Biodiversidad y Ecolog a  I

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Procariontes. Poca diversidad estructural.Gran diversidad fisiol

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Presentation Transcript


1. Biodiversidad y Ecología I

2. Procariontes Poca diversidad estructural. Gran diversidad fisiológica. Las clasificaciones naturales no reflejan los grupos funcionales. Los grupos artificiales se basan en características comunes de estructura, bioquímica y ecología.

3. Procariontes Las agrupaciones funcionales NO implican relaciones genéticas cercanas por lo que algunos organismos pueden encontrarse en más de un grupo y algunos grupos pueden tener organismos tanto de Archaea como de Bacteria.

7. Litotrofía Uso de un compuesto inorgánico como fuente de energía. La mayoría de las bacterias litótrofas son respiradoras aerobias: Remueven electrones de un substrato y los ponen en un sistema de transporte de electrones que producirá ATP.

15. Respiración Catabolismo === generación de energía Oxidación del substrato gracias a un aceptor de electrones en el exterior

18. Hemos revisado Los tres tipos de metabolismo que se encuentran en el dominio Archaea. Metanogénesis Respiración aerobia Litotrofía (oxidación de sulfuros)

19. Archaea Los tres tipos de metabolismo están distribuidos en diferentes grupos filogenéticos. No sólo el metabolismo es importante para la caracterización, también la ecología…

20. Archaea Basados en su fisiología y ecología, las Archaea pueden organizarse en : Metanógenos Halófilos Hipertermófilos Euryarchaeota Halófilos extremos Metanógenos Hipertermófilos Crenarchaeota Hipertermófilos dependientes de sulfuro Korarchaeota Secuencias obtenidas de ambientes hipertérmicos.

23. Metanógenos Presentes en el reino Euryarchaeota Anaerobios obligados Metabolismo primitivo Gran variedad de formas: Bacilos cortos Bacilos largos Cocos Cocos irregulares Cocos irregulares agregados Bacilos en filamentos

24. Metanógenos Habitats: Sedimentos anóxicos Tractos digestivos de animales Rumen de ganado Intestino grueso de animales monogástricos como humano, cerdo y perro. Intestino de insectos (ej. Termitas) Fuentes geotérmicas de H2 y CO2 Instalaciones de biorremediación de aguas Endosimbiontes de varios protozoarios anaerobios

25. Importancia Formación de depósitos de gas fósil, útil como combustible (gas natural). Producción de metano en las vacas lo que contribuye al efecto invernadero. Necesarios para la digestión, disminuyen la acidez del tracto.

27. Halófilos extremos Aerobios con metabolismo respiratorio (ac. Orgánicos y a.a.). Algunas cepas pueden crecer anaeróbicamente por fermentación o respiración anaerobia. Adaptaciones especiales: Balance hídrico Bomba K+ (introduce K+ hasta compensar la concentración externa de Na+) Na+ necesario para la integridad celular (pared de glicoproteínas rica en a.a. negativos) Proteínas citoplasmáticas requieren K+ Condiciones de baja aereación Bacteriorodopsina (ATP, meta H y saca Na+ , mete nutrientes) Pueden sobrevivir con pequeñas cantidades de O2. Altas concentraciones de sal de NaCl. Rodopsina No fotosíntesis.

30. Hipertermófilos Hay representantes en los tres grupos de Archaea. Requieren altas temperaturas para vivir (desde 85ºC en adelante, se han reportado temperaturas de hasta 120ºC). Sus membranas y enzimas son termoestables. Muchas requieren Sº para su metabolismo (oxidadoras de sulfuros y reductoras de sulfatos = litótrofas con respiración anaerobia)

31. Hipertermófilos Euryarchaeota

32. Hipertermófilos Euryarchaeota Thermococcales 70-100ºC Respiración anaerobia con Sº como aceptor terminal Archaeoglobales 83ºC óptima Respiración anaerobia Reductor de sulfatos SO22- ---- H2S Acidifican el medio por lo que también son acidófilos, viven a pH menor a 2

