El metabolismo microbiano se refiere al conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren dentro de las células microbianas. Estas reacciones permiten a los microorganismos obtener energía, crecer, reproducirse y llevar a cabo funciones específicas.
Organización Molecular y Metabolismo
La organización molecular y las reacciones químicas conducen a la formación de estructuras específicas, lo que a su vez permite el crecimiento y la replicación celular. Este proceso está intrínsecamente ligado al metabolismo.
Importancia del Metabolismo Microbiano
El estudio del metabolismo microbiano tiene diversas aplicaciones prácticas:
- Permite comprender el modo de vida y el hábitat de diferentes especies bacterianas.
- Facilita la formulación de medios de cultivo para el aislamiento e identificación de patógenos.
- Ayuda a entender el modo de acción de antimicrobianos que inhiben vías metabólicas o la síntesis de macromoléculas esenciales para las bacterias.
Funciones Específicas del Metabolismo
- Obtención y almacenamiento de energía química del entorno.
- Conversión de nutrientes exógenos en precursores de componentes macromoleculares.
- Formación y degradación de moléculas necesarias para funciones celulares específicas, como la movilidad.
Energía y Reacciones Químicas
La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Las reacciones químicas liberan energía en forma de calor, conocida como energía libre. La energía libre indica si una reacción es exotérmica (libera energía) o endotérmica (requiere energía), pero no la velocidad de la reacción.
Enzimas: Catalizadores Biológicos
Las enzimas son polímeros de aminoácidos que actúan como catalizadores biológicos. Son específicas para cada reacción y se nombran según el sustrato al que se unen o la reacción que catalizan, generalmente con la terminación «-asa». Poseen un alto poder catalítico, acelerando las reacciones hasta en 1020 veces.
Metabolismo Productor de Energía: Reacciones de Óxido-Reducción
En los seres vivos, la utilización de la energía potencial contenida en los nutrientes se produce mediante reacciones de óxido-reducción.
- Oxidación (Definición Química): Pérdida de electrones (e–).
- Reducción (Definición Química): Ganancia de electrones (e–).
- Oxidación (Definición Bioquímica): Pérdida de electrones y átomos de hidrógeno (deshidrogenación). Las sustancias que pierden electrones se denominan dadoras.
- Reducción (Definición Bioquímica): Ganancia de electrones y átomos de hidrógeno (hidrogenación). Las sustancias que ganan electrones se denominan aceptoras.
Objetivos del Metabolismo
- Obtención de energía útil (ATP) para la célula a partir de la luz, sustancias inorgánicas o moléculas orgánicas.
- Conversión de nutrientes exógenos en precursores de macromoléculas.
- Formación y degradación de macromoléculas.
Versatilidad Metabólica de las Bacterias
El éxito evolutivo de las bacterias se debe a su versatilidad metabólica. Utilizan principalmente moléculas de carbono como materia prima y obtienen energía que almacenan como adenosín trifosfato (ATP). Además, llevan a cabo reacciones químicas que no ocurren espontáneamente.
Reacciones Metabólicas
El metabolismo comprende reacciones de mantenimiento y reacciones de biosíntesis. Las reacciones catabólicas generan energía (ATP) y poder reductor (NADPH/FADH2), mientras que las reacciones anabólicas utilizan ATP y precursores metabólicos para la síntesis de macromoléculas.
ATP: Almacén de Energía
El ATP almacena energía en dos enlaces de alta energía. Estos enlaces se rompen y los grupos fosfato se donan a otros compuestos.
Formación de ATP
- Adición simple.
- Fosforilación a nivel de sustrato.
- Quimiósmosis.
Quimiósmosis
La quimiósmosis es la difusión de iones a través de una membrana. Se relaciona con la generación de ATP mediante el movimiento de iones hidrógeno (protones o H+) a través de la membrana.
