Los mixotrofos pueden utilizar las dos fuentes de energía, oxidan compuestos orgánicos en el caso de que los haya y sino tienen la posibilidad de obtener energía mediante la oxidación del hidrogeno.

Un segundo grupo de quimiolitotrofo son las bacterias oxidadoras de compuestos del azufre, que son las bacterias decolorantes del azufre. Son los primeros quimiolitotrofos descubiertos en 1949. El donador de electrones son diversos compuestos del azufre. Según vamos perdiendo electrones vamos pasando de S⁰, sulfito y sulfato.

Comenzamos con sulfuro de hidrogeno. Se desprenden 8 electrones desde el sulfuro de hidrogeno hasta el sulfato. En este proceso se liberan protones al medio que acidifican el medio, siendo microorganismos acidofilos en los que llegan a vivir a un pH de uno. No necesitan consumir todo el azufre y lo acumulan como gránulos de azufre, para utilizarlos posteriormente. El transporte de electrones hasta el oxigeno incluye los siguientes eslabones: flavoproteinas, quinona, citocromo b, c y a. dependiendo del compuesto que tengamos así cederá electrones a una parte de la cadena u otra. El sulfuro de hidrogeno pasa los electrones a la flavoproteina y el sulfito al citocromo C. cuanto mayor recorrido en la cadena mayor energía que produce ATP. Independientemente del compuesto de azufre que utilicen necesitamos del transporte inverso de electrones para la síntesis de NADH. El dióxido de carbono lo fija mediante el ciclo de Calvin. Hay bacteria mixotroficas que utilizan la energía procedente del sulfuro de hidrogeno.

Los que oxidan el hierro ferrico son acidofilos obligados. A pH altos, el hierro con dos cargas positivas reacciona con el oxigeno oxidándose. En esta vía los electrones van desde el hierro hasta el oxigeno. El crecimiento es muy pobre. Necesitamos mucho hierro. La diferencia de potencial es insuficiente para genera ATP. Aproveche el gradiente natural de protones en el medio. Debe de tener un pH bajo. El pH intracelular es de 6 y el extracelular es de 2, con lo que transforma el oxigeno en agua con los protones que entran y con ello consigue que no se acidifique el interior. La proteína implicada se denomina ristocianina que se localiza en la membrana. Los electrones pasan del hierro al citocromo c y de aquí al citocromo b y finalmente al a, hasta que llega a la oxidasa que los pasa al oxigeno. La fijación del dióxido de carbono lo realiza por el ciclo de Calvin. Un ejemplo es Thiobacillus ferrooxidans. Es muy típico de las minas inundadas. El genero Sulfolobus es otro genero que es una archea que tiene como obtención de energía la oxidación del hierro ferrico. Hay un genero que lo realiza a pH neutro debido a que vive en la interfase  entre condiciones inoxidas y oxidas, que es el genero Gallionella

La oxidación de compuestos de nitrógeno lo realizan las bacterias nitrficantes. En el proceso se genera nitrato que se utiliza como fuente de nitrógeno. La presencia de este organismo es beneficiosa en el suelo. El proceso parte del amoniaco  o nitrito y llega a nitrato.  De amoniaco a nitrato se desprenden 8 electrones, no hay ningún grupo de bacterias que realicen el proceso completo. Un grupo reduce de amoniaco a nitrito y otro grupo reduce el nitrito a nitrato. Los quimiolitotrofos no compiten con ellos. El grupo que pasa de amoniaco a nitrito son las bacterias nitrosoficantes que realizan esta vía debido a dos enzimas que son la amoniomonoxigenasa e hidroxilamina oxidorreductasa. El proceso que realiza se reduce el amoniaco a hidroxilamina y de qui difunde por la membrana  y se transforma en nitrito por la hidroxilamina oxidorreductasa. Se liberan 4 electrones que van al citocromo c y solo 2 electrones avanzan en la cadena y los otros dos regresan a través de la quinona hacia la amoniomonoxigenasa que los utiliza para la primera reacción. El citocromo a se acopla a la formación de agua y esto a la síntesis de ATP. La fijación de dióxido de carbono se realiza mediante el ciclo de Calvin.  Estas bacterias son las bacterias oxidadoras del amoniaco.
Las bacterias oxidadoras del nitrito son quimiolitotrofos facultativos. El nitrito es muy pobre y se suele utilizar otros compuestos. Tienen la enzima nitritooxidorreductasa que es exclusiva. La enzima cataliza el paso de nitrito a nitrato. La cadena es corta. Los electrones pasan del citocromo c hasta el citocromo a que se acopla a la síntesis de agua. Hay bombeo de protones hacia el exterior. Producimos menos ATP. Hay un transporte inverso de electrones para reducir el NAD. El dióxido de carbono se fija mediante el ciclo de Calvin.

