Tema 9 Reacciones de Abastecimiento en Heterótrofos Aerobios y Anaerobios PDF

Microbiología. Grado BCB Tema 9 Tema 9. Reacciones de abastecimiento en heterótrofos aerobios y anaerobios. 1. Obtención de carbono: vías degradativas 2. Obtención de energía: respiración aerobia y anaerobia 3. Obtención de energía: fer...

Microbiología. Grado BCB Tema 9 Tema 9. Reacciones de abastecimiento en heterótrofos aerobios y anaerobios. 1. Obtención de carbono: vías degradativas 2. Obtención de energía: respiración aerobia y anaerobia 3. Obtención de energía: fermentaciones El metabolismo puede dividirse globalmente en dos partes fundamentales. En el catabolismo, moléculas grandes y complejas son descompuestas en moléculas más pequeñas y sencillas, liberándose energía en el proceso. Parte de esta energía es atrapada y está disponible para realizar trabajo, mientras que el resto se libera en forma de calor. La energía atrapada puede utilizarse a continuación en el anabolismo, la segunda parte del metabolismo. El anabolismo es la síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas más sencillas con consumo de energía. Un proceso anabólico utiliza energía para aumentar el orden de un sistema. Aunque la división del metabolismo en dos partes principales es útil y se utiliza a menudo, hay que tener en cuenta que no todos los procesos generadores de energía se encuentran apropiadamente incluidos en la definición previa de catabolismo, a menos que se amplíe para incluir los procesos que no degraden moléculas orgánicas complejas. En un sentido amplio, los microorganismos utilizan como fuente de energía una de las tres siguientes: los fototrofos captan energía de la luz solar; los quimioorganotrofos oxidan moléculas orgánicas para liberar energía; mientras que los quimiolitotrofos emplean nutrientes inorgánicos como fuente de energía. Los microorganismos presentan diferentes fuentes de energía, y los quimiotrofos presentan además diferentes aceptores de electrones, de manera que cabe distinguir principalmente las tres formas siguientes de obtención de energía: 1. En la fermentación el sustrato energético es oxidado y degradado sin la participación de un aceptor externo de electrones. Normalmente, la vía catabólica produce compuestos intermedios como el piruvato que actúa como aceptor de electrones; las fermentaciones se producen habitualmente en condiciones anaerobias, aunque en ocasiones el oxígeno puede estar presente. 2. Evidentemente, el metabolismo productor de energía puede utilizar aceptores exógenos de electrones. Este tipo metabólico se denomina respiración que puede dividirse en dos tipos. En la respiración aerobia, el aceptor final de electrones es el oxígeno, mientras que en la respiración anaerobia es un aceptor diferente del oxígeno. Frecuentemente, el aceptor en este último caso es un compuesto inorgánico (p. ej., NO3- SO2-, CO2, Fe3+, SO2-, y muchos otros), aunque también puede utilizar un aceptor de electrones orgánico, como el fumarato. La respiración requiere la actividad de una cadena transportadora de electrones. La cantidad de energía libre derivada de la respiración es mayor que en la fermentación, ya que el aceptor de electrones en la fermentación se encuentra en el mismo estado de oxidación que el nutriente original, por lo que no hay una oxidación neta del nutriente. En cambio, en la respiración el aceptor tiene un potencial de reducción mucho más positivo que el sustrato original, y por ello se libera mucha más energía. Tanto en la respiración aerobia como en la anaerobia, el ATP se forma como consecuencia de la actividad de la cadena transportadora de electrones. 3. En la quimiolítotrofía, obtienen energía de la cesión electrones a la cadena transportadora de electrones. Esta habilidad la presentan un grupo muy reducido de procariotas denominados quimiolitotrofos 1 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 Obtención de carbono: vías degradativas Los microorganismos emplean diversas vías metabólicas para catabolizar la glucosa y otros azúcares. Debido a esta diversidad metabólica, su metabolismo puede resultar confuso. Para evitar en lo posible esta confusión, nos centraremos sólo en tres vías mediante las que los microorganismos degradan los azúcares a piruvato y otros productos intermedios: 1) vía de Embden-Meyerhof o glucólisis, 2) vía de Entner-Doudoroff y 3) vía de las pentosas fosfato. Vía de Embden-Meyerhof o vía glucolítica. Es indudablemente la vía más común de la degradación de la glucosa a piruvato en el catabolismo. Está presente en todos los principales grupos de microorganismos, y actúa en presencia o ausencia de O2. La glucólisis tiene lugar en la matriz citoplasmática de procariotas y eucariotas. La vía en conjunto puede dividirse en dos partes. En la etapa inicial de seis carbonos, la glucosa es fosforilada dos veces y finalmente convertida en fructosa 1,6-bisfosfato. A menudo, se incorporan a la vía otros azúcares mediante su conversión en glucosa 6-fosfato