PRINCIPIOS DEL METABOLISMO MICROBIANO

CAPITULO I
PRINCIPIOS DEL METABOLISMO MICROBIANO
1.1.
CARACTERÍSTICAS
GENERALES
DE
LOS
GRUPOS
MICROBIANOS
Las bacterias se encuentran en casi todos los ambientes e intervienen en
varios procesos biológicos. El crecimiento microbiano requiere la formación de
estructuras complejas como proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos a
partir de elementos preformados en el medio de crecimiento o ser sintetizados por
la propia célula, a su vez, este crecimiento necesita de una fuente de energía para
ser llevado a efecto, todo este proceso se designa con el nombre de metabolismo,
que se define como todas las transformaciones químicas que ocurren en una célula.
Todos los seres vivos llevan a cabo el procesamiento de los nutrientes que los
mantienen vivos. A este conjunto de procesos, se le conoce como metabolismo y
consiste de un gran número de reacciones químicas destinadas a transformar las
moléculas nutritivas en elementos que posteriormente serán utilizados para la
síntesis de los componentes estructurales; como pueden ser las proteínas. Otra
parte importante del metabolismo es la de transformar y conservar la energía que
está contenida en una reacción química en algún proceso que requiera de energía,
como puede ser el trabajo o el movimiento. Figura N° 1.1.
Es evidente que los nutrientes son transformados cuando entran en un organismo,
ya que en ningún caso el alimento contiene todas las moléculas que una célula
requiere. Esto se vio con claridad al observar el crecimiento normal de levaduras en
un medio de cultivo que sólo contenía glucosa como única fuente de energía. Así
pues, se pensó que la síntesis de todos los componentes celulares se llevaba a
cabo en el interior de las levaduras.
Hoy se conoce que las transformaciones que sufre la glucosa no ocurren en un solo
paso, sino que, por el contrario, se forman varios productos intermedios que en
muchas ocasiones no tienen una función específica a no ser la de formar parte de
lo que se conoce como vía metabólica. La transformación de los nutrientes en
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compuestos útiles para la subsistencia de un organismo se lleva a cabo por medio
de las reacciones químicas que realizan unas proteínas conocidas como enzimas.
El término metabolismo se refiere al conjunto de reacciones químicas que tiene
lugar en la célula, y tiene tres funciones específicas a saber:
-
Obtener energía química del entorno, almacenarla, para utilizar luego en
diferentes funciones celulares,
-
Convertir los nutrientes exógenos en unidades precursoras de los
componentes macromoleculares de la célula bacteriana,
-
Formar y degradar moléculas necesarias para funciones celulares
específicas, como por ejemplo, movilidad y captación de nutrientes.
Figura N° 1.1. Una Visión Simplificada del Metabolismo Celular.
Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).
24
La energía liberada en las reacciones catabólicas se usa para fosforilar ADP,
generando ATP. La energía almacenada en el ATP se utiliza en la mayoría de los
trabajos celulares. Por lo tanto, el ATP acopla los procesos productores de energía
de la célula a los consumidores de energía. Figura Nº 1.2.
Todos los procesos que ocurren en la célula o bacteria requieren de energía.
Esta energía está almacenada como moléculas de ATP, que se forma a partir
de ADP y fosfato inorgánico.
Figura Nº 1.2. El anabolismo y el catabolismo.
Fuente: (Dreyfus Cortés Georges, 1995)
25
El metabolismo tiene lugar a través de secuencias de reacciones catalizadas
enzimáticamente, y se divide en anabolismo y catabolismo. El proceso por el cual
la célula bacteriana sintetiza sus propios componentes se conoce como
anabolismo, y como resulta en la producción de nuevo material celular, también se
denomina biosíntesis.
La biosíntesis es un proceso que requiere energía, por lo tanto las bacterias deben
ser capaces de obtenerla de su entorno para crecer y, eventualmente, multiplicarse.
El conjunto de reacciones degradativas de los nutrientes para obtener energía o
para convertirlos en unidades. Figura N° 1.3.
Figura N° 1.3. El catabolismo y anabolismo
Fuente: (T. Audesirk y G.Audesirk, 2003).
1.2.
CLASIFICACIÓN NUTRICIONAL BÁSICA
Las bacterias son seres vivos y están compuestas al igual que las células
eucariotas por proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos, entre otros. Estas
moléculas a su vez forman parte de estructuras celulares más complejas, como por
ejemplo la pared celular y la membrana citoplasmática. Una característica de los
seres vivos es la capacidad para sintetizar sus propios constituyentes a partir de
nutrientes que toman del medio externo.
26
El crecimiento bacteriano se define como el aumento ordenado de todos los
constituyentes químicos de la célula. Se trata de un proceso complejo, que supone
la replicación de todas las estructuras y componentes celulares a partir de los
nutrientes exógenos.
El conocimiento de la fisiología y del metabolismo bacteriano tiene algunas
aplicaciones prácticas:
-
Permite conocer el modo de vida y el hábitat de diferentes especies
bacterianas. El ser humano actuando como hospedero por ejemplo,
ofrece una variedad de nichos ecológicos que se diferencian entre sí por
aspectos físicos y químicos (temperatura, concentración de O2, pH,
presión osmótica, etc.) en los cuales pueden crecer y multiplicarse
distintas especies bacterianas, de acuerdo a sus requerimientos
nutricionales.
-
Permite formular medios de cultivo para el aislamiento e identificación de
los patógenos participantes.
-
Desde el punto de vista terapéutico nos permite conocer y entender el
modo de acción de algunos antimicrobianos que bloquean una vía
metabólica o la síntesis de alguna macromolécula esencial para la
bacteria.
Tipos de metabolismo microbiano
En el V Curso latinoamericano de Biotecnología (1996), señalaron que el
crecimiento equilibrado de un microorganismo requiere de la integración de un gran
número de rutas metabólicas (alrededor de 2000 procesos bioquímicos diferentes),
interconectados, que participan en un correcto flujo de energía y carbón hacia la
formación de más materia celular, los cuales deben operar coordenadamente y
permitirle, al menor costo energético una adaptación a condiciones ambientales
cambiantes (tanto químicas como físicas). Indicaron que en general la regulación y
fisiología funciona a través de controles ejercidos sobre las enzimas claves de vías
metabólicas y sobre los genes que codifican para enzimas o proteínas importantes
en el comportamiento microbiano.
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Los distintos tipos de metabolismo microbiano se pueden clasificar según tres
criterios distintos:
I.
Según la fuente de carbono que utilizan
El carbono es el mayor constituyente de la célula bacteriana, por lo tanto no llama la
atención que requiera más carbono que cualquier otro nutriente.
Las bacterias se pueden dividir de acuerdo a la forma en la que el organismo
obtiene o utiliza el carbono para la construcción de la masa celular:

