GLOSARIO:

Acetotrófico: consumidor de acetado. Se usa para describir un metanógeno, organismo capaz de escindir la molécula de acetato en CH4 y CO2

Bacteriorrodopsina: proteína de membrana que contiene retinal, producida por ciertos halófilos extremos y capaz de generar una fuerza motriz de proteínas mediante energía lumínica.

Crenarchaeota: phylum de Archaea que contiene microrganismo hipertermófilos y psicrófilos.

Euryarchaeota: phylum de Archaea que comprende microrganismos metanogénicos principalmente, halófilos extremos y el genero Thermoplasma

Fitanil: cadena hidrocarbonada de 20 átomos de carbono, ramificada presente en los lípidos de Archaea.

Halorrodopsina: bomba de cloro impulsada por la luz que acumula en el ion cloruro en el citoplasma.

Korarchaeota: phylum de Archaea hipertermófilos que se ramifico en la base del tronco Archaea.

Ruta de acetil-coA: ruta de fijación autotrófica del CO2 muy extendida entre los anaerobios estrictos tal como metanógenos, homoacetógenos y baterías reductoras de sulfato.

Solutos compatibles: sustancias orgánicas o inorgánicas acumuladas en el citoplasma de organismos halófilos para mantener la osmolaridad.

Sulfatara: emisor volcánico rico en azufre que genera un ambiente acido y habitado por arqueas hipertermófilas.

Termosoma: una chaperonina inducida por un choque termino que repliega parcialmente proteínas parcialmente desnaturalizadas por la temperatura en Archaea hipertermófilos.

Salina: agua de mar estancada que se evapora lentamente por acción del sol.

Filogenética de Archaea

El árbol filogenético del Archaea se bifurca en dos grandes phyla denominados Crenarchaeota y Euryarchaeota y el tercer phylum Korarchaeota.

Crenarchaeota agrupa especies hipertermófilas tales como las especies que crecen a las mayores temperaturas conocidas, muchas son quimiolitoautotrofos, son productores primarios. Tienden agruparse y ocupar ramas muy cortas en el árbol basado en el rRNA de 16S. Poseen relojes evolutivos lentos y que han sido los últimos en haber evolucionado. Las formas sicrofílicas han evolucionado mas rápido por lo que ocupan las ramas mas largas del árbol.

Euryarchaeota comprenden un grupo más diverso, muchos de los cuales, habitan en ambientes extremos. Consideramos metanógenicas: Methanopyrus y Thermoplasma -carente de pared celular- (anaeróbicos estrictos) ligadas a halobacterias (aeróbicas, en su mayor parte), además los hipertermófilos: Thermococcus y Pyrococcus.

Korarchaeota se descubren en un manantial caliente de Yellowstone por accidente, pero no se ha reconocido oficialmente su taxonomía, se ramifica cerca de la base por lo revelan características de los organismos antiguos.

Conservación de la energía y autótrofa en Archaea

Los metabolismos de las Archaea (no metanogénicos) son quimioorganotrofos (utilizan compuestos químicos como fuente de energía), catabolizan las glucosa por la ruta de Entner-Doudoroff (E-D) o por ruta glucolítica. La oxidación del acetato ocurre hasta CO2 ocurre a través del ciclo cítrico, así como la ruta del acetil-coA entre otros.

PHYLUM EURYARCHAEOTA

Halófilos Extremos

Habitan en ambientes hipersalinos de elevada salinidad tales como salinas, lagos salados naturales, hábitats salinos artificiales: superficies de alimentos en salazón. Requieren obligatoriamente altas concentraciones de sal, requiriendo 1,5M de NaCl.

Ambientes hipersalinos

Los hábitats como el gran lago salado estadounidense de Utah contienen fundamentalmente agua de mar, en donde, el catión principal es el sodio y el anión primario es el cloro; existen cantidades significantes de sulfato y un ligero pH alcalino. Por el contrario en mar muerto es bajo en sodio y alto en magnesio. Las

salinas también son buenos hábitat, a medida que las concentración de las se aproxima a una mínima permiten el crecimiento de halófilos extremos, las aguas se vuelven de color rojizo debido al crecimiento masivo de Archaea

Taxonomía y fisiología

Frecuentemente reciben en nombre de halobacterias a consecuencia del género clásico Halobacterium, primero en ser descubierto.

Reaccionan al Gram negativamente y se reproducen por fisión binaria.

