A lo largo de millones de años de evolución, las bacterias se han diversificado, desplegando numerosas estrategias para obtener de su entorno la energía y los nutrientes necesarios para su crecimiento y desarrollo. La mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar en las bacterias, como el ciclo de krebs, también ocurre en los eucariotas.
Las estrategias metabólicas, es decir, el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar dentro de estos organismos unicelulares, son tan variadas que dentro de las bacterias podemos encontrar procesos de respiración aeróbica y anaeróbica, fotosíntesis y fermentación, entre otros. Nosotros, los humanos, hacemos uso de estos procesos para producir alimentos como el yogurt y medicamentos como la penicilina, por lo que el estudio del metabolismo bacteriano y ha sido una pieza clave en el desarrollo de las comunidades humanas durante los últimos siglos.
- Este artículo trata sobre el metabolismo bacteriano.
- En primer lugar, aprenderemos qué es el metabolismo bacteriano, además del anabolismo y catabolismo.
- A continuación, analizaremos las funciones del metabolismo bacteriano: la nutrición y el crecimiento.
- Después, exploraremos la relación del metabolismo bacteriano con la respiración.
¿Qué es el metabolismo bacteriano?
Se denomina metabolismo a la suma de todas las reacciones químicas (anabólicas + catabólicas) que tienen lugar en las células de un organismo.
Esta serie de reacciones bioquímicas permiten el flujo de energía y materia en las células de los organismos para mantener la vida. Estos procesos incluyen la síntesis, degradación y transformación de las biomoléculas esenciales para la vida, como los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, por lo que el metabolismo es fundamental para el crecimiento, desarrollo, mantenimiento y reproducción de los seres vivos.
El metabolismo es cualquier reacción química que ocurre en una célula, por lo que el metabolismo bacteriano es la suma de reacciones químicas dentro de una célula bacteriana
Si deseas conocer más a fondo las moléculas biológicas fundamentales involucradas en el metabolismo, visita nuestro artículo Biomoléculas.
El metabolismo bacteriano es el conjunto de procesos químicos que las bacterias utilizan para obtener energía y materia necesarios para su crecimiento y reproducción.
De manera general, en función de la fuente de carbono y energía que utilizan el metabolismo de las bacterias se clasifica de la siguiente manera:
| Fuente de energía |
Fotótrofos | Quimiótrofos |
Fuente de carbono | Autótrofos | Fotoautótrofos | Quimioautótrofos |
Heterótrofos | Fotoheterótrofos | Quimioheterótrofos |
Los autótrofos son organismos capaces de sintetizar sus propias moléculas orgánicas, mientras que los heterótrofos pueden sintetizar sus propias moléculas orgánicas y, por lo tanto, obtienen su alimento de fuentes externas.
Los fotótrofos son organismos que utilizan los fotones de la luz del sol como fuente de energía, en cambio, los quimiótrofos obtienen su energía a partir las reacciones de diversos compuestos orgánicos o inorgánicos.
Luego, la combinación de estas estrategias metabólicas nos permite clasificarlas así:
Si utilizan la de energía la luz solar para sintetizar sus propios compuestos orgánicos, se les denomina fotoautótrofos
Si sintetizan sus propios compuestos orgánicos a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos, como el dióxido de carbono, se llaman quimioautótrofos
Si utilizan la de energía la luz solar pero no pueden sintetizar sus propios compuestos orgánicos sino que dependen de la materia orgánica de otros organismos, se denominan fotoheterótrofos
Si no pueden sintetizar sus propios compuestos orgánicos y obitienen su energía compuestos orgánicos a partir sustancias orgánicas (como carbohidratos, proteínas y lípidos), se les llama quimioheterótrofos.
El metabolismo bacteriano es supremamente diverso. De hecho, existen ciertas variaciones y clasificaciones más específicas que dan lugar muchos más subtipos de metabolismos.
Anabolismo y catabolismo
El metabolismo se produce por una serie de reacciones secuenciales catalizadas enzimáticamente que se dividen en anabolismo y catabolismo. El catabolismo y el anabolismo son dos procesos metabólicos opuestos y complementarios que ocurren en las células de los organismos vivos.
Es importante saber que estas reacciones no son independientes unas de otras sino que ocurren de manera simultanea dentro de la célula, lo que permite que haya un flujo equilibrado de biomoléculas y energía que mantiene la vida en las células.
