Fijación enzimática Microorganismos implicados

Cuando nos referimos a la fijación enzimática del Fe y Mn nos estamos refiriendo a aquellos microorganismos que necesitan la oxidación de dichos elementos para el correcto funcionamiento de su metabolismo.

La oxidación del Fe y/o Mn aporta electrones que pasarán directamente a las cadenas transportadoras de la célula. Estas cadenas

transportadoras pueden recorrerse en el sentido de la oxidación de sustratos orgánicos para la obtención de energía (ruta metabólica conocida como cadena respiratoria o fosforilación oxidativa - figuras 2.5 y 2.6), siempre en forma de A.T.P. (adenosín tri-fosfato); o bien en el sentido de crear un coenzima reductor (NADH2-Dinucelótido de

Adenina y Nicotinamida reducido) que posibilite la fijación autótrofa del CO2 (bacterias quimioautótrofas), para sintetizar compuestos

orgánicos (hidratos de carbono, fundamentalmente). Cuando el metabolismo es del tipo quimiolititrofo en presencia de sustratos ferrosos, la cadena transportadora de electrones difiere con respecto al caso más general representado en la figura 2.6. Este será el caso más general en las captaciones de agua subterránea (figura 2.7). Un tercer mecanismo enzimático de fijación de Fe y Mn se realiza, por algunas bacterias, para reducir la toxicidad del peróxido de hidrógeno (H2O2).

A. Cadena respiratoria: la relación entre la cadena respiratoria y la oxidación del Fe y Mn se ha puesto de manifiesto al observar que la actividad oxidativa del Fe y Mn en algunos microorganismos es sensible a los inhibidores de la respiración (Ghiorse, 1984). Por tanto ha de haber algún acoplamiento entre la formación de ATP y la oxidación aerobia del Fe y Mn.

Esta relación se ha encontrado a nivel de flavoproteína de la cadena respiratoria (ver figura 2.8) con la oxidación del manganeso, concretamente. Con respecto al hierro, esta relación parece ser que está a nivel de citocromos, debido al menor balance energético de la oxidación del hierro que de la del manganeso (Brock,

1998).

El resultado de esta actividad es la formación de "nódulos de manganeso" (MnO2) y "depósitos de hierro" (Fe+++).

Fig. 2.6.- Sucesión de metabolitos de la Cadena Respiratoria

Los microorganismos implicados en este proceso son, principalmente, bacterias del grupo Leptothrix/Sphaerotilus, aunque es extensible al resto de las Ferrobacterias: Gallionella,

Crenothrix, Clonothrix, etc., dado que se trata de un proceso

respiratorio y, por tanto, se puede dar tanto en autótrofos como en heterótrofos (Brock, 1998; Ghiorse, 1984; Haecket, 1987).

C. Calvin ← NAD(P)H

Flujo inverso de electrones

½ O2

NAD(P)+ _{↔ FP ↔ Q ↔ Cit. b ↔ Cit. c → Cit. aa} 3 → H2O Flujo de electrones a) HS- _S 2O32- / S0 2 Fe2+ _{½ O} 2 + 2 H+

Rusticianina Cit. c Cit. a1

2 Fe3+ _H 2O

Periplasma Membrana Citoplasma b)

Fig. 2.7.- Flujo de electrones en Thiobacillus creciendo en (a) azufre, tiosulfato o sulfuro y (b) en presencia de ión ferroso. Tomado de Brock, 1998.

B. Quimioautotrofía: la quimioautotrofía es un proceso metabólico exclusivo de algunas bacterias, entre las que se incluyen algunos tipos de Ferrobacterias. El proceso es equivalente a la fotosíntesis, solo que el efecto de la luz es reemplazado por la oxidación de diferentes iones naturales (S=_{, SO}

3=, Fe++, Mn++,

etc.).

En la fotosíntesis, el fotón de luz, por medio de la clorofila, inicia un transporte de electrones, que da como resultado la producción de energía (ATP) y la formación de un coenzima reductor (NADPH2) durante la fase lumínica, para ser

utilizados en la fijación del CO2 y formación de hidratos de carbono,

durante la fase oscura o Ciclo de Calvin (figura 2.9). En la quimiosíntesis, los electrones provienen directamente de la oxidación de sustratos inorgánicos.

Hay una diferencia fundamental entre fotosíntesis y quimiosíntesis, y es que la oxidación del hierro produce, Fig. 2.8.- Esquema general de la Cadena Transportadora de Electrones (Karlson, 1973)

relativamente, poca cantidad de energía (unas 40 Kcal -Brock,

1998), por lo que es muy difícil la producción de ATP.

El proceso ocurre de la siguiente manera: los electrones son tomados por los citocromos de la cadena respiratoria (ver punto A.- "Cadena Respiratoria" de este mismo apartado) y se transportan en sentido inverso, con lo que hay algo de gasto de ATP. A este proceso se le conoce como "transporte inverso de electrones" (figura 2.7). Al final del transporte, lo que se obtiene es NADH2 (no NADPH2, como en la fotosíntesis), que actuará

como coenzima reductor para la fijación del CO2 (Brock, 1998).

Aunque hay gasto de ATP, en general, compensa este tipo de metabolismo por la falta de competencia, especialmente notoria en suelos y aguas subterráneas, donde no pueden crecer fotosintéticos.

Una vez obtenido el NADH2, el metabolismo autótrofo es

igual que en la fotosíntesis, es decir, la fijación del CO2 para

sintetizar hidratos de carbono se hace a través del Ciclo de Calvin.

El proceso se puede resumir de la siguiente manera:

(1) Fe++ _{+ 3 H}

2O → Fe(OH)3 ↓ + 3 H+ + 1 e-

(2) NAD+ 2 H+ _{+ 2 e}- _{→ NADH}

2

(3) 6 NADH2 + 6 CO2 → C6H12O6 + 3 O2 ↑

(1). Oxidación del hierro, con formación de hidróxido de Fe3+_{, que}

precipita.

(2). Utilización de los productos de (1) para la formación de NADH2.

(3). Fijación del CO2, mediante el Ciclo de Calvin, para formar

glucosa.

En cuanto a los microorganismos que realizan este tipo de metabolismo, se encuentran, exclusivamente, los quimioautótrofos, ya sean estrictos, como el género Gallionella (aunque hay algunos autores, como Cullimore -Cullimore y

McCann, 1977- que ponen en duda su quimioautotrofía estricta) o

facultativos, como los géneros Crenothrix y Thiobacillus.

Tanto Gallionella como Crenothrix realizan su metabolismo

autótrofo por oxidación del hierro exclusivamente. Thiobacillus puede, además, oxidar S=_{, S}0_{, S}

2O3= (Kelly y Harrison, 1986;

Balows et al., 1991).

C. Reducción de la toxicidad del H2O2: durante el crecimiento

aerobio de los microorganismos se pueden producir pequeñas cantidades de H2O2. Un sistema enzimático puede catalizar su

Mn++ _{+ H}

2O2 → MnO2 + 2 H+ (Ghiorse, 1984)

Este proceso se realiza en condiciones oligotróficas y microaerófilas, por organismos como Leptothrix.