Autótrofo. crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias
inorgánicas sencillas. El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO2).

Heterótrofo. su fuente de carbono es orgánica. El carbono se
obtiene de compuestos orgánicos. En este último grupo se encuentran todas
las bacterias de interés médico.

Mixótrofo. son aquellas bacterias con metabolismo energético
litotrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren
sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético. El
carbono se obtiene tanto de compuestos orgánicos como fijando el dióxido
de carbono.
II. Según el punto de vista biosintético
La forma en la que organismo obtiene los equivalentes reductores para la
conservación de energía o en las reacciones biosintéticas:

Litotrofo. son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas
sencillas Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos
inorgánicos. (SH2 SO, NH3, NO2-, Fe, etc.).

Organotrofo. requieren compuestos orgánicos. Los equivalentes
reductores se obtienen de compuestos orgánicos. (hidratos de carbono,
hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes).
III. Según la fuente de energía:
28
Según la forma en la que el organismo obtiene la energía para vivir y crecer:

Quimiotrofo. La energía se obtiene de compuestos químicos
externos.

Fototrofo. La energía se obtiene de la luz.
En la práctica, estos términos se combinan casi libremente (Figura N° 1.4, Figura
N° 1.5 y Cuadro N° 1.1).
Los ejemplos típicos son como sigue:

Los quimiolitoautótrofos obtienen energía de la oxidación de
compuestos inorgánicos y el carbono de la fijación del dióxido de carbono.
Ejemplos: bacterias nitrificantes, bacterias oxidantes del azufre, bacterias
oxidantes del hierro, bacterias oxidantes del hidrógeno.

Los fotolitoautótrofos obtienen energía de la luz y el carbono de la
fijación del dióxido de carbono, usando compuestos inorgánicos como
equivalentes reductores. Ejemplos: Cianobacterias (agua como equivalente
reductor),
Chlorobiaceae,
Chromaticaceae
Chloroflexus (hidrógeno).
29
(sulfuro
de
hidrógeno),

Los quimiolitoheterótrofos obtienen energía de la oxidación de
compuestos inorgánicos, pero no pueden fijar el dióxido de carbono.
Ejemplos: algunos Nitrobacter spp., Wolinella (con hidrógeno como
equivalente reductor), algunas bacterias oxidantes del hidrógeno.

Los
quimioorganoheterótrofos
obtienen
energía,
carbono
y
equivalentes reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos
orgánicos. Ejemplos: la mayoría de las bacterias, como Escherichia coli,
Bacillus spp., Actinobacteria. Las bacterias patógenas que viven a expensas
de la materia orgánica son quimioorganótrofas.