El anabolismo es el proceso mediante el cual las células utilizan la energía para sintetizar moléculas más complejas a partir de precursores (moléculas) simples.
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos mediante los cuales se sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas más simples.
La energía necesaria para el anabolismo proviene de la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP) y de la energía liberada durante la oxidación de nutrientes en la célula, como la glucosa y los ácidos grasos
Las bacterias utilizan el anabolismo para producir proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, lípidos y otros componentes celulares necesarios para su crecimiento y reproducción.
Este proceso de creación de material celular nuevo también es conocido como biosíntesis.
La respiración celular es un ejemplo de catabolismo, en el cual la glucosa es oxidada para producir ATP.
El catabolismo es el proceso por el cual se descomponen moléculas complejas en moléculas más simples, liberando energía.
En otras palabras, es la degradación de los nutrientes en la célula para obtener energía.
La oxidación de los nutrientes en las bacterias puede ocurrir a través de diferentes rutas metabólicas, como la glucólisis, la respiración aeróbica o anaeróbica, la fermentación, entre otras.
Metabolismo bacteriano
En el metabolismo bacteriano ocurren una serie de reacciones enzimáticas que provocan la alteración de un sustrato varias veces antes de llegar al producto final. Para el funcionamiento correcto del metabolismo bacteriano, las células necesitan transferir y almacenar la energía de una manera eficaz. Para esto, el ATP (trifosfato de adenosina) es una molécula que actúa como la principal fuente de energía utilizada por las células para realizar diversas actividades biológicas. El ATP está compuesto por tres grupos de fosfato unidos a una molécula de adenosina, que es una base nitrogenada.
El ATP y el ADP son los transportadores principales de energía en los organismos vivos, ya que atrapan o liberan la energía a través de la unión o ruptura de grupos fosfatos.
El Adenosín Trifosfato (ATP) es un nucleótido que es la forma primaria en la que la energía se conserva y utiliza la energía química en las células, formado por una base nitrogenada (adenina), una pentosa (ribosa) y tres radicales fosfato con enlaces de alta energía.
El Adenosín Difosfato (ADP) es nucleótido formado por una base nitrogenada (adenina), una pentosa (ribosa) y dos radicales fosfato con enlaces de alta energía.
El ATP es la molécula que almacena y transporta energía en las células, mientras que el ADP es el producto de la hidrólisis del ATP, es decir, cuando se rompe un enlace fosfato para liberar energía.
La hidrólisis del ATP es catalizada por la enzima ATPasa, que rompe un enlace fosfato del ATP y libera energía en forma de calor y trabajo. Esta reacción produce ADP y un ion fosfato
La síntesis de ATP a partir de ADP y un ion fosfato se lleva a cabo mediante la fosforilación, que es un proceso que requiere energía. La energía necesaria para la síntesis de ATP proviene de la hidrólisis de moléculas de glucosa durante la respiración celular, o de la luz durante la fotosíntesis en organismos fotosintéticos.
Fig. 1: Síntesis de ATP a partir de ADP.
En la mayoría de seres vivos, la liberación de la energía potencial está mediada por procesos de óxido-reducción, es decir, la pérdida e intercambio de electrones. En la reducción ocurre la ganancia de electrones, cuya molécula portadora se denomina agente reductor, mientras que, en la oxidación hay perdida de los electrones y cuya molécula se denomina agente oxidante.
Fig. 2: Proceso de reducción.
Funciones del metabolismo bacteriano
Al llevar a cabo las reacciones bioquímicas que hacen parte de su metabolismo, las bacterias toman los nutrientes y la energía del ambiente y los convierten en los componentes necesarios para el crecimiento, la reproducción y la supervivencia.
Nutrición
Como todos los organismos vivos, las bacterias necesitan diferentes nutrientes para cumplir sus funciones básicas de crecimiento, desarrollo y reproducción. Entre estos encontramos dos categorías:
Los macronutrientes: son necesarios en grandes cantidades y están construidos a partir de elementos químicos. Entre los más importantes para las bacterias tenemos: azufre (S), carbono (C), fósforo (P), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y oxígeno (O). Estos son esenciales para las reacciones bioquímicas, las actividad enzimática y la síntesis de biomoléculas como los ácidos nucleicos.