33. Hipertermófilos Crenarchaeota

34. Hipertermófilos Crenarchaeota Hay representantes que viven a temperaturas muy bajas pero su fisiología es un misterio El resto viven a temperaturas mayores a 80ºC y muchos son acidófilos. Existen aerobios, anaerobios y aerobios facultativos Quimiolitótrofos anaerobios, quimioorganótrofos o ambos Thermoproteales Sº + Compuestos orgánicos ---- H2S + CO2 quimioorganótrofos Sulfolobales SO42- + Compuestos orgánicos ---- H2S + CO2 quimioorganótrofos 2Sº + 3O2 + 2H2O ---- 2H2SO4 Quimiolitótrofos 2FeS2 + 7O2 + 2H2O ---- 2FeSO4 + 2H2SO4 Quimiolitótrofos Desulfurococcales Anaerobios, algunos aerobios Compuesto orgánico ----- CO2 + H2 + Acidos grasos --- H2S quimioorganótrofos

35. Hipertermófilos Ejemplos interesantes Thermus aquaticus (Taq polimerasa)

37. Importancia de hipertermófilos quimiolitoautótrofos Viven en ventilas hidrotermales y representan la base de la cadena trófica del ecosistema asociado.

40. Soluciones a las altas temperaturas Proteínas---Chaperoninas Lípidos----Uniones covalentes DNA---”histonas”

41. ¿Todas las archaea son extremas? No….pero es un descubrimiento reciente

42. Biodiversidad Bacteria 14 linajes principales (REINOS), de acuerdo con 16S rDNA. Diversidad metabólica:

44. En cuanto a la fuente de C Autótrofos: Fotoautótrofos Quimiolitoautótrofos ….Litótrofos Heterótrofos Quimioorganótrofos

47. Denitrificación Los nitratos (NO3) son aprovechados para la construcción de material celular por las plantas. El uso de nitratos como aceptores de electrones en la cadena respiratoria es normalmente una alternativa al uso de O2. Si bacterias del suelo como Pseudomonas o Bacillus usan O2 como aceptor de electrones dejan disponible los nitratos del suelo y los cultivos pueden aprovecharlos. Por ello es necesario mantener bien aireados los cultivos.

49. Reducción de sulfatos No es alternativo al uso de O2 es un proceso obligado de condiciones anaerobias. SO4 ----- S o H2S Los metanógenos y reductores de sulfato pueden compartir el hábitat.

51. Importancia de respiración anaerobia Metanógenos y Bacterias de respiración anaerobia juegan papeles importantes en los ciclos del carbono, nitrógeno y azufre. Convierten las formas oxidadas de los elementos a un estado más reducido. Los litótrofos anaerobios metabolizan las formas reducidas de nitrógeno (NO2, NH3, N2) a sus estados oxidados (NO3) para producir energía, contribuyendo así al reciclaje de nutrientes.

52. Litotrofía Grupo fuente producto final organismo fisiológico energy energética oxidado hydrogen bacteria H2 H2O Alcaligenes, Pseudomonas nitrifying bacteria* NH3 NO2 Nitrosomonas nitrifying bacteria* NO2 NO3 Nitrobacter sulfur oxidizers H2S or S SO4 Thiobacillus, Sulfolobus iron bacteria Fe ++ Fe+++ Gallionella, Thiobacillus The overall process of nitrification, conversion of NH3 to NO3, requires a consortium of microorganisms. 

56. Grupos de bacterias De acuerdo con el 16S rRNA:

58. Espiroquetas Gram - Móviles Ambientes acuáticos y animales Algunos patógenos (Treponema pallidum, sífilis, Borrelia burgdorferi “lyme disease”). Tienen de 1 a varios endoflagelos

60. PROTEOBACTERIAS Grupo genética y fisiológicamente diverso (a,b,g,d,e de acuerdo con16S). Algunos grupos fisiológica y ecológicamente distintos: Spirilla Myxobacteria Litótrofos Pseudomonas y parientes Entéricas Vibrios Rickettsias y Chalmydias

61. Spirilla Gram - (representantes en todos los grupos de proteobacterias). Aerobias, heterótrofas (respiración) Forma helicoidal o espiral Movilidad por flagelos polares normales Habitantes de ambientes microaereofílicos acuáticos. Spirillum y Aquaspirillum: algunos tienen gránulos de polifosfato. Magnetospirillum (magnetita) Bdellovibrio: parásito de otras gram - (teoría endosimbiótica). 2 patógenos humanos: Campylobacter jejuni = diarrea, comida contaminada. Helicobacter pylori = úlceras gástricas