Los fotoorganotrofos obtienen energía de la luz y el carbono y los
equivalentes reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos
orgánicos. Algunas especies son terminantemente heterótrofas, pero
muchas otras pueden también fijar el dióxido de carbono y son mixótrofas.
Ejemplos:
Rhodobacter,
Rhodopseudomonas,
Rhodospirillum,
Rhodomicrobium, Rhodocyclus, Heliobacterium, Chloroflexus (alterna con
fotolitoautotrofía con hidrógeno).
Figura N° 1.4. Transformaciones biológicas de moléculas carbonadas
Fuente: (Smith, C.A., y Wood, E.J., 1998).
30
Figura N° 1.5. Clasificación de nutricional de los organismos
Fuente: (Smith, C.A., y Wood, E.J., 1998).
Cuadro N° 1.1. Clasificación nutricional de los organismos.
Tipo
Fuente de
energía
Fuente de
carbono
Ejemplos
Fotoautotrofas
Luz
CO2
Algas y
cianobacterias
Fotoheterotrofas
Luz
Compuestos
orgánicos
Algas y bacterias
fotosintéticas
Compuesto
inorgánicos: H2,
NH3, NO2, H2S,
CO2
Pocas bacterias
Compuesto
orgánicos: glucosa
La mayoría de
bacterias
Quimioautotrofas o
Litotrofas
Química
Quimioheterotrofas o
Heterótrofas
Química
Fuente: (Smith, C.A., y Wood, E.J., 1998).
31
1.3. SUMINISTRO ENERGÉTICO
Las células bacterianas, poseen una gran variedad de sustancias como fuente de
energía, ilimitada
I.
Las bacterias necesitan de un aporte energético para desarrollarse.
II.
El éxito evolutivo de las bacterias se debe en parte a su versatilidad
metabólica.
III.
Todos los mecanismos posibles de obtención de materia y energía
podemos encontrarlos en las bacterias.
En los seres vivos, la utilización de la energía potencial contenida en los nutrientes
se produce por reacciones de oxido-reducción. (Figura N° 1.6).
Figura N° 1.6. Oxidación biológica
Fuente: (A. Londoño C., 2002).
Químicamente la oxidación está definida por la pérdida de electrones (e-) y la
reducción por la ganancia de los mismos. En bioquímica, las reacciones de oxido-
32
reducción frecuentemente incluyen no sólo la transferencia de electrones sino de
átomos enteros de hidrógeno, por lo que se conocen también con el nombre de
reacciones de deshidrogenación. En reacciones de este tipo hay sustancias que
ceden e- (dadoras) y otras que los aceptan (aceptoras). Figura N° 1.7.
En las bacterias de interés médico los sistemas de oxido-reducción que transforman
la energía química de los nutrientes en una forma biológicamente útil, incluyen la
fermentación y la respiración.
En la fermentación tanto la molécula dadora como la aceptora de electrones, son
compuestos orgánicos, mientras que en la respiración hay un aceptor final exógeno,
que cuando es el oxígeno hablamos de respiración aerobia, y cuando es un
compuesto inorgánico hablamos de respiración anaerobia.
Todas las formas de vida están basadas en prácticamente las mismas reacciones
bioquímicas.
Cada uno de los compuestos que se generan en este conjunto de reacciones se le
denominan compuestos endógenos o metabolitos y al conjunto de todas las
reacciones que suceden en una célula se le denomina metabolismo.
Las bacterias y los animales superiores usan:

Básicamente las mismas reacciones para producir la energía que
necesitan para sostener los procesos vitales,

Los mismos tipos de compuestos y mecanismos para construir sus
macromoléculas y

Los mismos conjuntos de reacciones para sintetizar los compuestos
que intervienen en las diferentes reacciones bioquímicas.
Se puede generalizar diciendo que todas las células tienen básicamente el
mismo metabolismo, aunque obviamente hay diferencias entre ellas.
33
Figura N° 1.7. Visión General del Metabolismo. Se muestran las rutas
metabólicas centrales y algunos de los intermediarios claves.
Fuente: (C.K. Mathews, K.E. Van Holde y K.B. Ahern, 2002).
Algunas células tienen mayor capacidad bioquímica que otras:

Hay bacterias que sintetizan todos sus metabolitos a partir de
compuestos inorgánicos y se les denomina autótrofos. Las células vegetales
también pueden vivir a base de solo precursores inorgánicos.
34

Hay microorganismos que necesitan que en el medio de cultivo
existan fuentes de carbono orgánico (azúcares) y se les denomina
heterótrofos,

Otros microorganismos necesitan que se les suministren además
otros compuestos orgánicos que ellos no tienen la capacidad de sintetizar (a
estos compuestos se les denomina factores de crecimiento)