La fototrofia  es un mecanismo por el cual se obtienen energía química a partir de energía luminosa. Las vias de obtención de energía y las vias de biosíntesis son independientes. El paso de energía luminosa a energía química se produce mediante la fotosíntesis. Necesitamos NADH, además de dióxido de carbono y ATP. También podemos necesitar NADPH. Hay otras bacterias que la fuente del carbono lo obtienen a partir de compuestos orgánicos, solo necesitamos el ATP y no el NADH. Los fototrofos se dividen en fotoautotrofos en el que la fuente de carbono es el dióxido de carbono y los fotoheterotrofos que tienen como fuente de carbono los compuestos orgánicos.
La luz es una luz electromagnética que se transmiten de mayor a menores fotones. La energía de estos fotones es inversamente proporcional a la longitud de onda. Las radiaciones que producen la reacción biológica son las que están entre los 200 y los 1200nm. Los pigmentos pueden aprovechar toda la banda.

Para realizar la fotosíntesis debemos de tener clorofila como en el caso de cianobacterias y proclorofitos o también bacterioclorofila que esta presente en bacterias rojas, bacterias verdes y halobacterias. Estos pigmentos se asocian a la membrana formando los tilacoides en las platas superiores y a la membrana plasmática o membrana intercitoplasmatica en las bacterias. Estas clorofilas tienen la misma estructura: una porfirina que se sustituye el átomo de hierro por un magnesio. Los distintos tipos se distinguen gracias a los radicales. En todos los casos hay una cadena larga que se asocia a los lípidos que se encuentran asociados a los lípidos y proteínas de la membrana.

La clorofila a es la mas abundante en vegetales tiene dos máximos de absorción que están alrededor de 400 y 700. La bacterioclorofila presenta dos puntos de absorción que son más extremos que son por debajo de 400 y entre 800 y 1100nm. Utiliza energía luminosa de cualquier tipo utilizando todas las longitudes de onda. En todos los fotosistemas hay pigmentos accesorios que son los carotenos que absorben a una longitud de onda de 500nm. Con esta energía las pasan a las clorofilas. Tienen una función de fotoprotector, la luz causa fotooxidacion generando especies reactivas de oxigeno que son toxicas y los carotenos los neutralizan. Las cianobacterias ya algas rojas tienen ficobiliproteinas que absorben a 600nm. Se conocen tres tipos de pigmentos fotosintéticos que son: ficocianina, ficoeritrina y haloficocianina. Los pigmentos se hayan formando fotosistemas que están unidos a una proteína. El tamaño esta entre 200 y 300 moléculas. No todas las clorofilas intervienen en la fotosíntesis. La mayoría son pigmentos antena. Cuando captan un foton transmiten la energía a la molécula adyacente hasta que llegan a las clorofilas especiales que forman parte del centro de reacción fotoquímico. Es donde verdaderamente se produce la fotosíntesis. En cuanto se asocia a proteínas hace que la energía luminosa se transforme en energía química. Esto se consigue porque la clorofila pierde un electrón que entra en la cadena de transporte y se libera energía que produce la síntesis de ATP. La energía luminosa pasa de una clorofila a otra hasta que se excitan y pierden un electrón.

En bacterias hay un clorosoma en el que las clorofilas no se unen a proteínas y forman un circuito cerrado de pigmentos que es la situación óptima para captar la energía. Esta fotosíntesis es distinta al resto. Hay dos tipos de fotosíntesis diferentes y por eso hay dos grupos. Las bacterias rojas, bacterias verdes y heliobacterias  tienen un solo fotosistema y al tipo de fotosíntesis se le denomina anixogenica, porque no produce oxigeno.