63. Myxobacteria Gram - Bacterias deslizantes (d proteobacteria) DIFERENCIACIÓN CELULAR Respiración aerobia organótrofa Agregación celular para formar cuerpos fructífero multicelular en condiciones de bajos nutrientes. Cuerpo fructífero (myxosporas, resistentes a radiación, desecación y calor pero menos que endosporas) Se ven sin microscopio Suelo

65. Litótrofos Bacterias nitrificantes capaces de crecimiento autótrofo (CO2 como fuente de C). Nitrosomonas (NH3 a NO2 ) Nitrobacter (NO2 a NO3) Bacterias oxidadoras de sulfuro Oxidan H2S + O2 ----- SO42- + 2H+ Sº + H2O + 11/2O2 ---- SO42- + 2H+ S2O32- + H2O +2O2 ---- 2SO42- + 2H+ donadores de e ácido sulfúrico (por lo que muchas son acidófilas)

67. Litótrofos La mayoría son autótrofos Los eucariontes nunca son litótrofos por lo que los organismos involucrados en la base del reciclaje de nutrientes son los litótrofos. Ejemplo: Thiobacillus (oxidador de sulfuro)

69. Pseudomonas y sus parientes Bacilos gram- Grupo muy diverso Metabolismo respiratorio estricto (típicamente aerobio) NO FERMENTAN Flagelos polares Agua, suelo, generalmente vida libre, algunos parásitos. Importante en biodegradación y ciclos de C y N. Degradan hidrocarburos, plásticos, insecticidas,pesticidas, herbicidas.

72. Pseudomonas y sus parientes Patógenos humanos: Pseudomonas aeruginosa Neisseria gonorrhoeae Neiseria meningiditis

74. Pseudomonas y sus parientes Rhizobium y Bradyrhizobium Simbiontes de leguminosas, fijan nitrógeno atmosférico (N2) y lo convierten en amonio (NH3) el cual puede integrarse al material celular de la planta. Existen otros organismos no relacionados con Pseudomonas que también fijan N2, incluso algunos son de vida libre.

76. Entéricas Bacilos gram - Metabolismo aerobio facultativo (pueden fermentar azúcares). Relacionados fenotípicamente con Pseudomonas pero fisiológicamente NO. Escherichia coli Salmonella typhi (fiebre tifoidea) Salmonella typhimurium (gastroenteritis) Proteus (saprófito) Yersinia pestis (peste) Shigella dysenteriae (disentería)

79. Vibrios Bacilo curvo (forma de coma) Gram - Respiración aerobia Características estructurales y metabólicas que sobrelapan con entéricas y pseudomonas. Flagelo polar Habitat acuático (salado a diferencia de pseudomonas y entéricas) 5 especies bioluminiscentes (luz-verde, simbiontes). La enzima bioluciferasa desvía electrones de la cadena respiratoria y causa la formación de un peróxido excitado que lleva a la emisión de luz Un patógeno humano: Vibrio cholerae

81. Rickettsias y Chlamydias Dos grupos de Bacteria NO relacionados Parásitos intracelulares obligados de eucariontes. Rickettsias: tienen membranas con “fugas” y no pueden obtener nutrientes en un ambiente extracelular. (tifo) Chlamydiae: No pueden producir ATP en cantidades suficientes. (tricomasis)

83. GRAM + Bacterias del ácido láctico Bacterias formadoras de endosporas Actinomycetes y bacterias relacionadas Mycoplasmas

84. Bacterias del ácido láctico No forman esporas Bacilos y cocos Fermentación alcohólica (industria de queso, yogurt, crema) Streptococcus y Lactobacillus Algunas especies son parte de la flora normal de humanos.