Las células de los animales necesitan un gran número de
compuestos preformados los cuales deben estar en la dieta (se le
denominan vitaminas, aminoácidos esenciales o ácidos grasos esenciales).
En el proceso de diferenciación celular, durante la formación de un nuevo
organismo, las distintas células que constituyen el embrión se especializan y
sólo expresan parte de la información genética que contienen pasando a
formar los distintos tejidos y órganos.
El conjunto de reacciones que suceden en forma secuencial y que dan lugar
a un compuesto o a una función integran un camino metabólico y se le da un
nombre específico.
Por ejemplo,
1) la glicólisis, es el camino metabólico por medio del cual se oxidan los
azúcares produciendo piruvato y equivalentes reducidos NADH (Figura Nº
1.8);
2) la transformación de la acetil-coenzima A, proveniente de la
descarboxilación del piruvato o de la beta-oxidación de los ácidos grasos, en
anhídrido carbónico y equivalentes reducidos se le denomina ciclo de Krebs;
3) la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos hasta el
oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP, se le llama cadena de
transporte de electrones o fosforilación oxidativa.
Este último proceso está formado por un conjunto de enzimas complejas
que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el
aceptor final de electrones.
35
Figura Nº 1.8. Metabolismo Intermediario.
Fuente: (Ganong, W. F.,1996).
1.4. REGULACIÓN METABÓLICA
Cada reacción metabólica está regulada no sólo con respecto a otras reacciones
sino también con respecto a la concentración de nutrientes en el medio. La
regulación se realiza a diferentes niveles:
-
Regulación de la actividad enzimática a través de: enzimas alostéricas,
inhibición por retroalimentación, activación alostérica, y cooperatividad.
-
Regulación de la síntesis de enzimas por: inducción enzimática y
represión por productos finales.
36
1.4.1. Mecanismos de Regulación enzimática
En la célula operan dos mecanismos deferentes de regulación: la regulación de la
síntesis enzimática y la regulación de la actividad enzimática. En ambos casos,
actúan de mediadores componentes de bajo peso molecular, los cuales o bien son
formados en la célula como metabolitos intermediarios, o bien entran en ella
procedentes del medio. En ambos mecanismos reguladores actúan proteínas
alostericas.
Las proteínas alostericas son aquellas cuyas propiedades cambian si se les unen
moléculas específicas denominadas efectores. Existen dos clases de proteínas
alostericas: las enzimas alostericas cuya actividad se incrementa o se inhibe
cuando se combinan con sus efectores, y las proteínas alostericas reguladoras que
modulan la actividad de enzimas específicas.
a. Regulación de la actividad enzimática
Las proteínas alostericas estudiadas con mayor detalle han sido las enzimas
alostericas, cuyo ejemplo lo constituye la aspartato transcarbamilasas (ATCasa),
que cataliza la primera reacción de la biosíntesis de las pirimidinas y cuya actividad
es inhibida por un producto final, la citidina trifosfato (CTP). concentraciones
elevadas de CTP inhiben el funcionamiento de la ATCasa y, en consecuencia, la
formación de más CTP hasta que su concentración disminuye a un nivel optimo. el
ATP, un segundo efector de la ATCasa, activa la enzima, sirviendo para coordinar
la síntesis de nucleótidos de purina y pirimidina. las enzimas alostericas son
siempre proteínas de peso molecular relativamente elevado, compuestas por
múltiples subunidades. por regla general estas subunidades son idénticas
poseyendo cada una un lugar catalítico y otro alostérico. no obstante, la ATCasa se
compone de dos clases diferentes de subunidades, una con función catalítica y otra
con funciones reguladoras.
En las bacterias anaerobias facultativas la fermentación (como única vía de
generación de energía) es bloqueada en presencia de oxígeno, asegurando que el
suministro de energía se produzca por la respiración, que consume menos glucosa
y acumula menos lactato. En este fenómeno, conocido como efecto Pasteur, la
37
enzima fosfofructoquinasa es activada o inhibida según la relación ATP/ADP,
regulando así el consumo de glucosa.
Este es un ejemplo de regulación de la actividad enzimática por una enzima
alostérica. El ejemplo clásico de regulación a nivel de la síntesis de enzimas lo
constituye el operón lactosa. Hay 3 enzimas que participan en la utilización de la
lactosa (ß-galactosidasa, galactósido permeasa y galactósido transacetilasa) que
tienen un promotor único.
En ausencia de lactosa, la transcripción para estas enzimas está bloqueada por
acción de un represor que se une al promotor inhibiendo la acción de la ARN
polimerasa. Cuando se agrega lactosa al medio, ésta se une al represor,
bloqueando de este modo su unión al promotor, permitiendo así la acción de la
ARN polimerasa y la síntesis de las tres enzimas.
B. Regulación de la síntesis enzimática