La gran mayoría son inmóviles pero, algunas se mueven ligeramente mediante flagelos.

Son quimioorganotrofas y la mayoría aerobias estrictas. Utilizan aminoácidos como fuente de carbono y requieren bastantes factores de crecimiento (principalmente vitaminas). Poseen cadenas transportadoras de electrones con citocromos a, b, y c, y la energía se conserva en crecimiento aeróbico gracias a la

fuerza motriz de protones generada en la membrana y mediada por quimioósmosis.

Balance de agua en los halófilos

Se valen de la acumulación intercelular de compuestos orgánicos biocompatibles que contrarrestan la tendencia celular de deshidratarse en ambientes con mucha fuerza osmótica. La pared celular del Halobacterium esta formada por una glicoproteína estabilizada por iones de sodio.

Componentes citoplasmáticos de los halófilos

Proteínas citoplasmáticas altamente acídicas, requieren potasio para la actividad. Contienen muy baja proporción de aminoácidos hidrofóbicos como lisina.

Los ribosomas requieren altos niveles de potasio para la estabilidad.

Los componentes celulares que están expuestos hacia afuera requieren sodio.

Bacteriorrodopsina y síntesis de ATP mediada por luz

Las Archaea halófilas extremas son capaces de llevar a cabo síntesis de ATP mediada por luz y no implica el uso de clorofila (no es fotosíntesis). La naturaleza pigmentada de estos es debida a los carotenoides (color rojo anaranjado) principalmente C50 llamados bacteriorruberinas. Bajo condiciones de baja aireación, Halobacterium salinarium y otros sintetizan e insertan en sus membranas una proteína denominada Bacteriorrodopsina, esta absorbe fuertemente la luz en la región verde del espectro alrededor de 570nm.

Los organismos halófilos extremos son procariotas que requieren grandes concentraciones de cloruro de sodio para el crecimiento. Estos organismos bombean mucho cloruro de potasio hacia el citoplasma como soluto compatible. Estas sales afectan a la estabilidad de la pared celular de las moléculas enzimáticas. La bomba protónica de Bacteriorrodopsina ayuda a los halófilos extremos a conseguir ATP extra.

¿Cuál es la diferencia más importante entre Halobacterium y Natronobacterium?

Si las células de Halobacterium requieren altos niveles de Na+ ¿Por qué esto no es valido para las enzimas citoplasmáticas?

¿Qué beneficio proporciona la Bacteriorrodopsina a H. salinarium?

Archaea productoras de metano: metanógenos

Producen metano en su metabolismo (metanógenos), y el proceso de formación de este metanogénesis.

Los metanógenos son anaerobios estrictos cuyo metabolismos esta ligado a la producción de metano (CH4)

Sustratos

El CO2 que es reducido hasta metano utilizando el hidrogeno como fuente de poder reductor:

Sustancias con grupos metilo, utilizando el metanol como modelo metílico. La formación de metano puede ocurrir de dos formas; la primera que incluye la reducción del metanol por una fuente externa de electrones como lo es el hidrogeno:

Alternativamente y en ausencia de hidrogeno, algo de metanol puede oxidarse hasta dióxido de carbono para generar los electrones necesarios para reducir otras moléculas de metanol hasta metano:

La ruptura de acetato hasta dióxido de carbono y metano:

Todas las reacciones son exotérmicas y pueden utilizarse para generar ATP.

Thermoplasmatales: Thermoplasma, Ferroplasma y Picrophilus

Thermoplasma, Ferraoplasma y Picrophilus son termófilos acidófilos que forman su propio linaje filogenética de Archaea, colonizando minas de pirita (FeS), carbón y en general hábitat ácidos así como solfataras volcánicas. Las células de y el Ferroplasma carecen de pared celular y por ello se parecen a los micoplasmas.

Thermoplasma quimioorganotrofo que crece óptimamente a 55°C y pH 2 en medios complejos. Se han descrito dos especies: T. acidophilum y T. volcanicum.

Son aerobios facultativos, que pueden crecer aeróbica o anaeróbicamente respirando azufre. Son morfológicamente parecidos a los micoplasmas en que carecen de pared celular. Se han aislado (T. acidophilum) en pilas de carbón y pirita (FeS), que se encuentran en combustión espontanea y que parece metabolizar los compuestos orgánicos generados en la combustión. Las T. volcanicum se han aislado de sulfataras volcánicas y son móviles por múltiples flagelos.

