capitulo nº 1

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CAPITULO I

PRINCIPIOS DEL METABOLISMO MICROBIANO

1.1. CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS GRUPOSMICROBIANOS

Las bacterias se encuentran en casi todos los ambientes e intervienen en

varios procesos biolgicos. El crecimiento microbiano requiere la formacin de

estructuras complejas como protenas, cidos nucleicos, polisacridos y lpidos a

partir de elementos preformados en el medio de crecimiento o ser sintetizados por

la propia clula, a su vez, este crecimiento necesita de una fuente de energa para

ser llevado a efecto, todo este proceso se designa con el nombre de metabolismo,

que se define como todas las transformaciones qumicas que ocurren en una clula.

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 nmero de reacciones qumicas destinadas a transformar las

molculas nutritivas en elementos que posteriormente sern utilizados para la

sntesis de los componentes estructurales; como pueden ser las protenas. Otra

parte importante del metabolismo es la de transformar y conservar la energa que

est contenida en una reaccin qumica en algn proceso que requiera de energa,

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 ningn caso el alimento contiene todas las molculas que una clula

requiere. Esto se vio con claridad al observar el crecimiento normal de levaduras en

un medio de cultivo que slo contena glucosa como nica fuente de energa. As

pues, se pens que la sntesis 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 funcin especfica a no ser la de formar parte de

lo que se conoce como va metablica. La transformacin de los nutrientes en

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compuestos tiles para la subsistencia de un organismo se lleva a cabo por medio

de las reacciones qumicas que realizan unas protenas conocidas como enzimas.

El trmino metabolismo se refiere al conjunto de reacciones qumicas que tiene

lugar en la clula, y tiene tres funciones especficas a saber:

- Obtener energa qumica del entorno, almacenarla, para utilizar luego en

diferentes funciones celulares,

- Convertir los nutrientes exgenos en unidades precursoras de los

componentes macromoleculares de la clula bacteriana,

- Formar y degradar molculas necesarias para funciones celulares

especficas, como por ejemplo, movilidad y captacin de nutrientes.

Figura N 1.1. Una Visin Simplificada del Metabolismo Celular.

Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).

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La energa liberada en las reacciones catablicas se usa para fosforilar ADP,

generando ATP. La energa almacenada en el ATP se utiliza en la mayora de los

trabajos celulares. Por lo tanto, el ATP acopla los procesos productores de energa

de la clula a los consumidores de energa. Figura N 1.2.

Todos los procesos que ocurren en la clula o bacteria requieren de energa.

Esta energa est almacenada como molculas de ATP, que se forma a partir

de ADP y fosfato inorgnico.

Figura N 1.2. El anabolismo y el catabolismo.

Fuente: (Dreyfus Corts Georges, 1995)

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El metabolismo tiene lugar a travs de secuencias de reacciones catalizadasenzimticamente, y se divide en anabolismo y catabolismo. El proceso por el cualla clula bacteriana sintetiza sus propios componentes se conoce como

anabolismo, y como resulta en la produccin de nuevo material celular, tambin sedenomina biosntesis.

La biosntesis es un proceso que requiere energa, 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 energa 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. CLASIFICACIN NUTRICIONAL BSICA

Las bacterias son seres vivos y estn compuestas al igual que las clulas

eucariotas por protenas, polisacridos, lpidos, cidos nucleicos, entre otros. Estas

molculas a su vez forman parte de estructuras celulares ms complejas, como por

ejemplo la pared celular y la membrana citoplasmtica. Una caracterstica de los

seres vivos es la capacidad para sintetizar sus propios constituyentes a partir de

nutrientes que toman del medio externo.

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El crecimiento bacteriano se define como el aumento ordenado de todos los

constituyentes qumicos de la clula. Se trata de un proceso complejo, que supone

la replicacin de todas las estructuras y componentes celulares a partir de los

nutrientes exgenos.

El conocimiento de la fisiologa y del metabolismo bacteriano tiene algunas

aplicaciones prcticas:

- Permite conocer el modo de vida y el hbitat de diferentes especies

bacterianas. El ser humano actuando como hospedero por ejemplo,

ofrece una variedad de nichos ecolgicos que se diferencian entre s por

aspectos fsicos y qumicos (temperatura, concentracin de O2, pH,

presin osmtica, 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 identificacin de

los patgenos participantes.

- Desde el punto de vista teraputico nos permite conocer y entender el

modo de accin de algunos antimicrobianos que bloquean una va

metablica o la sntesis de alguna macromolcula esencial para la

bacteria.

