots el poden utilitzar, però també, algunes espècies poden utilitzar cations de ferro o de coure.
En aquesta taula tenim una relació per a que veiem les diferents espècies, els pHs de creixement que són diversos i quins substrats inorgànics poden utilitzar. En general veiem que predomina el sulfur, el sofre elemental, també tenim el Tiosulfat (S2O3). En alguns casos també poden utilitzar Fe2+, sulfur de ferro, el coure...
En quant als pHs poden variar, de 2-5 en alguns casos i altres que són més estables que són de 6-8,5, depenent del caràcter acidòfil de cada espècie. L’acidithiobacillus són precisament aquells que són més acidòfils. Aquests microorganismes a part d’oxidar compostos de sofre i tenir la seva importància ecològica en quant al reciclatge d’aquest tipus de compostos, tenen una aplicació molt directa en la utilització i recuperació de formes insolubles del ferro i del coure. Això té una aplicació directa en lo que és la lixiviació i solubilització de metalls a la mineria, explotacions mineres a l’aire. Concretament, l’espècie que més s’utilitza és l’acidithiobacillus ferrooxidans.
Hi ha moltes aplicacions que han sortit a partir d’aquest microorganismes en la biotecnologia ambiental. Aquí hi ha dos articles que tracten d’això, que estan escrits a la imatge de dalt. Aquest microorganisme és interessant coneixel, sobretot per la seva aplicació al camp mediambiental.
Cóm oxiden aquests compostos del sofre? L’oxidació del sofre la tenim baix representada. Seria comuna a tots els bacteris incolors del sofre. Poden partir de diferents sulfats. Oxiden sofre, però també a partir del sulfur poden oxidar sofre elemental, thihosulfat... això té una certa importància ja que l’estat d’oxidació no és el mateix, per tant, quan parteixen de compostos més oxidats obtindran menys energia, quan parteixen de compostos més reduïts dels sofre obtindran més energia.
però la entrada pot ser per aconseguir energia a partir de qualsevol d’aquests compostos.
Bàsicament intervé un enzim molt important que és la Sulfit oxidasa, per tant, qualsevol d’aquests substrats pot ser metabolitzat per aquest enzim clau que tenen aquests microorganismes. Si és la sulfit oxidasa vol dir que cal arribar a un intermediari comú que serà el sulfit, que és qui la sulfit oxidasa en aquest cas transformarà en sulfat. Per tant qualsevol d’aquests compostos sulfats (sulfat elemetal, sulfur, thiosulfat...) prèviament és oxidat a sulfit. Per això hi ha un complex enzimàtic a nivell de membrana (cell-bound sulfur complex) responsable de transformar qualsevol d’aquests substrats depenent de la disponibilitat transfromar-lo en sulfit i llavors la sulfit oxidasa és l’enzim comú que portarà el producte final. El sulfat és el producte final d’aquest metabolisme.
A nivell d’aplicació el sulfat pot interessar a nivell d’entorns més des de un punt de vista ecològic que potser per una aplicació directa. Per bioremediació si és cert que el sofre elemental precipita, sedimenta i contamina, si es transformat a sulfat que es soluble, doncs si que és una forma de tractament de residus, per tant pot tenir aquesta vesant de tractament bioambiental. Però el nivell que juguen aquests microorganismes és més a nivell ecològic de proporcionar reductors de sulfats en aquest cicle global del sofre.
En la imatge hi ha una altra via possible que com és minoritària tampoc és necessària veure-la. Hi ha bacteris que no utilitzen la sulfit oxidasa i llavors utilitzen una via que és diferent, que és a través d’un intermediari que és la APS (adenosine phosphosulfat) que passa a ADP-sulfurilasa. És una altra via que poden tenir uns altres bacteris oxidants del sofre, però la més representativa és la d’abans.
Un cop han oxidat aquests compostos del sofre, els que siguin, òbviament tot això implica que hi ha en aquesta oxidació el guany d’electrons que aniran a la cadena electrònica i que seria la típica cadena d’electrons, amb els citocroms, la flavoquinona... i tot això a ATPasa. Aquí lo que és important de destacar, és que depenent de quin substrat de partida tinguin, caldrà o no caldrà el flux revers d’electrons per fer biosíntesi. Quan parteixen de sulfur (forma més reduïda) seria el compost energèticament més rentable, com aquesta la parella redox més immediata és una flavoproteïna,a questa flavoproteïna no té cap problema en donar electrons al parell de cofactors oxidats (sigui NAD o NADP) perquè és millor donadors d’electrons la flavoproteïna que aquest compost. Però quan s’utilitza el thiosulfat o el sofre elemental, la seva parella redox, qui els hi agafa els electrons és el citocrom c, com que estan més oxidats, entren en un punt de la cadena d’electrons on l’intermediari també està més oxidat per a que pugui donar-se aquesta reacció més espontània, doncs aquest citocrom c si que li cal una aportació energètica per poder reduir els cofactors, i per tant es dona el flux revers d’electrons.