Poder Reductor
El poder reductor es la capacidad de ciertas biomoléculas de actuar como donadoras de electrones o aceptoras de protones en reacciones metabólicas de óxido-reducción. Ejemplos de moléculas con poder reductor incluyen NADH, NADPH, FMNH2 y FADH2, que son derivados de vitaminas y son importantes en la respiración celular para la producción de ATP.
Metabolismo Productor de Energía: Fermentación y Respiración
En medicina, es importante conocer los sistemas de óxido-reducción que transforman la energía química de los nutrientes en una forma biológicamente útil.
Fermentación
- Las moléculas aceptoras y dadoras de electrones son compuestos orgánicos.
- Proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente anaeróbico.
- Todo el ATP se genera por fosforilación a nivel de sustrato.
- Produce menor cantidad de ATP en comparación con otros metabolismos.
- Utiliza generalmente azúcares.
- El producto final es un compuesto orgánico.
- Tipos de fermentación según el producto final: alcohólica, láctica, ácido-mixta, butanodiótica, propiónica, acetona-butanol.
Respiración
- El aceptor final de electrones es exógeno.
- Respiración aeróbica: El aceptor final es el oxígeno.
- Respiración anaeróbica: El aceptor final es un compuesto inorgánico.
Vías Metabólicas en la Fermentación
Las bacterias utilizan tres vías centrales del metabolismo intermediario de los hidratos de carbono:
Vía Glucolítica
- Rompe la molécula de glucosa en piruvato, que luego puede entrar en el ciclo de Krebs (piruvato a CO2).
- Proceso anaeróbico.
- Ocurre en el citosol.
- Productos finales: 2 piruvatos y 2 ATP.
Vía de las Pentosas Fosfato
- Ruta multifuncional para la degradación de hexosas, pentosas y otros hidratos de carbono.
- Parte central del metabolismo.
- Forma precursores metabólicos como la ribosa 5-fosfato (para nucleótidos y ácidos nucleicos) y la eritrosa 4-fosfato.
- Productos: 3 aminoácidos, todos los nucleótidos y 2 NADPH.
- El NADPH puede generar 4 ATP a través de la quimiósmosis.
Vía Entner-Doudoroff
- Principal ruta de degradación de la glucosa en bacterias anaerobias estrictas, como Neisseria y Pseudomonas.
- Sucede a la vía de las pentosas.
- Producto: 1 molécula de ATP por molécula de glucosa degradada.
Importancia Práctica del Estudio de las Fermentaciones Bacterianas
- Proporcionan productos finales de valor industrial.
- Permiten la identificación de distintas especies a nivel de laboratorio.
- Clasificación de acuerdo con su producto final (fermentación alcohólica, fermentación láctica, etc.).
Respiración Aeróbica
- Proceso por el cual un compuesto se oxida usando O2 como aceptor final de electrones.
- En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico (producto de la glucólisis) se oxida para proporcionar energía, CO2 y agua.
- Tipo de metabolismo energético en el que los seres vivos extraen energía de moléculas orgánicas (como la glucosa) mediante la oxidación del carbono, usando O2 como oxidante.
- La energía liberada se utiliza para la fosforilación del ATP.
Respiración Anaeróbica
- Método alternativo de generación de energía donde se usan aceptores de electrones diferentes al O2, lo que resulta en una menor liberación de energía.
- Proceso biológico de óxido-reducción de monosacáridos y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula inorgánica distinta al oxígeno.
- Realizada exclusivamente por algunos grupos de bacterias que utilizan una cadena transportadora de electrones.
- No debe confundirse con la fermentación, en la que no participa una cadena transportadora de electrones y el aceptor final de electrones es siempre una molécula orgánica.
- No se usa O2; en su lugar, se emplean otras sustancias oxidantes como sulfato o nitrato.
- Todos los posibles aceptores en la respiración anaerobia tienen un potencial de reducción menor que el O2, por lo que, partiendo de los mismos sustratos (glucosa, aminoácidos y triglicéridos), se genera menos energía.
- Posibles aceptores de electrones: nitratos, hierro férrico, sulfatos, carbonatos y algunos compuestos orgánicos.