Tipos de metabolismo microbiano

En el V Curso latinoamericano de Biotecnologa (1996), sealaron que elcrecimiento equilibrado de un microorganismo requiere de la integracin de un gran

nmero de rutas metablicas (alrededor de 2000 procesos bioqumicos diferentes),

interconectados, que participan en un correcto flujo de energa y carbn hacia la

formacin de ms materia celular, los cuales deben operar coordenadamente y

permitirle, al menor costo energtico una adaptacin a condiciones ambientales

cambiantes (tanto qumicas como fsicas). Indicaron que en general la regulacin y

fisiologa funciona a travs de controles ejercidos sobre las enzimas claves de vas

metablicas y sobre los genes que codifican para enzimas o protenas importantes

en el comportamiento microbiano.

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Los distintos tipos de metabolismo microbiano se pueden clasificar segn tres

criterios distintos:

I. Segn la fuente de carbono que utilizan

El carbono es el mayor constituyente de la clula bacteriana, por lo tanto no llama la

atencin que requiera ms 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 construccin de la masa celular:

Auttrofo. crecen sintetizando sus materiales a partir de sustanciasinorgnicas sencillas. El carbono se obtiene del dixido de carbono (CO2).

Hetertrofo. su fuente de carbono es orgnica. El carbono seobtiene de compuestos orgnicos. En este ltimo grupo se encuentran todas

las bacterias de inters mdico.

Mixtrofo. son aquellas bacterias con metabolismo energticolitotrofo (obtienen energa de compuestos inorgnicos), pero requieren

sustancias orgnicas como nutrientes para su metabolismo biosinttico. El

carbono se obtiene tanto de compuestos orgnicos como fijando el dixido

de carbono.

II. Segn el punto de vista biosinttico

La forma en la que organismo obtiene los equivalentes reductores para la

conservacin de energa o en las reacciones biosintticas:

Litotrofo. son aquellas que slo requieren sustancias inorgnicassencillas Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos

inorgnicos. (SH2 SO, NH3, NO2-, Fe, etc.).

Organotrofo. requieren compuestos orgnicos. Los equivalentesreductores se obtienen de compuestos orgnicos. (hidratos de carbono,

hidrocarburos, lpidos, protenas, alcoholes).

III. Segn la fuente de energa:

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Segn la forma en la que el organismo obtiene la energa para vivir y crecer:

Quimiotrofo. La energa se obtiene de compuestos qumicosexternos.

Fototrofo. La energa se obtiene de la luz.

En la prctica, estos trminos se combinan casi libremente (Figura N 1.4, Figura

N 1.5 y Cuadro N 1.1).

Los ejemplos tpicos son como sigue:

Los quimiolitoauttrofos obtienen energa de la oxidacin decompuestos inorgnicos y el carbono de la fijacin del dixido de carbono.

Ejemplos: bacterias nitrificantes, bacterias oxidantes del azufre, bacterias

oxidantes del hierro, bacterias oxidantes del hidrgeno.

Los fotolitoauttrofos obtienen energa de la luz y el carbono de lafijacin del dixido de carbono, usando compuestos inorgnicos como

equivalentes reductores. Ejemplos: Cianobacterias (agua como equivalente

reductor), Chlorobiaceae, Chromaticaceae (sulfuro de hidrgeno),

Chloroflexus (hidrgeno).

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Los quimiolitohetertrofos obtienen energa de la oxidacin decompuestos inorgnicos, pero no pueden fijar el dixido de carbono.

Ejemplos: algunos Nitrobacter spp., Wolinella (con hidrgeno como

equivalente reductor), algunas bacterias oxidantes del hidrgeno.

Los quimioorganohetertrofos obtienen energa, carbono yequivalentes reductores para las reacciones biosintticas de compuestos

orgnicos. Ejemplos: la mayora de las bacterias, como Escherichia coli,

Bacillus spp., Actinobacteria. Las bacterias patgenas que viven a expensas

de la materia orgnica son quimioorgantrofas.

Los fotoorganotrofos obtienen energa de la luz y el carbono y losequivalentes reductores para las reacciones biosintticas de compuestos

orgnicos. Algunas especies son terminantemente hetertrofas, pero

muchas otras pueden tambin fijar el dixido de carbono y son mixtrofas.

Ejemplos: Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodospirillum,

Rhodomicrobium, Rhodocyclus, Heliobacterium, Chloroflexus (alterna con

fotolitoautotrofa con hidrgeno).

Figura N 1.4. Transformaciones biolgicas de molculas carbonadas

Fuente: (Smith, C.A., y Wood, E.J., 1998).