86. Bacterias del ácido láctico Algunos Streptococos son parásitos humanos: Steptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes (beta hemolítico): fiebre reumática

89. Bacterias formadoras de endosporas Usualmente bacilos Bacillus: aerobios en el suelo Clostridium: anaerobios en suelo, sedimento y tractos intestinales. Patógenos. Bacillus anthracis Clostridium botulinum Clostridium tetani

93. Actinomycetes y bacterias relacionadas Forman filamentos Forman esporas, NO endosporas Aerobios descomponedores en el suelo Importantes en la biodegradación y ciclo de C. Ejemplo: Streptomyces Vida libre de distribución general en el suelo Principales productores de antibióticos industriales (tetraciclinas, eritromicina, estreptomicina, gentamicina) 2 patógenos humanos: Mycobacterium tuberculosis Corynebacterium diphteriae

95. Mycoplasmas Carecen de pared celular. 0.3-0.2 micras de diámetro El genoma más pequeño (1/5 de E.coli) ¿Cómo sobrevivir sin pared celular?:

98. Tipos de metabolismo Quimiótrofos: Litótrofos (Archaea y Bacterias, nitrificantes, fijadoras de N, reductoras de sulfatos, metanógenas, oxidadoras de sulfuros, de hierro y de hidrógeno) Organótrofos (Archaea y Bacteria, Respiración y Fermentación) Fotótrofos Fotoautótrofos (Bacteria: fotosíntesis oxigénica y anoxigénica) Fotoheterótrofos (Bacteria: Verdes no sulfurosas; Archaea: fotofosforilación)

101. Bacterias oxidadoras de Hidrógeno (quimiolitoautótrofas o quimioorganótrofas) Ralstonia, Alcaligenes. Pueden ser autótrofos, pero no siempre. Gram + y Gram - Capaces de reducir O2 a partir de H2 con enzimas hidrogenasas: 2H2 + O2 ---- 2H2O Usan el hidrógeno para formar ATP o como poder reductor para fijar C autotróficamente. Casi todos son quimiolitótrofos facultativos = pueden crecer quimioorganótrofamente. La mayoría crecen en condiciones de bajo oxígeno Algunos también fijan N2.

102. Proteobacteria Litótrofas Oxidadoras de Hidrógeno Reductoras de Sulfatos Oxidadoras de Sulfuros Nitrificantes Fijadoras de Nitrógeno

105. Litotrofía Grupo fuente producto final organismo fisiológico energy energética oxidado hydrogen bacteria H2 H2O Alcaligenes, Pseudomonas nitrifying bacteria* NH3 NO2 Nitrosomonas nitrifying bacteria* NO2 NO3 Nitrobacter sulfur oxidizers H2S or S SO4 Thiobacillus, Sulfolobus iron bacteria Fe ++ Fe+++ Gallionella, Thiobacillus The overall process of nitrification, conversion of NH3 to NO3, requires a consortium of microorganisms. 

106. Litótrofos Bacterias nitrificantes capaces de crecimiento autótrofo (CO2 como fuente de C). Nitrosomonas (NH3 a NO2 ) Nitrobacter (NO2 a NO3)

108. Litótrofos La mayoría son autótrofos Los eucariontes nunca son litótrofos por lo que los organismos involucrados en la base del reciclaje de nutrientes son los litótrofos. Ejemplo: Thiobacillus (oxidador de sulfuro)

109. Litótrofos Bacterias oxidadoras de sulfuro Oxidan H2S + O2 ----- SO42- + 2H+ Sº + H2O + 11/2O2 ---- SO42- + 2H+ S2O32- + H2O +2O2 ---- 2SO42- + 2H+ donadores de e ácido sulfúrico (por lo que muchas son acidófilas)

111. Reducción y Oxidación de sulfatos Reducción No es alternativo al uso de O2 es un proceso obligado de condiciones anaerobias. SO4 ----- S o H2S Los metanógenos y reductores de sulfato pueden compartir el hábitat. Desulfovibrio Oxidación Puede darse con oxígeno. Viven en aguas contaminadas con metales. Algunas también puede oxidar Fe. Son Mixótrofas (usan compuesto inorgánico para obtener energía pero su fuente de C es orgánica) Thiobacillus Beggiatoa

113. Importancia de Litótrofos En general reincorporan los elementos a los ciclos biológicos.

116. Descanso 10 min

117. …el futuro Examen 1…revisar Calendario “Revisar avances de grupo”

119. Fotosíntesis

122. Grupos de fotótrofos (todos gram -) Fotótrofos oxigénicos: Cianobacterias Prochloron Fotótrofos anoxigénicos: Verdes del azufre Rojas del Azufre Verdes no sulfurosas Rojas no sulfurosas

123. Fotótrofos anoxigénicos Rojas (proteobacterias) Bacterioclorofila a y carotenoides (de ahí sus colores). Sintetizan sistemas de membranas fotosintéticas intracitoplásmicas que se forman de invaginaciones de la membrana citoplasmática.