Thermoplasma- T. volcanicum

Para sobrevivir a condiciones dos condiciones extremas de bajo pH y elevada temperatura sin pared celular, Thermoplasma ha desarrollado una membrana celular que contiene un material semejante al lipopolisacárido (lipoglicano en micoplasmas) que es tetraéter con manosa y glucosa; la membrana contiene también glicoproteínas pero no esteroles que se hacen que se estable a condiciones acidas.

Ferroplasma es un quimiolitotrofo, carece de pared celular y es acidófilo, no es termófilo y crece a 35°C. Este oxida ion ferroso a férrico obteniendo la energía y asimila el dióxido de carbono por ser autótrofo. Crece en las minas de pirita (FeS).

Picrophilus este es mucho más acidófilo, crecen óptimamente a pH 0.7 e incluso valores de pH de ¡0.6! Posee pared celular. Su fisiología es acido-tolerante, en donde su membrana citoplasmática sugiere una distribución de sus lípidos muy inusuales que la hacen resistir los pHs más bajos, pero a pHs más moderados (pH 4) se vuelve porosa y literalmente se desintegran.

¿En que se parecen y en que se diferencian Thermoplasma y Picrophilus?

¿Cómo refuerza Thermoplasma su membrana para sobrevivir en ausencia de pared celular?

¿Cómo obtiene Ferroplasma la energía para el crecimiento?

Euryarchaeota hipertermófilos: Thermococcales y Methanopyrus

Los Euryarchaeota que crecen en ambientes a temperaturas óptimas de 80°C o superiores se denominan hipertermófilos.

Thermococcales termófilo esférico (70-95°C), propio de ambientes anóxicos de aguas termales, posee un penacho de flagelos. Es anaeróbico estricto y quimioorganotrofo que crece a expensas de proteínas u otras fuentes tales como azucares y para ello utiliza el S0 como aceptor de electrones.

Pyrococcus (del latín “bola de fuego”) semejante morfológicamente al Thermococcales, pero requiere temperaturas mas altas para su crecimiento (100°C-106°C); utiliza almidón y maltosa que oxida como fuente de electrones, utilizando S0 como aceptor terminal, que es reducido a acido sulfídrico.

Methanopyrococcus bacilo hipertermófilo que genera metano, aislada de sedimentos submarinos y chimeneas negras emisoras volcánicas submarinas. Uno de los más antiguos hipertermófilos, comparte características tanto con los hipertermófilos (máx. Temperatura de crecimiento 110°C) como con los metanógenos (lleva a cabo 4 H2+CO2→CH 4+2H 2O). Methanopyrus produce

metano únicamente de H 2+CO2 y al contrario de los metanógenos mesofílicos tiene una gran cantidad de difosfoglicerato cíclico disuelto en el citoplasma, que le supone un elemento termo estabilizador para prevenir la desnaturalización del DNA a altas temperaturas

Euryarchaeota hipertermófilos: Los Archaeglobales

Archaeoglobus y su genoma

Aislado en sedimentos marinos de una fuente hidrotermal y acopla la oxidación de hidrogeno, lactato, piruvato, glucosa o compuestos complejos orgánicos con la reducción de sulfato a sulfídrico. Son cocos irregulares y crecen a 83°C. Tienen relación con los metanógenos, pero aunque efectivamente pueden producir metano, carecen de la enzima clave para la metanogénesis (metil-coM-reductasa).

Ferroglobus

Relacionado con Archaeoglobus, pero no es capaz de reducir sulfato. Es un quimiolitotrofo oxidante de hierro y obtiene su energía de la oxidación de ion ferroso, utiliza también hidrogeno o acido sulfídrico como donador de electrones en su metabolismo energético. Aislado en chimeneas submarinas y crece a 85°C.

Los Euryarchaeotas hipertermófilos incluyen a los Thermococcales, Archaeglobales y el género de Methanopyrus. Poseen temperaturas óptimas de crecimiento por encima de los 80°C.

¿En que difiere el metabolismo del Thermococcus del de Methanopyrus?

¿Qué Euryarchaeota termófilo es un verdadero reductor de sulfato?

¿En que difiere el metabolismo de Ferroglobus del de Archaeoglobus?

PHYLUM CRENARCHAEOTA

Son filogenéticamente diferentes de los Euryarchaeota y contienen organismos que pueden vivir en ambos ambientes extremos de la temperatura: agua hirviendo o hielo.