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Figura N 1.5. Clasificacin de nutricional de los organismos


Cuadro N 1.1. Clasificacin nutricional de los organismos.

Tipo Fuente deenerga

Fuente decarbono

Ejemplos

Fotoautotrofas Luz CO2 Algas ycianobacterias

Fotoheterotrofas Luz Compuestosorgnicos

Algas y bacteriasfotosintticas

Quimioautotrofas oLitotrofas

Qumica

Compuestoinorgnicos: H2,NH3, NO2, H2S,

CO2

Pocas bacterias

Quimioheterotrofas oHetertrofas

Qumica Compuestoorgnicos: glucosa

La mayora debacterias


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1.3. SUMINISTRO ENERGTICO

Las clulas bacterianas, poseen una gran variedad de sustancias como fuente de

energa, ilimitada

I. Las bacterias necesitan de un aporte energtico para desarrollarse.

II. El xito evolutivo de las bacterias se debe en parte a su versatilidad

metablica.

III. Todos los mecanismos posibles de obtencin de materia y energa

podemos encontrarlos en las bacterias.

En los seres vivos, la utilizacin de la energa potencial contenida en los nutrientes

se produce por reacciones de oxido-reduccin. (Figura N 1.6).

Figura N 1.6. Oxidacin biolgica

Fuente: (A. Londoo C., 2002).

Qumicamente la oxidacin est definida por la prdida de electrones (e-) y la

reduccin por la ganancia de los mismos. En bioqumica, las reacciones de oxido-

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reduccin frecuentemente incluyen no slo la transferencia de electrones sino detomos enteros de hidrgeno, por lo que se conocen tambin con el nombre de

reacciones de deshidrogenacin. 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 inters mdico los sistemas de oxido-reduccin que transforman

la energa qumica de los nutrientes en una forma biolgicamente til, incluyen la

fermentacin y la respiracin.

En la fermentacin tanto la molcula dadora como la aceptora de electrones, soncompuestos orgnicos, mientras que en la respiracin hay un aceptor final exgeno,

que cuando es el oxgeno hablamos de respiracin aerobia, y cuando es uncompuesto inorgnico hablamos de respiracin anaerobia.

Todas las formas de vida estn basadas en prcticamente las mismas reacciones

bioqumicas.

Cada uno de los compuestos que se generan en este conjunto de reacciones se le

denominan compuestos endgenos o metabolitos y al conjunto de todas las

reacciones que suceden en una clula se le denomina metabolismo.

Las bacterias y los animales superiores usan:

Bsicamente las mismas reacciones para producir la energa quenecesitan para sostener los procesos vitales,

Los mismos tipos de compuestos y mecanismos para construir susmacromolculas y

Los mismos conjuntos de reacciones para sintetizar los compuestosque intervienen en las diferentes reacciones bioqumicas.

Se puede generalizar diciendo que todas las clulas tienen bsicamente el

mismo metabolismo, aunque obviamente hay diferencias entre ellas.

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Figura N 1.7. Visin General del Metabolismo. Se muestran las rutasmetablicas centrales y algunos de los intermediarios claves.

Fuente: (C.K. Mathews, K.E. Van Holde y K.B. Ahern, 2002).

Algunas clulas tienen mayor capacidad bioqumica que otras:

Hay bacterias que sintetizan todos sus metabolitos a partir decompuestos inorgnicos y se les denomina auttrofos. Las clulas vegetales

tambin pueden vivir a base de solo precursores inorgnicos.

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Hay microorganismos que necesitan que en el medio de cultivoexistan fuentes de carbono orgnico (azcares) y se les denomina

hetertrofos,

Otros microorganismos necesitan que se les suministren ademsotros compuestos orgnicos que ellos no tienen la capacidad de sintetizar (a

estos compuestos se les denomina factores de crecimiento)

Las clulas de los animales necesitan un gran nmero decompuestos preformados los cuales deben estar en la dieta (se le

denominan vitaminas, aminocidos esenciales o cidos grasos esenciales).

En el proceso de diferenciacin celular, durante la formacin de un nuevo

organismo, las distintas clulas que constituyen el embrin se especializan y

slo expresan parte de la informacin gentica que contienen pasando a

formar los distintos tejidos y rganos.

El conjunto de reacciones que suceden en forma secuencial y que dan lugar

a un compuesto o a una funcin integran un camino metablico y se le da un

nombre especfico.