Los micronutrientes: son necesarios en pequeñas cantidades. Incluyen principalmente minerales esenciales y vitaminas. Algunos los más importantes para las bacterias son: Cobalto (Co), Cobre (Cu), Molibdeno (Mo), Zinc (Zn), la biotina, la tiamina, la niacina, la riboflavina y la vitamina B12, así como los ácidos nucleicos, los amoni+acidos y diversos oligoelementos.
Crecimiento
Este conjunto de nutrientes son precursores importantes para el crecimiento y reproducción bacteriana. A diferencia de otros organismos vivos, las bacterias se reproducen por fisión binaria, un tipo de división celular que da lugar a dos células hijas idénticas.
La fisión binaria es una forma de reproducción asexual que consiste en la duplicación del ADN y la división del citoplasma.
Durante el tiempo trascurrido en la división celular, tanto el número de células como la masa celular se duplican, esto se conoce como crecimiento bacteriano.
Durante la fisión binaria, la célula bacteriana crece y duplica su material genético, luego la membrana celular se invagina para formar un septo que divide la célula en dos células hijas. Finalmente, se completa la separación de las dos células hijas mediante la síntesis de una pared celular adicional entre ellas.
La fisión binaria es un proceso rápido y eficiente que permite a las bacterias crecer y colonizar diferentes ambientes de manera efectiva.
En La fase de latencia, las bacterias se adaptan al entorno y asimilan los nutrientes. En esta fase no se produce división celular.
En la fase exponencial, las células se reproducen por fisión binaria en condiciones nutricionales óptimas. Hay un aumento en el tamaño poblacional.
En la fase estacionaria, el número de células producidas por la división celular es igual al número de células que mueren. No hay división celular
La fase de declive (o fase de muerte), los microorganismos mueren rápidamente debido al agotamiento de nutrientes y a los altos niveles de productos finales tóxicos.
La manipulación del crecimiento bacteriano en el laboratorio ha sido fundamental para su estudio, lo cual ha permitido el desarrollo de aplicaciones biotecnológicas y farmacéuticas, como los antibióticos. Para lograr este avance, se han empleado diversas técnicas, entre las que se destaca la creación de medios de cultivo. Estos medios consisten en soluciones nutritivas diseñadas para proporcionar los nutrientes necesarios para el crecimiento de cepas específicas de bacterias.
Metabolismo bacteriano: Respiración
Las bacterias tienen diferentes tipos de metabolismo, como la respiración celular aeróbica, la fermentación y la respiración anaeróbica, en función de la disponibilidad y su resistencia al oxígeno.
Respiración anaeróbica celular
Las bacterias que tienen la capacidad de sobrevivir y producir ATP sin necesidad de oxígeno utilizan la respiración anaeróbica. En la respiración celular anaeróbica, la glucólisis se produce normalmente. A continuación, las moléculas de piruvato producidas por la glucólisis pueden someterse a fermentación.
La fermentación del ácido láctico es una vía que utiliza el NADH para reducir el piruvato a ácido láctico y NAD+.
Las bacterias capaces de hacer esto se conocen como bacterias productoras de ácido láctico e incluyen bacterias como Streptococcus faecalis, S. pyogenes y algunas Lactococcus spp.
En la fermentación alcohólica, el piruvato es reducido por el NADH para formar etanol y NAD+.
Respiración celular aeróbica
La respiración celular aeróbica se define como el proceso de descomposición de la glucosa para producir energía en presencia de oxígeno.
$$ C_{6}H_{12}O_{6} (glucosa)+6O_{2} \longrightarrow 6CO_{2} + 6H_{2}O +energía (ATP + calor) $$
La
respiración celular aeróbica en procariotas puede dividirse en cuatro fases:
Glucólisis.
Oxidación del piruvato.
Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs).
Cadena de transporte de electrones y quimiosmosis (ocurre en la membrana plasmática).
Durante la respiración celular aeróbica, se emplean dos vías para la producción de ATP: la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa. En la fosforilación a nivel de sustrato, una enzima y un sustrato se utilizan para transferir un grupo fosfato al ADP, generando pequeñas cantidades de ATP en las etapas de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.
Por otro lado, la fosforilación oxidativa es responsable de la producción de grandes cantidades de ATP en las etapas de la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis. En este proceso, se aprovecha la energía liberada por las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones para fosforilar el ADP y generar ATP.