La inhibición por el producto final mediada por enzimas alostericas es en gran
medida suficiente para asegurar que todas las rutas catabólicas y biosinteticas
operen en equilibrio. Sin embargo, cuando no es necesario el producto de una ruta
metabólica, las enzimas que catalizan las reacciones de las mismas resultan
innecesarias.
Muchas bacterias son capaces de utilizar un amplio espectro de compuestos
orgánicos diferentes como fuentes de carbono y energía, pero en un momento
dado, puede que solo uno de estos compuestos esté presente en el medio. Aunque
la información genética necesaria para sintetizar las enzimas importantes se
encuentra siempre presente, su expresión fenotípica está determinada por el medio,
y una enzima determinada se sintetiza en respuesta a la presencia de su sustrato.
1.4.2. Crecimiento bacteriano
Puede ser definido como el aumento ordenado de todos los constituyentes
químicos de la célula. Las bacterias como grupo son extremadamente versátiles y
tienen una capacidad enorme para utilizar una amplia gama de nutrientes que va
desde compuestos inorgánicos simples a compuestos orgánicos más complejos.
Los nutrientes se pueden dividir en dos clases: esenciales, sin los cuales la célula
no puede crecer, y no esenciales que se utilizan cuando están presentes pero no
38
son indispensables. Algunos nutrientes son utilizados sólo como precursores de
macromoléculas celulares y otros sólo como fuente de energía sin ser incorporados
directamente al material celular, mientras que otros cumplen las dos funciones a la
vez. También se pueden clasificar como macro y micronutrientes según la
cantidad requerida.
MACRONUTRIENTES
La glucosa, por ejemplo, es utilizada como fuente de carbono y fuente de energía.
También existen bacterias que pueden usar una variedad de otras sustancias
orgánicas como fuente parcial o exclusiva de carbono.
Entre las bacterias más versátiles se encuentra las del género Pseudomonas,
muchas de las cuales pueden utilizar más de 100 compuestos orgánicos. Después
del carbono el elemento más abundante en la célula es el nitrógeno, representa
entre el 12 y el 15% del peso seco, y es el constituyente principal de proteínas y
ácidos nucleicos.
La mayoría de las bacterias son capaces de utilizar el amonio como fuente de
nitrógeno, mientras que otras pueden usar los nitratos.
La reducción de nitratos, se puede lograr por 2 mecanismos diferentes:
1. Reducción asimiladora: En la cual es reducido por la vía del nitrito, y
2. Reducción desasimiladora: Donde el nitrato sirve como aceptor final de
electrones.
La primera está bastante extendida entre las bacterias mientras que la segunda
sólo es común en bacterias anaerobias y anaerobias facultativas. El fósforo es
utilizado para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos. La mayoría de las
bacterias lo usan en forma inorgánica como PO4=.
Los fosfatos orgánicos están ampliamente distribuidos en la naturaleza, pero para
ser utilizados deben ser atacados primero por fosfatasas, enzimas que clivan estos
compuestos liberando fósforo inorgánico.
39
Aunque requeridos en cantidades muy pequeñas los micronutrientes son
importantes para la nutrición. Entre estos destacamos, cobalto, cobre y manganeso.
1.4.3. Factores de crecimiento
Son sustancias que deben ser aportadas preformadas, ya que la bacteria que las
requiere no las puede sintetizar a partir de los nutrientes más simples, por falla o
ausencia de una vía metabólica.
Estas sustancias incluyen vitaminas del complejo B, aminoácidos, purinas y
pirimidinas. Las bacterias que no requieren factores de crecimiento de denominan
prototróficas y las que los requieren, auxotróficas para ese factor.
I. Oxígeno: Las exigencias de oxígeno de una bacteria en particular reflejan en
parte el tipo de metabolismo productor de energía. De acuerdo a su relación con el
oxígeno tenemos:
-
Anaerobios obligados: Hay de 2 tipos, estrictos y aerotolerantes, los
primeros crecen en ausencia de O2 y este es sumamente tóxico, incluso
letal cuando la exposición es breve. Los segundos también crecen sólo
en ausencia de O2 pero toleran más que los anteriores su presencia;
-
Anaerobios facultativos: Son capaces de crecer en presencia o
ausencia de oxígeno.
-
Aerobios obligados: Requieren oxígeno para su desarrollo.
-
Microaerófilos: Crecen mejor con tensiones de oxígeno bajas (3%-5%),
las concentraciones elevadas (21%) tienen un efecto inhibidor para
estas bacterias.
En los aerobios, anaerobios facultativos y anaerobios aerotolerantes la enzima
superoxidodismutasa impide la acumulación del radical superóxido; esta enzima
está ausente en los anaerobios estrictos. El peróxido de hidrógeno formado por la
acción de la superoxidodismutasa es destruido con rapidez por la enzima catalasa
o por peroxidasas, como vimos más arriba.
II. Dióxido de carbono: Algunas bacterias como Neisseria y Brucella tienen varias