Por ejemplo,

1) la gliclisis, es el camino metablico por medio del cual se oxidan los

azcares produciendo piruvato y equivalentes reducidos NADH (Figura N

1.8);

2) la transformacin de la acetil-coenzima A, proveniente de la

descarboxilacin del piruvato o de la beta-oxidacin de los cidos grasos, en

anhdrido carbnico y equivalentes reducidos se le denomina ciclo de Krebs;

3) la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos hasta el

oxgeno molecular, acoplado con la sntesis de ATP, se le llama cadena de

transporte de electrones o fosforilacin oxidativa.

Este ltimo proceso est formado por un conjunto de enzimas complejas

que catalizan varias reacciones de xido-reduccin, donde el oxgeno es el

aceptor final de electrones.

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Figura N 1.8. Metabolismo Intermediario.

Fuente: (Ganong, W. F.,1996).

1.4. REGULACIN METABLICA

Cada reaccin metablica est regulada no slo con respecto a otras reacciones

sino tambin con respecto a la concentracin de nutrientes en el medio. La

regulacin se realiza a diferentes niveles:

- Regulacin de la actividad enzimtica a travs de: enzimas alostricas,

inhibicin por retroalimentacin, activacin alostrica, y cooperatividad.

- Regulacin de la sntesis de enzimas por: induccin enzimtica y

represin por productos finales.

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1.4.1. Mecanismos de Regulacin enzimtica

En la clula operan dos mecanismos deferentes de regulacin: la regulacin de la

sntesis enzimtica y la regulacin de la actividad enzimtica. En ambos casos,

actan de mediadores componentes de bajo peso molecular, los cuales o bien son

formados en la clula como metabolitos intermediarios, o bien entran en ella

procedentes del medio. En ambos mecanismos reguladores actan protenas

alostericas.

Las protenas alostericas son aquellas cuyas propiedades cambian si se les unen

molculas especficas denominadas efectores. Existen dos clases de protenas

alostericas: las enzimas alostericas cuya actividad se incrementa o se inhibe

cuando se combinan con sus efectores, y las protenas alostericas reguladoras que

modulan la actividad de enzimas especficas.

a. Regulacin de la actividad enzimtica

Las protenas alostericas estudiadas con mayor detalle han sido las enzimas

alostericas, cuyo ejemplo lo constituye la aspartato transcarbamilasas (ATCasa),

que cataliza la primera reaccin de la biosntesis 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

formacin de ms CTP hasta que su concentracin disminuye a un nivel optimo. el

ATP, un segundo efector de la ATCasa, activa la enzima, sirviendo para coordinar

la sntesis de nucletidos de purina y pirimidina. las enzimas alostericas son

siempre protenas de peso molecular relativamente elevado, compuestas por

mltiples subunidades. por regla general estas subunidades son idnticas

poseyendo cada una un lugar cataltico y otro alostrico. no obstante, la ATCasa se

compone de dos clases diferentes de subunidades, una con funcin cataltica y otra

con funciones reguladoras.

En las bacterias anaerobias facultativas la fermentacin (como nica va degeneracin de energa) es bloqueada en presencia de oxgeno, asegurando que el

suministro de energa se produzca por la respiracin, que consume menos glucosa

y acumula menos lactato. En este fenmeno, conocido como efecto Pasteur, la

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enzima fosfofructoquinasa es activada o inhibida segn la relacin ATP/ADP,

regulando as el consumo de glucosa.

Este es un ejemplo de regulacin de la actividad enzimtica por una enzima

alostrica. El ejemplo clsico de regulacin a nivel de la sntesis de enzimas lo

constituye el opern lactosa. Hay 3 enzimas que participan en la utilizacin de lalactosa (-galactosidasa, galactsido permeasa y galactsido transacetilasa) que

tienen un promotor nico.

En ausencia de lactosa, la transcripcin para estas enzimas est bloqueada por

accin de un represor que se une al promotor inhibiendo la accin de la ARNpolimerasa. Cuando se agrega lactosa al medio, sta se une al represor,bloqueando de este modo su unin al promotor, permitiendo as la accin de la

ARN polimerasa y la sntesis de las tres enzimas.

B. Regulacin de la sntesis enzimtica

La inhibicin por el producto final mediada por enzimas alostericas es en gran

medida suficiente para asegurar que todas las rutas catablicas y biosinteticas

operen en equilibrio. Sin embargo, cuando no es necesario el producto de una ruta

metablica, las enzimas que catalizan las reacciones de las mismas resultan

innecesarias.