La fotosíntesis anixogenica posee un solo fotosistema que se compone de cuatro complejos proteicos que son: complejo colector I (antena), complejo colector II (antena), centro de reacción fotoquímico y complejo citocromo bc1. El centro de reacción fotoquímico se compone de: tres péptidos que son proteínas integrales de M, un par especial que se compone de dos moléculas de bacterioclorofila a, dos moléculas de bacterioclorofila a, dos moléculas de bacteriofeofitina que no presenta magnesio, dos moléculas de quinonas y dos moléculas de carotenoides.

Cuando la luz incide sobre el fotosistema, la energía captada por el pigmento antena llega al par especial que esta en el centro, al captar la energía luminosa se vuelve muy electronegativo, pasando el potencial de +0´5 a 1 V. Pierde un electrón transfiriéndolo a la bacteriofeofitina tardando 3X10^-12segundos y de aquí a la quinona. El proceso a partir de aquí se ralentiza. La quinona es estable en este proceso. De la quinona los electrones entran en la membrana produciendo un ciclo de las quinonas y se bombean protones al exterior. De la quinona los electrones pasan al citocromo bc1, de aquí al complejo sulfoferrico y de aquí al citocromo c₂ que devuelve los electrones al par especial. Ha habido un cambio cíclico de electrones, es un ciclo cerrado. Se ha creado un potencial de protones que se acopla a la síntesis de ATP. Esta fotosíntesis también se denomina fotosíntesis cíclica. Porque se ha producido un ciclo cerrado y la energía se ha obtenido a partir de la luz. Este proceso se ha estudiado en Rhodobacter capsulatus en el que hay un grupo de genes que forman la agrupación génica fotosintética de 50 kilobases. Se transcribe mediante operones que están coordinados. El oxigeno regula negativamente esta expresión. Mientras hay oxigeno se realiza el metabolismo aeróbico y cuando no hay oxigeno vuelve al proceso de fotosíntesis anixogenica.

Para la biosíntesis se necesita NADH. Tiene que tener donde extraerlo que es mediante el sulfuro de hidrogeno, hidrogeno, hierro dos que ceden los electrones a nivel del    citocromo c₂ con un transporte inverso de electrones que reducen el NAD. El transporte inverso de electrones consume ATP porque se realiza en contra de gradiente. En el caso de otros grupos fotosintéticos anixogenicos como las bacterias verdes y halobacterias  no es necesario el transporte inverso de electrones  para reducir el NAD. En bacterias verdes los electrones van  a la clorofila a, pasan al sulfoferrico y si se necesita NADH van a una ferredoxina  que pasan al NAD y en el caso de que no se necesiten NADH  se pasan los electrones a una quinona y sigue el proceso normal. Lo mismo ocurre en las heliobacterias que en primer lugar va a una protoclorofila. Solo aparece el transporte inverso de electrones en las bacterias rojas.

Los que poseen la fotosíntesis oxigenica tienen las dos fotosíntesis. Cuando la energía luminosa llega al fotosistema I se vuelve muy electronegativo y cede un electrón a la cadena de transporte que se compone del complejo hierro-azufre, ferredoxina, clorofila a y quinona que producen la reducción del NAD a NADH. El hueco que queda el electrón se rellena con electrones procedentes del fotosistema II. Cuando el fotosistema capta la energía luminosa también se vuelve muy electronegativo y cede electrones a la cadena transportadora del fotosistema I. es menos electronegativo que el uno. Se compone de feofetina, quinona citocromo bf y plectocianina que tiene un átomo de cobre que cambia de estado de oxidación. El hueco del electrón en el fotosistema se obtiene del agua y se libera oxigeno en el fotosistema II. La fotolisis del agua produce el oxigeno. Se produce energía gracias al potencial de protones que se ha generado en la fotolisis del agua y lo acoplamos a la síntesis de ATP. Esta fotosíntesis se denomina fotosíntesis no cíclica. Cuando no necesitamos  NADH o NADPH utilizamos el fotosistema I solamente. En este caso el electrón del fotosistema I pasa de la ferredoxina al citocromo bf y de aquí al fotosistema I. la síntesis de ATP se produce en este caso por fosforilación cíclica porque el electrón sigue un circuito cerrado. Un grupo de cianobacterias realizan la capacidad de realizan la oxigenica y mantienen la capacidad de realizar la oxigenica. Utilizan el SH o hidrogeno como donador, estos inhiben la producción del fotosistema II.