enzimas con baja afinidad por el CO2 y requieren una concentración más elevada
40
(10%) de la que habitualmente está presente en la atmósfera (0.03%). Estos
requerimientos atmosféricos deben ser tenidos en cuenta cuando se realice el
cultivo de estas bacterias.
1.4.4. Requerimientos físicos.
POTENCIAL DE OXIDOREDUCCION: El potencial de óxido-reducción de un medio
de cultivo es un factor crítico para determinar si se producirá o no el desarrollo de
un inóculo sembrado en dicho medio. Para la mayor parte de los medios de cultivo
en contacto con el aire, el potencial de óxido-reducción es de +0,2 a +0,4V a Ph 7.
Los anaerobios obligados son incapaces de crecer a menos que el potencial sea
tan bajo como -0,2 V como mínimo. Para establecer estas condiciones en un medio
de cultivo se puede eliminar el oxígeno, recurriendo a sistemas de cultivo anaerobio
o agregando al propio medio compuestos que contengan sulfidrilo como por
ejemplo el tioglicolato de sodio.
TEMPERATURA: Para cada bacteria existe una temperatura óptima de desarrollo y
un rango en el cual este puede ocurrir. Las bacterias se dividen en tres grupos de
acuerdo al rango de temperatura en el que pueden desarrollarse:
- Psicrófilas: -5 a 30 ºC, óptimo:15ºC
- Mesófilas: 10 a 45ºC, óptimo: 30ºC
- Termófilas: 25 a 80ºC, óptimo: 55ºC.
CONCENTRACION DE HIDROGENO (pH): También aquí existe un valor de pH
óptimo dentro de un rango más amplio en el cual el crecimiento puede ocurrir. Para
la mayor parte de las bacterias de interés médico, el pH óptimo es de 7,2 a 7,6. Sin
embargo hay patógenos humanos como M. tuberculosus que resisten valores muy
bajos de pH.
CONDICIONES OSMOTICAS: La concentración de solutos con actividad osmótica
dentro de la célula bacteriana es superior a la concentración exterior. Con
excepción de los Micoplasmas y las formas lister (L), que no tienen pared celular, la
mayor parte de las bacterias tienen una tolerancia osmótica importante lo que les
permite soportar grandes cambios de la osmolaridad.
41
1.5.
METABOLISMO HETERÓTROFO
El metabolismo en los seres vivos es muy flexible y se puede ajustar a la cantidad y
tipo de nutrientes disponibles en el medio que rodea a un microorganismo. Un
ejemplo lo podemos obtener de las levaduras, las cuales se adaptan a las
condiciones en que se les mantenga, pues poseen todo el conjunto de enzimas
necesario para sintetizar sus elementos básicos como los aminoácidos y todos los
demás componentes celulares, de tal manera que si crecen en un medio con
glucosa como única fuente de energía, pueden sintetizar todas las moléculas que
necesitan, aunque esto implica un gran gasto en energía. La levadura puede
evitarlo si le proporcionamos los aminoácidos y nutrientes requeridos, ya que
economiza el aparato enzimático responsable de la síntesis de todos los
compuestos que necesita para vivir.
Actualmente es posible tener en el laboratorio cultivos controlados de bacterias en
los cuales el investigador modifica a voluntad la composición de los nutrientes. Esto
ha permitido conocer y entender cómo los microorganismos modifican su
metabolismo en función de la calidad nutritiva del medio en el cual se les hace
crecer. Si, por ejemplo, la concentración de nutrientes ricos en nitrógeno baja, el
microorganismo iniciará inmediatamente la síntesis de las enzimas necesarias para
elaborar sus propios ácidos nucleicos y aminoácidos; todo está finalmente regulado
y enfocado hacia la máxima economía metabólica y, en última instancia, al ahorro
de energía.
1.5.1. Características metabólicas
El metabolismo microbiano es el conjunto de procesos por los cuales un
microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que
necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de
estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en
base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un
microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico,
su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos
industriales.
42
-
Las bacterias tienden versatilidad a intercalar fácilmente los nutrientes y
productos metabólicos terminales
-
Esto les permite desarrollar procesos metabólicos con gran rapidez
El metabolismo de la célula comprende dos grandes tipos de reacciones:
La mayoría de los microorganismos son heterótrofos (o más exactamente
quimiorganoheterótrofos), con compuestos orgánicos como fuentes de carbono y de
energía (Figura Nº 1.9). Los microorganismos heterótrofos viven de los alimentos
que roban a anfitriones vivos (como comensales o parásitos) o de la materia
orgánica muerta de todo tipo (saprófagos).
Este metabolismo microbiano constituye el principal factor de descomposición de
todos los organismos después de muerte. Muchos microorganismos eucariontes
son
heterótrofos
por
depredación
o
parasitismo,
características
también
encontradas en algunas bacterias tales como Bdellovibrio (un parásito intracelular