Muchas bacterias son capaces de utilizar un amplio espectro de compuestos

orgnicos diferentes como fuentes de carbono y energa, pero en un momento

dado, puede que solo uno de estos compuestos est presente en el medio. Aunque

la informacin gentica necesaria para sintetizar las enzimas importantes se

encuentra siempre presente, su expresin fenotpica est 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

qumicos de la clula. Las bacterias como grupo son extremadamente verstiles y

tienen una capacidad enorme para utilizar una amplia gama de nutrientes que va

desde compuestos inorgnicos simples a compuestos orgnicos ms complejos.

Los nutrientes se pueden dividir en dos clases: esenciales, sin los cuales la clulano puede crecer, y no esenciales que se utilizan cuando estn presentes pero no

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son indispensables. Algunos nutrientes son utilizados slo como precursores de

macromolculas celulares y otros slo como fuente de energa sin ser incorporados

directamente al material celular, mientras que otros cumplen las dos funciones a la

vez. Tambin se pueden clasificar como macro y micronutrientes segn lacantidad requerida.

MACRONUTRIENTES

La glucosa, por ejemplo, es utilizada como fuente de carbono y fuente de energa.

Tambin existen bacterias que pueden usar una variedad de otras sustancias

orgnicas como fuente parcial o exclusiva de carbono.

Entre las bacterias ms verstiles se encuentra las del gnero Pseudomonas,muchas de las cuales pueden utilizar ms de 100 compuestos orgnicos. Despus

del carbono el elemento ms abundante en la clula es el nitrgeno, representaentre el 12 y el 15% del peso seco, y es el constituyente principal de protenas y

cidos nucleicos.

La mayora de las bacterias son capaces de utilizar el amonio como fuente de

nitrgeno, mientras que otras pueden usar los nitratos.

La reduccin de nitratos, se puede lograr por 2 mecanismos diferentes:

1. Reduccin asimiladora: En la cual es reducido por la va del nitrito, y

2. Reduccin desasimiladora: Donde el nitrato sirve como aceptor final deelectrones.

La primera est bastante extendida entre las bacterias mientras que la segunda

slo es comn en bacterias anaerobias y anaerobias facultativas. El fsforo esutilizado para la sntesis de cidos nucleicos y fosfolpidos. La mayora de las

bacterias lo usan en forma inorgnica como PO4=.

Los fosfatos orgnicos estn ampliamente distribuidos en la naturaleza, pero para

ser utilizados deben ser atacados primero por fosfatasas, enzimas que clivan estoscompuestos liberando fsforo inorgnico.

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Aunque requeridos en cantidades muy pequeas los micronutrientes sonimportantes para la nutricin. 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 ms simples, por falla o

ausencia de una va metablica.

Estas sustancias incluyen vitaminas del complejo B, aminocidos, purinas y

pirimidinas. Las bacterias que no requieren factores de crecimiento de denominanprototrficas y las que los requieren, auxotrficas para ese factor.

I. Oxgeno: Las exigencias de oxgeno de una bacteria en particular reflejan enparte el tipo de metabolismo productor de energa. De acuerdo a su relacin con el

oxgeno tenemos:

- Anaerobios obligados: Hay de 2 tipos, estrictos y aerotolerantes, losprimeros crecen en ausencia de O2 y este es sumamente txico, incluso

letal cuando la exposicin es breve. Los segundos tambin crecen slo

en ausencia de O2 pero toleran ms que los anteriores su presencia;

- Anaerobios facultativos: Son capaces de crecer en presencia oausencia de oxgeno.

- Aerobios obligados: Requieren oxgeno para su desarrollo.- Microaerfilos: Crecen mejor con tensiones de oxgeno 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 acumulacin del radical superxido; esta enzima

est ausente en los anaerobios estrictos. El perxido de hidrgeno formado por la

accin de la superoxidodismutasa es destruido con rapidez por la enzima catalasao por peroxidasas, como vimos ms arriba.

II. Dixido de carbono: Algunas bacterias como Neisseria y Brucella tienen variasenzimas con baja afinidad por el CO2 y requieren una concentracin ms elevada

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(10%) de la que habitualmente est presente en la atmsfera (0.03%). Estos

requerimientos atmosfricos deben ser tenidos en cuenta cuando se realice elcultivo de estas bacterias.

1.4.4. Requerimientos fsicos.

POTENCIAL DE OXIDOREDUCCION: El potencial de xido-reduccin de un medio

de cultivo es un factor crtico para determinar si se producir o no el desarrollo de

un inculo sembrado en dicho medio. Para la mayor parte de los medios de cultivo

en contacto con el aire, el potencial de xido-reduccin 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 mnimo. Para establecer estas condiciones en un medio

de cultivo se puede eliminar el oxgeno, 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 ptima de desarrollo yun 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:

- Psicrfilas: -5 a 30 C, ptimo:15C

- Mesfilas: 10 a 45C, ptimo: 30C

- Termfilas: 25 a 80C, ptimo: 55C.