Un dels representants més important d’aquest grup és el Acidithiobacillus ferrooxidans que és un dels representants de bacteris extremòfils que hi ha. Com el nom ja ens indica, té la capacitat de viure en entorns molt àcids (pH 2). Cóm sobreviuen? En aquests entorns un dels compostos, en aquest cas el ferro, poden utilitzar aquests compostos, oxidar-los de ferro 2 a ferro 3. En aquest cas, pel que fa al ferro, té un complex enzimàtic que s’anomena Rusticyanina que seria l’encarregat de ser el complex enzimàtic clau de passar de Fe2+ a Fe3+.
Com veiem aquí, tenim una representació de tots els elements que comporten a la síntesi d’ATP, com estarien distribuïts a les dues membranes. Tenen una membrana externa, un periplasma com qualsevol organisme que contindran en aquest cas un citocrom c que depèn d’aquest complex Rusticyanina que aquesta és l’encarregada de transferir els electrons que s’aconsegueixen de l’oxidació del ferro 2 a la cadena electrònica.
Tenim una cadena electrònica curta, perquè partim d’un compost oxidat ja de per sí com a donador d’electrons.
En aquest cas hi hauria dos citocroms, que serien els responsables de portar els electrons al acceptor final que sempre en els quimiolitotrofs és l’oxigen. Amb el consum de protons que això sempre és així, en aquest cas beneficia a la cèl·lula perquè el fet de viure en un entorn tant àcid, i que l’interior cel·lular és de 6 per a que els processos i les biomolècules de la cèl·lula siguin funcionals i no es desnaturalitzin, llavors aquest consum que hi ha via la reducció de l’oxigen ajuda també a mantenir el pH cel·lular front a un pH extern extremadament àcid.
Per tal de mantenir una concentració elevada de cofactors a dins de la cèl·lula de manera reduïda caldrà un flux revers d’electrons, ja que parteixen de substrats que estan bastant oxidats de per sí.
Aquesta reacció que està mediada pel Acidithiobacillus ferooxidans, aquesta formació de Fe+2 a Fe+3, pot tenir lloc de forma química, que no intervingui cap element biològic però mai a pH àcid. És a dir, el Fe+2 a pH àcid seria químicament estable a no ser que l’utilitzi aquest microorganisme. El Fe+2 pot ser oxidat a Fe+3 a pH neutre ne contacte amb l’oxigen. Però en aquests entorns s’aprofita aquest fet que aquest microorganisme a pH molts baixos pot utilitzar aquests elements que a pH àcid són estables des de un punt de vista químic, que no poden ser oxidats.
Com es pot veure, és un metabolisme molt pobre, l’energia lliure és de -2,3 Kcal/mol quan un ATP en costa -7, és probablement el més baix que hem vist fins ara. Però en aquestes condicions és la única forma que tenen de subsistència.
Aplicació d’això: En el cas de l’oxidació del ferro, que té una aplicació directa, que també poden oxidar el coure... tot això s’aplica sobretot a la recuperació de formes de minerals insolubles que queden en explotacions mineres que es farien a l’exterior. Dels minerals que estem agafant es recuperaran els metalls, es recuperarà el ferro i el coure. En explotacions on hi ha compostos sulfats típicament, minerals on hi ha aquests metalls que ens poden interessar com són el ferro o el coure en formes insolubles com pot ser el mineral Pirita.
Aquest procés de recuperació d’aquests metalls insolubles és el que s’anomena Lixiviació. També es pot trobar de l’anglès escrit com Bioleching.
En la imatge es poden veure les diferents etapes d’aquesta lixiviació i lo que ens indica en cada etapa (1, 2 i 3) si el procés és només biològic, si es pot donar aquest procés de forma combinada de manera biològica i de forma química o si aquesta etapa només és química com és la última etapa.