de otras bacterias, causando la muerte de sus víctimas) y algunas Myxobacteria
tales como Myxococcus (depredadora de otras bacterias a las que mata y succiona
mediante la cooperación de enjambres de numerosas células).
La mayoría de las bacterias patógenas son parásitos heterótrofos de seres
humanos o de otras especies eucariontes. Los microorganismos heterótrofos son
extremadamente abundantes en naturaleza y responsables de la degradación de
los polímeros orgánicos tales como celulosa, quitina o lignina que son generalmente
indigeribles para los animales más grandes.
Esta degradación, generalmente, requiere la colaboración de varios organismos
distintos, cada uno de los cuales realiza uno de los pasos de la degradación hasta
obtener dióxido de carbono.
Hay muchas variaciones en este tema, pues diversos organismos pueden degradar
diversos polímeros y secretar diversos residuos. Algunos organismos pueden
incluso degradar los compuestos más recalcitrantes tales como pesticidas y
petróleo, realizando su reciclado.
43
Figura Nº 1.9. Metabolismo Intermediario.
Fuente: (J. Koolman y K–H Röhm, 2004).
44
Bioquímicamente, el metabolismo heterótrofo procarionte es mucho más versátil
que el de los organismos eucariontes, aunque muchos procariontes comparten los
modelos metabólicos más básicos con los eucariontes, por ejemplo, usando la
glicolisis (también llamada ruta EMP) para el metabolismo del azúcar y el ciclo del
ácido cítrico en la degradación del acetato, produciendo energía bajo la forma de
ATP y reduciendo energía bajo la forma de NADH o quinona.
Estas rutas metabólicas básicas están muy extendidas porque también están
implicadas en la biosíntesis de muchos componentes necesarios para el
crecimiento de la célula (a veces en la dirección contraria).
Sin embargo, muchas bacterias y archaea utilizan rutas metabólicas alternativas
con la excepción de la glicólisis y del ciclo del ácido cítrico. Un ejemplo bien
estudiado es el metabolismo del azúcar por la ruta del ceto-desoxi-fosfogluconato
(también llamada ruta ED) en Pseudomonas en vez de la ruta glicolítica. Por otra
parte, hay incluso una tercera ruta alternativa catabólica del azúcar usado por
algunas bacterias, la ruta de la pentosa fosfato.
Los elementos constitutivos o macromoléculas tienen su génesis en unos pocos
precursores denominados metabolitos focales: glucosa 6-fosfato, fosfoenolpiruvaro,
oxalacetato y l cetoglutarato, estos se interrelacionan y originan compuestos
intermediarios: fosfatos de azucares, piruvato, acetil CoA, aspartato, glutamato,
etc., y productos terminales como: aminoácidos, bases pirimidinicas, polisacáridos,
lípidos, entre otros. (Figura Nº 1.10).
Figura Nº 1.10. Familias biosinteticas de aminoácidos
45
* En Bacterias, ** en Hongos
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
Esta diversidad y capacidad metabólicas de los procariontes que les permite utilizar
una variedad enorme de compuestos orgánicos se debe a una historia y diversidad
evolutivas mucho más profundas que las de los eucariontes. Es también
significativo que
las mitocondrias se originaron
en los
eucariontes
por
endosimbiosis de una bacteria relacionada con los parásitos intracelulares
Rickettsia, y también los simbiontes de las plantas Rhizobium o Agrobacterium.
Por lo tanto, no es sorprendente que todas las mitocondrias eucariotas compartan
características metabólicas con estas Proteobacteria.
La mayoría de los microorganismos respiran (usando una cadena de transporte de
electrones), aunque el oxígeno no es el único receptor terminal de electrones que
puede usarse. El uso de receptores terminales de electrones distintos al oxígeno
tiene consecuencias biogeoquímicas importantes. (Cuadro Nº 1.2
1.11.).
46
y Figura Nº
Cuadro Nº 1.2. Patrones de reacciones de oxido reducción suministradoras de
energía utilizadas por las bacterias.
Donador de
H2
Sustancias
inorgánicas
Sustancias
orgánicas
O2
(Respiración
anaerobia)
I. Respiración
aerobia de
sustancias
inorgánicas
Ej.:
(Nitrosomonas)
NH3  NO2=
O2  H2O
II. Respiración
aerobia de
sustancias
orgánicas.
Ej.: (muchos
organismos)
Glucosa  CO2
O2  H2O
Aceptor de H2
NO3=, SO4=,
fumarato
(Respiración
anaerobia)
Compuestos
orgánicos
(Fermentación)
III. Respiración
anaerobia
de
sustancias
inorgánicas.
Ej.:
(Thiobacillus
denitrificans)
S  SO4=
NO3=  N2
IV. Respiración
anaerobia
de
sustancias
orgánicas.
Ej.
(Desulfovibrio)
Ácido láctico
CO2
SO4= H2S
(Ninguno)
V.Fermentación de
sustancias
orgánicas
Ej.: (Streptococcus)
-4
Glucosa  2-piruvato
+4H
2 ácido láctico
FUENTE: (Brooks. G. F., J. S. Butel y S. A. Morse, 2005)
47
Figura Nº 1.11. Alternativas del metabolismo microbiano.
Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).
1.5.2. Mecanismos de generación de ATP
La conservación intracelular de energía ocurre principalmente por medio de la
síntesis de ATP. Los métodos usados por las bacterias para generar ATP son
principalmente:

Fosforilación a nivel de sustrato

Fosforilación oxidativa

Fotofosforilación (durante la fotosíntesis).
48
La fosforilación a nivel de sustrato es un sistema usado por ciertas bacterias
quimiorganotrofas. el sustrato orgánico (donador de electrones) pasa por una ruta
catabólica (p.ej., la ruta glucolítica), y uno de los intermediarios de esa ruta es
oxidado por un coenzima (p. ej., NAD+), de manera que se origina un intermediario
no fosforilado con una gran energía de hidrólisis. Dicho intermediario experimenta
enseguida una sustitución con un fosfato, para dar la correspondiente forma acilfosfato (siendo este enlace de alta energía). Finalmente, este acil-fosfato dona su
fosfato de alta energía al ADP, que pasa a ATP. Ejemplo: gliceraldehido-3-p à 1,3difosfoglicérico à 3-fosfoglicérico.
La fosforilación oxidativa es el proceso por el que se forma ATP como resultado
de la transferencia de electrones desde el NADH o del FADH2 al O2 a través de
una serie de transportadores de electrones. (Figura Nº 1.12).
Figura Nº 1.12. Flujo de electrones durante la fosforilacion oxidativa
Fuente: (Stryer, 1995).
49
El flujo de electrones desde el NADH o el FADH2 al O2 a través de complejos
proteicos localizados en la membrana interna mitocondrial, provoca el bombeo de
protones hacia el exterior de la matriz mitocondrial. Se genera una fuerza
protomotriz que está formada por un gradiente de pH y por un potencial eléctrico
transmembranal. Cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de
un complejo enzimático, se sintetiza ATP (fig. 1). De esta forma, la oxidación y la
fosforilación están acopladas por un gradiente de protones a través de la membrana
interna mitocondrial. (Figura Nº 1.13).
Figura Nº 1.13. Fosforilación a nivel de sustrato y Fosforilación
oxidativa.
Fuente: (J. Koolman y K–H Röhm, 2004).
50
1.5.3. La fermentación
La fosforilacion a nivel de sustrato es el único modelo posible de formación de ATP
como resultado de una fermentación, la cual puede ser realizada por los siguientes
grupos de microorganismos:
1. Anaerobios estrictos.
2. Facultativos.
3. Anaerobios aerotolerantes.
En los dos primeros, la presencia de oxigeno modifica el metabolismo generador de
ATP; en el tercero esto no ocurre.
La fermentación es un tipo específico de metabolismo heterótrofo que utiliza
carbono orgánico en vez de oxígeno como receptor terminal de electrones. Esto
significa que estos organismos no utilizan una cadena de transporte de electrones
para oxidar NADH a NAD+ y por lo tanto deben tener un método alternativo para
usar esta energía reductora y mantener una fuente de NAD+ para el funcionamiento
apropiado de las rutas metabólicas normales, como por ejemplo, la glicólisis (Figura
Nº 1.14). Puesto que no requieren oxígeno, los organismos fermentantes son
anaerobios. Muchos organismos pueden utilizar fermentación bajo ciertas
condiciones anaerobias y respiración cuando el oxígeno está presente.
Figura Nº 1.14. Destinos metabólicos del piruvato.
Fuente: (T. Audesirk y G.Audesirk, 2003).
51
Estos organismos son anaerobios facultativos. Para evitar la superproducción de
NADH, los organismos fermentantes obligados generalmente no tienen un ciclo
completo del ácido cítrico. En vez de usar ATPasas como en la respiración, el ATP
en organismos fermentantes es producido por la fosforilación a nivel de substrato
donde un grupo fosfato se transfiere de un compuesto orgánico de gran energía al
ADP para formar el ATP. (Figura Nº 1.15).
Figura Nº 1.15. Modelo propuesto para el estado energizado de la membrana
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997.
Como resultado de la necesidad de producir compuestos orgánicos con fosfato de
la alta energía (generalmente bajo la forma de CoA-ésteres) los organismos
fermentantes utilizan NADH y otros cofactores para producir una gran variedad de
subproductos metabólicos reducidos, a menudo incluyendo hidrógeno. Estos
compuestos orgánicos reducidos son generalmente ácidos orgánicos cortos y
alcoholes derivados del piruvato, el producto final de la glicólisis. Ejemplos incluyen
el etanol, acetato, lactato y el butirato (Figura Nº 1.16).
Los organismos fermentantes son muy importantes industrialmente y se utilizan
parar elaborar muchos tipos de productos alimenticios. Los productos finales
52
metabólicos producidos por
cada especie bacteriana específica son los
responsables del gusto y características de cada alimento.
Figura Nº 1.16. Estrategias microbianas de descarboxilación del piruvato.
1, piruvato descarboxilasa. Funcional en levaduras y algunas bacterias, como
Zymononas mobilis cuando fermentan la glucosa. 2, piruvato deshidrogenasa.
Característico del desarrollo aerobio de, entre otras, las bacterias entéricas. 3,
piruvato-formiato-liasa. Lo sintetizan las bacterias entéricas en condiciones
anaeróbicas. 4, piruvato-ferredoxina-oxidorreductasa. Característico de los
clostridios. 5, parte del complejo de la α-acetolactato sintasa de algunas bacterias
entéricas (el α-acetolactato se genera por condensación del acetaldehído activo con
piruvato). Un sistema equivalente es utilizado por las bacterias lácticas para
producir diacetilo (en este caso, el acetaldehído activo condensa con acetil-CoA)
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
No todos los organismos fermentantes usan fosforilación a nivel de substrato. En su
lugar, algunos organismos son capaces de acoplar directamente la oxidación de
compuestos orgánicos de poca energía con la formación de un gradiente
53
electroquímico para mover un protón (o sodio) y así realizar la síntesis de ATP.
Ejemplos de estas formas inusuales de fermentación incluyen la fermentación del
succinato por el Propionigenium modestum y la fermentación del oxalato por
Oxalobacter formigenes. Estas reacciones son de rendimiento energético
extremadamente bajo. Los seres humanos y otros animales también utilizan la
fermentación para consumir el exceso de NADH produciendo lactato, aunque ésta
no es la forma principal de metabolismo como en los microorganismos
fermentantes.
54