Hábitat y metabolismo energético de los Crenarchaeotas

Los hábitats incluyen lugares muy calientes y muy fríos, siendo la mayor parte de los Archaea hipertermófilos aislados de suelos/aguas calentados por la actividad volcánica del planeta y ricos en azufre o sulfuros. De modo que muchas de las especies son capaces de metabolizar este elemento; en medios terrestres, manantiales ricos en azufre, barro hirviente y suelos hasta de 100°C que pueden tener valor de pH muy acido debido a la producción de acido sulfúrico como producto de la oxidación biológica del azufre o de los sulfuros (sulfataras),

distribuidas por todo el mundo como Italia, Islandia, Nueva Zelanda, y el Parque Nacional de Yellowstone en Wyoming, USA. Dependiendo de los elementos geológicos circundantes, las sulfataras pueden ser alcalinas o ligeramente acidas, hasta extremadamente acidas con pHs por debajo de 1. Aunque la mayoría de los hipertermófilos prefiere valores de 5-8 de pH. Además de los hábitats naturales se aíslan en obras del hombre como las salidas de agua caliente de las plantas geotérmicas de producción de energía. Los Crenarchaeotas hipertermófilos también se aíslan en ambientes submarinos en las fuentes hidrotermales submarinas

Crenarchaeotas Psicrófilos

Se han encontrado por todos los mares del mundo, incluso han colonizado las aguas de la Antártida, son planctónicos (suspendidos en el agua o unidos a partículas suspendidas en el agua) y se encuentran en un número de 104/ml en aguas muy frías y con pocos nutrientes. Su fisiología muestra que tiene enlaces éter en sus lípidos.

Metabolismo energético

Con pocas excepciones las hipertermófilos son anaerobios estrictos y, pueden ser quimioorganotrofos o quimiolitotrofos (o ambos como el caso del Sulfolobus). La fermentación es rara y la mayor parte de las estrategias bioenergéticas son

respiraciones aerobias o anaerobias, donde las conservación de la energía tiene lugar por transferencia de electrones en el seno de la membrana citoplasmática, que genera una fuerza motriz de protones que son translocados por la ATPasa que así genera ATP. Muchos de estos, pueden crecer bajo condiciones anóxicas

con H2 como donador de electrones y S0 o NO3- como aceptor de protones; unos

pocos pueden oxidar H2 aeróbicamente. Otras formas incluyen la oxidación de azufre elemental a ion ferroso aeróbicamente, o este ultimo anaeróbicamente con nitrato como aceptor de protones. Solo se conoce un sulfato reductor (Archaeoglobus). No se conocen fotosintéticos.

Hipertermófilos de hábitat terrestres volcánicos: Sulfolobales y Thermoproteales

Sulfolobales

Los habitas volcánicos pueden tener temperaturas de hasta 100°C, dos hipertermófilos filogenéticamente relacionados incluyen Sulfolobus y Acidianus.

Sulfolobus crece en manantiales calientes ricos en azufre a temperaturas de hasta 90°C y pHs de 1-5 (13.15b Sulfolobus acidocaldarius); es quimiolitotrofo aeróbico que oxida acido sulfúrico o S0 hasta acido sulfúrico y además fija anhídrido carbónico. También puede crecer quimiolitotróficamente, las células son mas esféricas con lóbulos bien marcados y se adhieren fuertemente a los cristales de azufre (13.17a – 17.26b)

Acidianus anaerobio facultativo que se asemeja al Sulfolobus (13.17b Acidianus infernus), difiriendo en su capacidad de crecer anaeróbicamente. Puede utilizar el

S0 tanto en anaerobiosis como aerobiosis; en aerobiosis el organismo utiliza el S0

como donador de electrones, oxidándolo hasta sulfúrico (H2SO4), en anaerobiosis utiliza el S0 como aceptor de electrones (utilizando hidrogeno como donador de electrones) con lo que genera sulfídrico (H2S). Es casi esférico pero no lobulado, crece a temperaturas 65-95°C con óptimo a 90°C.

Thermoproteales

Los géneros Thermoproteus (células bacilares rígidas de 0.5µm de diámetro y de longitud de 1-2µm hasta 70-80µm 13.18ª Thermoproteus neutrophilus-micrografía electrónica de corte fino 0.5µm diámetro) y Thermophilum (filamentos mas finos, algunos de 0.17.0.35µm de ancho y longitudes de hasta 100µm 13.18b Thermophilum librum, técnica de sombreado 0.25 µm) habitan manantiales calientes neutros o ligeramente ácidos. Son anaerobios estrictos que llevan a cabo una respiración anaeróbica basada en azufre, son muy sensibles al oxigeno.