A la part superior hi ha aspersors, es mulla tota aquesta superfície amb lo que li diuen licor de lixiviació. Aquests licor de lixiviació és sobretot àcid sulfúric, un àcid altament corrosiu. Aprofitant la gravetat de les terrasses superiors aquest líquid es va dissolent simultàniament per allà on va passant per aquestes formes insolubles i es recupera el metall amb unes canalitzacions de ferro que es posen al exterior. Totes les reaccions de la imatge es van donant en aquest líquid de lixiviació des de terrasses altes fins a les canalitzacions de ferro, així és com funciona típicament la recuperació en aquest cas del coure.
La primera reacció que és exclusivament biològica, aquesta forma insoluble del coure (Cu2S) pot ser transformada per una banda a CuS que continua sent insoluble i a Cu2+ que ja és soluble i recuperable. Això no és seqüencial sinó que es dona simultàniament i algunes reaccions lo que fan es mantenir les altres, donar el substrat de partida de les altres.
La segona reacció que seria precisament l’oxidació d’aquest compost insoluble que generava la primera (CuS), aquesta es pot donar tant biològicament com químicament. Com hi ha oxigen es pot donar una intervenció directa sense cap microorganisme o utilitzar un acidithiobacillus, utilitzar oxigen per dur aquesta reacció. Llavors aquest CuS es transforma a Cu2+ que també passa a res soluble i recuperable.
A banda, es pot donar també una reacció química per la que es transforma aquesta mateixa forma insoluble del coure (CuS) amb Fe3+ i donar lloc a la forma oxidada del coure recuperable (Cu2+).
Altres reaccions que es poden donar paral·lelament és la oxidació de Fe2+ per l’acidithiobacillus per la rusticyanina que pot transformar el Fe2+ a Fe3+. Aquest Fe3+ ens servirà precisament per activar aquesta tercera reacció, ja que aquesta reacció d’oxidació química del coure, que és una de les reacció que ens permet tindre el coure d’una manera recuperable, cal la presència de Fe3+. L’acidithiobacillus pot obtenir aquest Fe2+ de les reaccions que es donen en les canalitzacions de ferro que abans parlàvem en el procés de lixiviació. Lo que es dona al tub col·lector és la següent reacció: Feº + Cu2+  Cuº + Fe2+ Del ferro elemental que està fet el tub, en contacte amb el coure recuperable que es va formant, té lloc una reacció redox en que s’obté el coure elemental (metall recuperable finalment) i a més també s’oxida part del ferro a Fe2+, que permetrà l’activitat aquesta de l’acidithiobacillus que a la vegada permet mantenir aquesta tercera reacció.
En aquest cas no té una aplicació com els altres però sí pot arribar a ser un contaminant problemàtic en el tractament d’aigües residuals. A més té una peculiaritat que fa una quimiolitotrofia completament diferent perquè utilitza com a font d’energia compostos inorgànics, però coma font de carboni compostos orgànics. De fet es parla de ell com un microorganisme que fa Mixotròfia.
Existeix a la natura però és bastant estrany, trobarem que aquestos microorganismes són capaços d’utilitzar compostos orgànics com el CO2 pel cicle de calvin, com a font de carboni per fer els seus components cel·lulars.
El cas del Beggiatoa és un quimiolitotrof perquè utilitza compostos de sofre inorgànics com a font d’energia però utilitza compostos orgànics com a font de carboni. Aquest cas de bacteri, per tant, és un exemple de mixotròfia (barrejar compostos inorgànics amb compostos orgànics). Aquesta Beggiatoa utilitza concretament compostos sulfats (sulfur de hidrogen) que el pot oxidar a sofre elemental i el pot acumular a la cèl·lula ja que precipita i utilitzar-lo quan necessita energia. aquests bacteris causes problemes d’escumes a depuradores perquè com es pot veure a la fotografia forma uns filaments molts llargs donant lloc a les escumes típiques molt denses a la superfície en els tancs d’aigües residuals.
De fet es tracta d’un microorganisme molt gran, mirat al microscopi el tamany és realment gran, per aquesta raó, va ser el primer quimiolitotrof que es va trobar, els primers estudis que apareixen descrits de microorganismes que poden viure a partir de compostos sulfats (sofrats) al final del segle XIX van ser aquestos, descoberts per Winogradsky (el de la columna).
Finalment, aquí tenim aquesta taula (és una mica antiga). Recull lo bàsic que hem vist. Hem vist els oxidants del hidrogen (helicobacter pylori), també els acidificants, els del sofre i ferro, coure i també, el grup que tenim en blau el veurem en el següent capítol que són els Metanògens, perquè és un metabolisme que en alguns llibres estan dintre dels quimiolitotrofs però en realitat no ho són, aquestos són els únics que són anaeròbics.
...