CONCENTRACION DE HIDROGENO (pH): Tambin aqu existe un valor de pH

ptimo dentro de un rango ms amplio en el cual el crecimiento puede ocurrir. Para

la mayor parte de las bacterias de inters mdico, el pH ptimo es de 7,2 a 7,6. Sin

embargo hay patgenos humanos como M. tuberculosus que resisten valores muy

bajos de pH.

CONDICIONES OSMOTICAS: La concentracin de solutos con actividad osmticadentro de la clula bacteriana es superior a la concentracin exterior. Con

excepcin de los Micoplasmas y las formas lister (L), que no tienen pared celular, la

mayor parte de las bacterias tienen una tolerancia osmtica importante lo que les

permite soportar grandes cambios de la osmolaridad.

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1.5. METABOLISMO HETERTROFO

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 bsicos como los aminocidos y todos los

dems componentes celulares, de tal manera que si crecen en un medio con

glucosa como nica fuente de energa, pueden sintetizar todas las molculas que

necesitan, aunque esto implica un gran gasto en energa. La levadura puede

evitarlo si le proporcionamos los aminocidos y nutrientes requeridos, ya que

economiza el aparato enzimtico responsable de la sntesis 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 composicin de los nutrientes. Esto

ha permitido conocer y entender cmo los microorganismos modifican su

metabolismo en funcin de la calidad nutritiva del medio en el cual se les hace

crecer. Si, por ejemplo, la concentracin de nutrientes ricos en nitrgeno baja, el

microorganismo iniciar inmediatamente la sntesis de las enzimas necesarias para

elaborar sus propios cidos nucleicos y aminocidos; todo est finalmente regulado

y enfocado hacia la mxima economa metablica y, en ltima instancia, al ahorro

de energa.

1.5.1. Caractersticas metablicas

El metabolismo microbiano es el conjunto de procesos por los cuales unmicroorganismo obtiene la energa y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que

necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de

estrategias metablicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en

base a estas estrategias. Las caractersticas metablicas especficas de un

microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecolgico,

su responsabilidad en los ciclos biogeoqumicos y su utilidad en los procesos

industriales.

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- Las bacterias tienden versatilidad a intercalar fcilmente los nutrientes y

productos metablicos terminales

- Esto les permite desarrollar procesos metablicos con gran rapidez

El metabolismo de la clula comprende dos grandes tipos de reacciones:

La mayora de los microorganismos son hetertrofos (o ms exactamente

quimiorganohetertrofos), con compuestos orgnicos como fuentes de carbono y de

energa (Figura N 1.9). Los microorganismos hetertrofos viven de los alimentos

que roban a anfitriones vivos (como comensales o parsitos) o de la materia

orgnica muerta de todo tipo (saprfagos).

Este metabolismo microbiano constituye el principal factor de descomposicin de

todos los organismos despus de muerte. Muchos microorganismos eucariontes

son hetertrofos por depredacin o parasitismo, caractersticas tambin

encontradas en algunas bacterias tales como Bdellovibrio (un parsito intracelular

de otras bacterias, causando la muerte de sus vctimas) y algunas Myxobacteria

tales como Myxococcus (depredadora de otras bacterias a las que mata y succiona

mediante la cooperacin de enjambres de numerosas clulas).

La mayora de las bacterias patgenas son parsitos hetertrofos de seres

humanos o de otras especies eucariontes. Los microorganismos hetertrofos son

extremadamente abundantes en naturaleza y responsables de la degradacin de

los polmeros orgnicos tales como celulosa, quitina o lignina que son generalmente

indigeribles para los animales ms grandes.

Esta degradacin, generalmente, requiere la colaboracin de varios organismos

distintos, cada uno de los cuales realiza uno de los pasos de la degradacin hasta

obtener dixido de carbono.

Hay muchas variaciones en este tema, pues diversos organismos pueden degradar

diversos polmeros y secretar diversos residuos. Algunos organismos pueden

incluso degradar los compuestos ms recalcitrantes tales como pesticidas y

petrleo, realizando su reciclado.

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Fuente: (J. Koolman y KH Rhm, 2004).

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Bioqumicamente, el metabolismo hetertrofo procarionte es mucho ms verstil

que el de los organismos eucariontes, aunque muchos procariontes comparten los

modelos metablicos ms bsicos con los eucariontes, por ejemplo, usando la

glicolisis (tambin llamada ruta EMP) para el metabolismo del azcar y el ciclo del

cido ctrico en la degradacin del acetato, produciendo energa bajo la forma de

ATP y reduciendo energa bajo la forma de NADH o quinona.