Hipertermófilos de hábitat volcánicos submarinos: Desulfurococcales

En los hábitats submarinos habitan los más hipertermófilos Archaea conocidos.

Pyrodictium y Pyrolobus

Pyrodictium (105°C) discos irregulares que crecen como si fuesen un micelio sobre los cristales de S0 (13.19ª Pyrodictium occultum 105°C campo oscuro, b corte fino 0.3-2.5 µm), su masa tiene una serie de fibras gruesas y formadas por un tipo de proteína dispuesta helicoidalmente como ocurre en los flagelos, son órganos de fijación a la superficie (13.22). Las paredes celulares están formadas por glicoproteínas, es un anaerobio estricto que crece quimiolitotróficamente sobre el hidr0geno utilizando el S0 como aceptor de electrones, puede crecer quimioorganotróficamente sobre sustratos complejos.

Pyrolobus fumari (113°C record y no menos de 90°C) vive en las paredes de las fuentes hidrotermales submarinas (19.20) donde utilizando sus capacidades autotróficas es fuente de producción primaria de biomasa en un medio totalmente inorgánico, sus células con cocoides (13.19c 1,4 µm) y la pared celular esta formada de proteína, es quimiolitotrofo obligado creciendo a expensas de la oxidación del hidrogeno acoplada a la reducción de nitrato hasta amoniaco o de tiosulfato hasta sulfídrico o incluso muy bajas proporciones de oxigeno. Resiste temperaturas muy por encima de la óptima hasta 121°C durante una hora.

Pyrobaculum tienen temperaturas óptimas de crecimiento sobre 100°C.

Desulfurococcus, Ignicoccus y Pyrobaculum

Desulfurococcus anaerobio estricto reductor de S0, temperatura óptima 85°C (13.20b corte fino Desulfurococcus saccharovorans 0.7 µm).

Pyrobaculum (13.20acorte fino Pyrobaculum aerophilum 0.5x3.5 µm) es fisiológicamente único ya que algunas especies pueden respirar tanto aeróbica como anaeróbicamente con nitrato, ion férrico o S0 como aceptores de electrones e hidrogeno como donador universal; otras especies crecen en anaerobiosis sobre donadores orgánicos de electrones y reduciendo el azufre hasta sulfídrico. Su temperatura optima es la de ebullición del a nivel del mar y se han aislado tanto en manantiales calientes de medios terrestres como de zonas profundas submarinas.

Ignicoccus (13.20ccorte fino Ignicoccus islandicus, célula con periplasma muy desarrollado en si misma mide 1 µm pero el periplasma mide 1,4 µm) es un hipertermófilos nuevo que parece tener una membrana externa verdadera, que es poco habitual, en el sentido que forma cierta distancia con el citoplasma, claramente en contraste con los que ocurre con las bacterias Gran negativas, donde el periplasma representa el 25% del citoplasma. El periplasma de este contiene vesículas rodeadas por una unidad de membrana, que pueden funcionar exportando sustancias al exterior de la célula. Crece óptimamente a 9°C y su metabolismo se basa en el hidrogeno y azufre (H2/S0), la función del periplasma tan inusual no esta clara aun, se necesitan estudios químicos para ver si contiene lipopolisacárido.

Staphylothermus

Micrografía Staphylothermus marinus 92°C observación por sombreado, 1µm

Miembro morfológicamente poco habitual de los Desulfurococcales; sus células son esféricas, de alrededor de 1µm de diámetro y que forma agregados hasta de 100 células. Es quimioorganotrofo, crece óptimamente a 92°C, obtiene la energía de la fermentación de péptidos originando ácidos grasos como acetato e isovalerato. Se han aislado tanto en aguas poco profundas como en las chimeneas negras de las fuentes hidrotermales submarinas como en zonas muy profundas.

¿Cuáles son las principales diferencias entre Sulfolobus y Pyrolobus? ¿Staphylothermus e Ignicoccus?

¿Qué es lo único o poco habitual en las propiedades metabólicas del genero Acidianus, en relación con el azufre elemental?

¿Qué clase de organismos son, desde el punto de vista de la energía, aquellos que utilizan el hidrogeno como donador de electrones? ¿Que Crenarchaeota utiliza el H2?¿que utilizan como aceptores de electrones?

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