La autotrófica que es la fijación del dióxido de carbono se produce mediante el ciclo de Calvin o ciclo reductor. Hay dos enzimas claves en esta ruta metabólica que son la rubisco dentro de los carboxisomas que se encuentra de forma cristalizada rodeada de una membrana de 100nm de diámetro que esta presente en autótrofos estricta y la fosforilasa quinasa. La reacción neta es que seis moléculas de dióxido de carbono, doce NADPH y doce ATP producen una hexosa fosfato. La rubisco cataliza la reacción de una molécula de dióxido de carbono  con una molécula de ribulosa fosfato generando dos moléculas de fosfoglicerato que con gasto de ATP pasa a 1-3bifosfoglicerato que con una molécula de NADPH se reduce a gliceraldehido 3P. el ciclo de Calvin funciona cuando entra seis moléculas de dióxido de carbono a la vez que reacciona con seis ribulosa 1-5bifosfato  donde 12 moléculas de fosfoglicerato con el gasto de ATP forman 12 moléculas de           1-3bifosfoglicerato que con NADPH se reducen a doce moléculas de gliceraldehido 3P en el que 6 carbonos pasan a fructosa 6 fosfato quedando 10 bifosfoglicerato que sufren un ordenamiento secuencial pasando por intervalos de 3 a 7 átomos de carbono para llegar a sintetizar las 6 ribulosa 1-5 bifosfato. La fosforilasa quinasa incorpora un ATP a cada molécula.

Hay otras vías como el ciclo inverso del acido cítrico que los producen los fotosintéticos verdes, aquifex y algunas archeas.

Otra vía es la vía del hidroxipropionato que solo lo presentan las cloroflexus, que es un tipo de fotosíntesis de este organismo. El NADH y ATP tienen una vida muy corta. Cuando el metabolismo los produce, debe de utilizarlo o almacenar la energía en compuestos con enlaces ricos en energía. En cianobacterias es la sacarosa y almidón. Las bacterias la almacenan en glicógeno y los poli-β-hidroxualcanatos.

La fijación del nitrógeno es exclusiva de unos pocos procariotas. Es muy importante para el ciclo total del nitrógeno. La reducción de dos nitrógenos a dos amoniacos  mas una moléculas de hidrogeno. La nitrogenada es la que produce este proceso. Los ato consumidos son entre 16 y 24. Para reducir el nitrógeno se consumen ocho electrones. Para reducir a amoniaco solo se utilizan seis electrones de los cuales dos se utilizan junto con dos protones para formar el hidrogeno. La nitrogenada e un complejo formado por la dinitrogenasa y dinitrogenasa reductasa, la cuales poseen hierro. En la dinitrogenasa el hierro esta como cofactor hierromolidemno. Esta coenzima se ha conservado en todos los fijadores. Cuando no aparece el molidemno es porque la célula no dispondría de este elemento. La nitrogenasa esta altamente conservada en la evolución. Solo hay una especie (estrectomices termoautotroficus) que poseen una nitrogenasa diferente. Para reducir el nitrógeno se establece un transporte de electrones desde el piruvato que es el donador dando CoA y dióxido de carbono en una reacción que interviene el CoA. Los electrones reducen a una flavodoxina que pasa los electrones a la dinitrogenasa reductasa y de aquí a una dinitrogenasa que pasa de nitrógeno a amoniaco. El lugar físico es el cofactor hierro-molidemno. Para que la dinitrogenasa produzca la reacción es necesario que mediante la energía del ATP se reduzca el potencial redox. Se consumen entre dos y tres ATP por cada electrón que se transfiere. La reducción del nitrógeno a amoniaco se compone de una serie de etapas que son: se rompe la molécula de nitrógeno formando una molécula de hidrogeno. Los intermediarios son inestables y no se pueden aislar del centro de reacción. El oxigeno inhibe el proceso mediante la inactivacion irreversible de la dinitrogenasa reductasa. Hay muchas bacterias aeróbicas que fija el nitrógeno. Para poder fijarlo deben eliminar el oxigeno muy rápidamente debido a la alta tasa de respiración lo consiguen. Se rodean de una doble capa mucosa que capta el oxigeno. La compartimentación mediante heterocistes produce que la síntesis del nitrógeno, sin que intervenga el oxigeno. La protección conformacional es que la nitrogenasa esta formada por un complejo que lo separa del oxigeno.