Estas rutas metablicas bsicas estn muy extendidas porque tambin estn

implicadas en la biosntesis de muchos componentes necesarios para el

crecimiento de la clula (a veces en la direccin contraria).

Sin embargo, muchas bacterias y archaea utilizan rutas metablicas alternativas

con la excepcin de la gliclisis y del ciclo del cido ctrico. Un ejemplo bien

estudiado es el metabolismo del azcar por la ruta del ceto-desoxi-fosfogluconato

(tambin llamada ruta ED) en Pseudomonas en vez de la ruta glicoltica. Por otra

parte, hay incluso una tercera ruta alternativa catablica del azcar usado por

algunas bacterias, la ruta de la pentosa fosfato.

Los elementos constitutivos o macromolculas tienen su gnesis 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: aminocidos, bases pirimidinicas, polisacridos,

lpidos, entre otros. (Figura N 1.10).

Figura N 1.10. Familias biosinteticas de aminocidos

46

* En Bacterias, ** en HongosFuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

Esta diversidad y capacidad metablicas de los procariontes que les permite utilizar

una variedad enorme de compuestos orgnicos se debe a una historia y diversidad

evolutivas mucho ms profundas que las de los eucariontes. Es tambin

significativo que las mitocondrias se originaron en los eucariontes por

endosimbiosis de una bacteria relacionada con los parsitos intracelulares

Rickettsia, y tambin los simbiontes de las plantas Rhizobium o Agrobacterium.

Por lo tanto, no es sorprendente que todas las mitocondrias eucariotas compartan

caractersticas metablicas con estas Proteobacteria.

La mayora de los microorganismos respiran (usando una cadena de transporte de

electrones), aunque el oxgeno no es el nico receptor terminal de electrones que

puede usarse. El uso de receptores terminales de electrones distintos al oxgeno

tiene consecuencias biogeoqumicas importantes. (Cuadro N 1.2 y Figura N

1.11.).

47

Cuadro N 1.2. Patrones de reacciones de oxido reduccin suministradoras deenerga utilizadas por las bacterias.

Donador deH2

O2(Respiracinanaerobia)

Aceptor de H2NO3=, SO4=,

fumarato(Respiracinanaerobia)

Compuestosorgnicos

(Fermentacin)

Sustanciasinorgnicas

Sustanciasorgnicas

I. Respiracinaerobia desustanciasinorgnicas

Ej.:(Nitrosomonas)NH3 NO2=

O2 H2O

II. Respiracinaerobia desustanciasorgnicas.

Ej.: (muchosorganismos)

Glucosa CO2O2 H2O

III. Respiracinanaerobia

desustancias

inorgnicas.Ej.:

(Thiobacillusdenitrificans)

S SO4=NO3= N2

IV. Respiracinanaerobia

desustanciasorgnicas.

Ej.(Desulfovibrio)

cido lcticoCO2

SO4=H2S

(Ninguno)

V.Fermentacin desustanciasorgnicas

Ej.: (Streptococcus)- 4

Glucosa 2-piruvato+4H

2 cido lctico

FUENTE: (Brooks. G. F., J. S. Butel y S. A. Morse, 2005)

48

Figura N 1.11. Alternativas del metabolismo microbiano.

Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).

1.5.2. Mecanismos de generacin de ATP

La conservacin intracelular de energa ocurre principalmente por medio de la

sntesis de ATP. Los mtodos usados por las bacterias para generar ATP son

principalmente:

Fosforilacin a nivel de sustrato Fosforilacin oxidativa Fotofosforilacin (durante la fotosntesis).

49

La fosforilacin a nivel de sustrato es un sistema usado por ciertas bacteriasquimiorganotrofas. el sustrato orgnico (donador de electrones) pasa por una rutacatablica (p.ej., la ruta glucoltica), 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 energa de hidrlisis. Dicho intermediario experimenta

enseguida una sustitucin con un fosfato, para dar la correspondiente forma acil-

fosfato (siendo este enlace de alta energa). Finalmente, este acil-fosfato dona su

fosfato de alta energa al ADP, que pasa a ATP. Ejemplo: gliceraldehido-3-p 1,3-

difosfoglicrico 3-fosfoglicrico.

La fosforilacin oxidativa es el proceso por el que se forma ATP como resultadode la transferencia de electrones desde el NADH o del FADH2 al O2 a travs de

una serie de transportadores de electrones. (Figura N 1.12).