Glucólisis
La glucólisis es un tipo de metabolismo de los hidratos de carbono que se produce en el citoplasma de las células. Es el primer paso de la respiración celular. La glucólisis consiste en muchas reacciones enzimáticas que descomponen la glucosa en dos moléculas de piruvato. También se produce energía en forma de ATP, a medida que se procesa la glucosa. El proceso de la glucólisis no requiere oxígeno (O).
La oxidación del piruvato
Tras la glucólisis, se producen las moléculas de piruvato que entran en la mitocondria y reaccionan con una enzima llamada piruvato deshidrogenasa. Esta enzima extrae carbono y dos moléculas de oxígeno del piruvato y añade coenzima A, produciendo acetil-CoA, NADH y CO2. El acetil-CoA también puede proceder de ácidos grasos y aminoácidos. Esta fase se denomina oxidación del piruvato.
La oxidación del piruvato es una serie de reacciones bioquímicas que ocurren en la mitocondria de las células eucariotas y en el citosol de las bacterias que convierte el piruvato, el producto final de la glucólisis, en dióxido de carbono (CO2) y acetil-CoA, generando energía en forma de NADH.
Ciclo del ácido cítrico (Ciclo de Krebs)
Tras la oxidación del piruvato, se produce el ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico se produce en el citoplasma de los procariotas y en la matriz mitocondrial de los eucariotas. El acetil-CoA es el primer intermediario del ciclo del ácido cítrico. Después de que una molécula de glucosa pase por la glucólisis, la oxidación del piruvato y el ciclo del ácido cítrico, nos quedan 10 moléculas de NADH, 4 moléculas de ATP, 2 moléculas de FADH2 y 6 moléculas de CO2.
Algunos libros de texto se refieren al ciclo de Krebs como ciclo TCA.
Cadena de transporte de electrones y quimiosmosis
La cuarta etapa de la respiración celular aeróbica consiste en la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis. La cadena de transporte de electrones está formada por proteínas incrustadas en la membrana plasmática de las células procariotas.
En esta etapa, la cadena de transporte de electrones procariota obtiene energía de los electrones donados por el NADH y el FADH2. Cuando el NADH dona un electrón, se convierte en NAD+. Del mismo modo, cuando el FADH2 dona un electrón, se convierte en FAD. A continuación, la cadena de transporte de electrones utiliza esta energía causada por el movimiento de los electrones para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana mitocondrial interna, hasta el espacio intermembranal de la mitocondria.
Los electrones seguirán a través de la cadena de transporte de electrones hasta llegar al aceptor final de electrones, que es el gas oxígeno (O2). Esta molécula de oxígeno reacciona con el H+ para formar agua (H2O).
Después de que la cadena de transporte de electrones construya el gradiente de protones (H+), se utiliza la quimiosmosis para captar su energía. Se denomina quimiosmosis a la difusión de los iones H+ a través de una membrana desde una zona de alta concentración a otra de baja concentración.
La quimiosmosis utiliza una enzima llamada ATP sintasa, ¡y su función es sintetizar ATP!
Metabolismo del nitrógeno
Algunas bacterias son capaces de fijar el nitrógeno. Estas bacterias fijadoras de nitrógeno son vitales para el ciclo del nitrógeno porque se encargan de convertir el nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3).
Algunos ejemplos de bacterias fijadoras de nitrógeno son pseudomonas, nocardia, Clostridium pasteurianum y Methanobacterium.
Metabolismo bacteriano - Puntos clave
Las bacterias obtienen la energía y nutrientes necesarios para su desarrollo y crecimiento, mediante la descomposición de compuestos orgánicos e inorgánicos
Las diversas rutas metabólicas como la respiración aeróbica y anaeróbica, fotosíntesis y fermentación han permitido a las bacterias colonizar diferentes hábitats y mantener sus poblaciones estables a través del tiempo
La fermentación es una ruta metabólica alternativa, que brindo a las bacterias la posibilidad de producir energía (ATP) bajo condiciones no aptas para llevar a cabo la respiración
- Para realizar la fotosíntesis, las bacterias requieren de pigmentos especiales como los bacterioclorofila y carotenos, para captar la energía luminosa
- La liberación de la energía en todos los procesos metabólicos bacterianos está mediada por procesos de óxido-reducción, es decir, la pérdida e intercambio de electrones.
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