La Klebsiella pneumonies tiene un regulon que se compone de 20 genes que suman 24 Kilobases. Se transcribe los genes de forma simultánea. Para la subunidad que forma la dinitrogenasa y las demás enzimas están presentes en el operon. La fijación del nitrógeno se regula a dos niveles: a nivel transcripcional debido a la presencia de oxigeno o la captación de nitrógeno. La segunda regulación es a nivel de la actividad de la dinitrogenasa  mediante el efecto conmutador del amoniaco, el amoniaco se une covalentemente a la dinitrogenasa que es un proceso reversible dependiente de la concentración de amoniaco. La capacidad de fijar nitrógeno se calcula mediante la relación entre la nitrogenasa que se basa en la enzima es la capacidad de reducir el acetileno que lo pasa etileno. Se detecta mediante cromatografía de gases. Es una medida indirecta, ya que las medidas directas no son fiables.

Tema 12: Regulación del metabolismo microbiano.

Debemos de tener un control estricto del metabolismo permitiendo el control de diferentes partes de la ruta. Las células deben adaptarse al cambio de nutrientes  y fuente de energía. Solo sintetizan enzimas necesarias para el catabolismo  de sustancias que producen el máximo rendimiento de entre los que halla en el ambiente. El control a nivel de transcripción mediante la expresión génica, a nivel traduccional debido a que la vida media del mensajero determina el tiempo de traducción modulando la concentración de enzima, a nivel postraduccional podemos encontrar proteínas que son precursoras de otras mediante la modulación de la eliminación de péptidos señal de membrana, autoprocesamiento de algunas proteínas en las que se elimina algunos fragmentos en los que podemos hablar de exteina e inteina como en el caso de intron y exon además de la síntesis de poliproteinas y la regulación a nivel de la actividad enzimática que es la regulación de las enzimas dependientes de sustrato.

La represión en el ADN es el paso entre heterocromatina y eucromatina.

El operon es un conjunto de genes que codifican para proteínas relacionadas que se transcriben en un único  mensajero. El operon expresa todos los genes a la vez. Los regulones son el agrupamiento de varios operones que son regulados por la misma proteína. El estimulon es un conjunto de regalones que están regulados por el mismo estimulo. Podemos regularlos dependiendo de una enzima alostérica que dependa de los efectos impidiendo o favoreciendo la transcripción. Con ello favorece o desfavorece la unión de la polimerasa. Si reduce el número de mensajeros que se forman se produce el proceso de atenuación. Controla que termine o no la transcripción de un gen. La regulación por factores sigmas alternativos  es otra forma de regulación. El factor sigma es un componente de la polimerasa. La célula tiene varias sigmas y dependiendo del número de determinados sigmas obtenemos unos ARN u otros.

En las proteínas reguladoras que inician la transcripción tenemos dos tipos:

 Control negativo: es en el que la proteína es un represor y la interacción con el ADN es en el operador  que se sitúa entre el promotor y los genes estructurales. Dentro del represor podemos encontrarlo que sea un operon inducible que son los operones que controlan el catabolismo de algunos nutrientes de manera que cuando esta presente el catabólico se sintetizan las enzimas, por lo que el operon da lugar a la inducción enzimática. En ausencia del catabólico se une el represor e impide la síntesis de ARN. El otro tipo es el control negativo que es el reprimible en el que en ausencia de la señal el represor no se une y el operon se transcribe normalmente. En presencia de la señal hay un compuesto que actúa como correpresor que se une al represor que cambia de conformación y se une al ADN. La ADN polimerasa no transcribe el operon. La represión es utilizada en la biosíntesis.