Figura N 1.12. Flujo de electrones durante la fosforilacion oxidativa

Fuente: (Stryer, 1995).

50

El flujo de electrones desde el NADH o el FADH2 al O2 a travs 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 est formada por un gradiente de pH y por un potencial elctrico

transmembranal. Cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial a travs de

un complejo enzimtico, se sintetiza ATP (fig. 1). De esta forma, la oxidacin y la

fosforilacin estn acopladas por un gradiente de protones a travs de la membrana

interna mitocondrial. (Figura N 1.13).

Figura N 1.13. Fosforilacin a nivel de sustrato y Fosforilacinoxidativa.


50











50











51

1.5.3. La fermentacin

La fosforilacion a nivel de sustrato es el nico modelo posible de formacin de ATP

como resultado de una fermentacin, 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 fermentacin es un tipo especfico de metabolismo hetertrofo que utiliza

carbono orgnico en vez de oxgeno 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 mtodo alternativo para

usar esta energa reductora y mantener una fuente de NAD+ para el funcionamiento

apropiado de las rutas metablicas normales, como por ejemplo, la gliclisis (Figura

N 1.14). Puesto que no requieren oxgeno, los organismos fermentantes son

anaerobios. Muchos organismos pueden utilizar fermentacin bajo ciertas

condiciones anaerobias y respiracin cuando el oxgeno est presente.

Figura N 1.14. Destinos metablicos del piruvato.

Fuente: (T. Audesirk y G.Audesirk, 2003).

52

Estos organismos son anaerobios facultativos. Para evitar la superproduccin de

NADH, los organismos fermentantes obligados generalmente no tienen un ciclo

completo del cido ctrico. En vez de usar ATPasas como en la respiracin, el ATP

en organismos fermentantes es producido por la fosforilacin a nivel de substrato

donde un grupo fosfato se transfiere de un compuesto orgnico de gran energa al

ADP para formar el ATP. (Figura N 1.15).

Figura N 1.15. Modelo propuesto para el estado energizado de la membrana

Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997.

Como resultado de la necesidad de producir compuestos orgnicos con fosfato de

la alta energa (generalmente bajo la forma de CoA-steres) los organismos

fermentantes utilizan NADH y otros cofactores para producir una gran variedad de

subproductos metablicos reducidos, a menudo incluyendo hidrgeno. Estos

compuestos orgnicos reducidos son generalmente cidos orgnicos cortos y

alcoholes derivados del piruvato, el producto final de la gliclisis. Ejemplos incluyen

el etanol, acetato, lactato y el butirato (Figura N 1.16).

Los organismos fermentantes son muy importantes industrialmente y se utilizan

parar elaborar muchos tipos de productos alimenticios. Los productos finales

53

metablicos producidos por cada especie bacteriana especfica son los

responsables del gusto y caractersticas de cada alimento.

Figura N 1.16. Estrategias microbianas de descarboxilacin del piruvato.

1, piruvato descarboxilasa. Funcional en levaduras y algunas bacterias, comoZymononas mobilis cuando fermentan la glucosa. 2, piruvato deshidrogenasa.Caracterstico del desarrollo aerobio de, entre otras, las bacterias entricas. 3,piruvato-formiato-liasa. Lo sintetizan las bacterias entricas en condicionesanaerbicas. 4, piruvato-ferredoxina-oxidorreductasa. Caracterstico de losclostridios. 5, parte del complejo de la -acetolactato sintasa de algunas bacteriasentricas (el -acetolactato se genera por condensacin del acetaldehdo activo conpiruvato). Un sistema equivalente es utilizado por las bacterias lcticas paraproducir diacetilo (en este caso, el acetaldehdo activo condensa con acetil-CoA)

Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

No todos los organismos fermentantes usan fosforilacin a nivel de substrato. En su

lugar, algunos organismos son capaces de acoplar directamente la oxidacin de

compuestos orgnicos de poca energa con la formacin de un gradiente

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electroqumico para mover un protn (o sodio) y as realizar la sntesis de ATP.

Ejemplos de estas formas inusuales de fermentacin incluyen la fermentacin del

succinato por el Propionigenium modestum y la fermentacin del oxalato por

Oxalobacter formigenes. Estas reacciones son de rendimiento energtico

extremadamente bajo. Los seres humanos y otros animales tambin utilizan la

fermentacin para consumir el exceso de NADH produciendo lactato, aunque sta

no es la forma principal de metabolismo como en los microorganismos

fermentantes.

capitulo nº 1

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