124. Fotótrofos anoxigénicos Rojas sulfurosas Usan H2S como donador de electrones. Al oxidar H2S se deposita Sº en el periplasma que luego puede ser oxidado a sulfatos. Fotoautótrofas, Ciclo de CAlvin Son g proteobacteria. Se encuentran en manantiales sulfurosos y lagos salados. Se asocian con bacterias verdes sulfurosas. Ej: Ectothiorhodospira, Halorhodospira

125. Fotótrofos anoxigénicos Rojas no sulfurosas Fotoheterótrofos (benzoato, alcoholes) y Fotoautótrofos (Ciclo de Calvin) Son menos tolerantes a la presencia de H2S…en ciertas condiciones pueden usarlo para reducir CO2.(Autótrofas) Pueden crecer anaeróbicamente fermentando o respirando usando compuestos orgánicos como donadores de electrones. Viven en lodo, en condiciones anaerobias de lagos y drenajes.

126. Fotótrofos anoxigénicos Verdes sulfurosas (grupo aparte de rojas y verdes no sulfurosas) Varios morfos H2S como donador de electrones La mayoría pueden ser FOTOHETERÓTROFOS. Cuando fijan CO2 lo hacen por la vía del TCA inverso. Bacterioclorofilas a, c,d, o e. Sólo la a forma el centro de reacción. Ambientes anóxicos Poseen clorosomas (ricos en bacterioclorofila). Requieren poca luz gracias a la recolección de energía de sus diferentes pigmentos por lo que se pueden encontrar a profundidades mayores que las rojas en lagos

127. Fotótrofos anoxigénicos Verdes no sulfurosas (grupo aparte derojas y verdes sulfurosas) Filamentosas Forman tapetes en manantiales alcalinos calientes. También en aguas marinas no termales. Tienen carácterísticas “híbridas” entre rojas y verdes sulfurosas: Bacterioclorofila a y c Clorosomas Fotoheterótrofos preferentemente. Si fija CO2 lo hace por la vía del Hidroxipropionato.

128. Fotótrofos oxigénicos Cianobacterias: Fotosistemas I y II, pueden realizar fotosíntesis anoxigénica (sólo Fotosistema I). Responsables de la conversión de la atmósfera terrestre de anóxica a oxigénica. Gran diversidad morfológica. Unicelular Filamentosa Filamentosa con diferenciación celular

129. Fotótrofos oxigénicos Cianobacterias: Clorofila a + ficocianinas (verde-azules) Clorofila a + ficoeritrina (roja-café) Eucariontes clorofila b (endosimbiosis?). Lamelas (invaginaciones) Vesículas de gas Heterocistos Acinetos Simbiontes (Anabaena…fijación N2 en Azolla, Líquenes) De vida libre (Oscillatoria) Habitats terrestres, de agua dulce y marina. Más resistentes a los extremos que las algas.

131. Fotótrofos oxigénicos Prochlorophytas: Relacionadas con cianobacteria Clorofila a y b (relación con cianobacterias y cloroplastos). Carotenos. No ficocianinas. Prochloron. Simbionte de invertebrados marinos. Primer género descrito. Unicelular. Membranas “tilacoidales” extensivas. Existen otros ejemplos de morfología distinta en el mar. Prochlorophyta y Cyanobacteria están genéticamente relacionados con un ancestro en común (ancestro también de cloroplastos = la Teoría Endosimbiótica se salva)

134. Impacto de fotosíntesis oxigénica en la atmósfera terrestre CH4 creó efecto invernadero en un rpincipio === bien, el sol era más frío. Cuando aparecen las cyanobacterias el O2 oxidaba el metano la atmósfera cambió de composición, la Tierra se enfrió. Se forma la capa de oxono (menos radiación, menos mutación). Gran extinción, dominan estromatolitos (pre-Cámbrico) y después llegan metazoarios (Cámbrico). Anaerobios quedan relegados a hábitats recónditos.

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