o fructosa 6-fosfato. Esta etapa preliminar no produce energía; de hecho, se consumen dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Estos pasos iniciales “ceban” el sistema al añadir fosfatos a cada extremo del azúcar. Los fosfatos se utilizarán después para sintetizar ATP. La etapa de tres carbonos de la glucólisis comienza cuando la enzima fructosa 1,6-bisfosfato aldolasa cataliza la escisión de la fructosa 1,6-bisfosfato en dos mitades, cada una de ellas con un grupo fosfato. Uno de los productos, el gliceraldehído 3-fosfato, se convierte directamente en piruvato en un proceso de cinco pasos. Debido a que el otro producto, dihidroxiacetona fosfato, puede transformarse fácilmente en gliceraldehído 3-fosfato, ambas mitades de la fructosa 1,6-bisfosfato se utilizan en la etapa de tres carbonos. En primer lugar, el gliceraldehído 3-fosfato se oxida con NAD+ como aceptor de electrones, incorporándose al mismo tiempo un grupo fosfato para formar una molécula de alta energía denominada 1,3-bisfosfoglicerato. El grupo fosfato de alta energía unido al carbono 1 es cedido posteriormente al ADP para formar ATP. En este caso, la síntesis de ATP recibe el nombre de fosforilación a nivel de sustrato, debido a que la fosforilación del ADP está acoplada a la degradación exergónica de una molécula de sustrato de alta energía. ATP como moneda de energía. Un proceso similar genera un segundo ATP por fosforilación a nivel de sustrato. El grupo fosfato del 3-fosfoglicerato pasa al carbono 2, y el 2-fosfoglicerato es deshidratado para formar una segunda molécula de alta energía, el fosfoenolpiruvato. Esta molécula cede su grupo fosfato al ADP para formar un ATP y piruvato, el producto final de la vía. En conjunto, la vía glucolítica degrada una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato mediante la secuencia de reacciones anteriormente descrita. También se producen ATP y NADH. Esta producción puede calcularse considerando las dos etapas por separado. En la etapa de seis carbonos, se utilizan 2 ATP para formar fructosa 1,6-bisfosfato. Por cada gliceraldehído 3-fosfato transformado en piruvato, se forman 1 NADH y 2 ATP. Debido a que a partir de 1 glucosa se forman 2 gliceraldehídos 3-fosfato (1 a través de la dihidroxiacetona fosfato), la etapa de tres carbonos genera 4 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa. Si restamos el ATP utilizado en la etapa de seis carbonos al ATP producido en la etapa de tres carbonos obtenemos una producción neta de 2 ATP por glucosa. Vía de Entner-Doudoroff Aunque la vía glucolítica es la ruta más común para la conversión de hexosas en piruvato, se ha descubierto otra vía con un papel similar. La vía de Entner-Doudoroff comienza con la formación de glucosa 6-fosfato y 6-fosfogluconato. En lugar de oxidarse de nuevo, el 6-fosfogluconato se deshidrata para formar 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato o KDPG, el producto intermedio clave de esta vía. El 2 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 KDPG es escindido por la KDPG aldolasa en piruvato y gliceraldehído 3-fosfato. Éste se convierte en piruvato en la segunda parte de la vía glucolítica. Si la vía de Entner-Doudoroff degrada la glucosa a piruvato de esta forma, produce 1 ATP, 1 NADPH y 1 NADH por molécula de glucosa metabolizada. La mayoría de las bacterias tienen las vías glucolíticas y de las pentosas fosfato, pero algunas sustituyen la glucólisis por la vía de Entner-Doudoroff. Esta vía está presente generalmente en Pseudomonas, Rhizobium, Azotobacter, Agrobacterium y algunos otros géneros de microorganismos Gram negativos. Muy pocas bacterias Gram positivas tienen esta vía, con Enterococcus faecalis como rara excepción. Vía de las pentosas fosfato La vía de las pentosas fosfato o vía de las hexosas monofosfato puede utilizarse al mismo tiempo que la vía glucolítica o la secuencia de Entner-Doudoroff. Esta puede operar de forma aerobia o anaerobia, y es importante tanto en la biosíntesis como en el catabolismo. La vía de las pentosas fosfato comienza con la oxidación de la glucosa 6-fosfato a 6-fosfogluconato, seguida de la oxidación de éste a ribulosa 5-fosfato y CO2. Durante estas oxidaciones se produce NADPH. A continuación, la ribulosa 5-fosfato se convierte en una mezcla de azúcares fosfato de tres a siete carbonos. Dos enzimas específicas de esta vía desempeñan un papel fundamental en estas transformaciones: 1) la transcetolasa cataliza la transferencia de grupos cetol de dos carbonos, y 2) la transaldolasa transfiere un grupo de tres carbonos de la sedoheptulosa-7-fosfato al gliceraldehído 3- fosfato. El resultado global es que 3 glucosas 6-fosfato se convierten en 2 fructosas 6-fosfato, gliceraldehído 3-fosfato y 3 moléculas de CO2. Estos productos intermedios se utilizan de dos formas. La fructosa 6-fosfato puede convertirse de nuevo en glucosa 6-fosfato, mientras que el gliceraldehído 3-fosfato es convertido en piruvato por enzimas glucolíticas. El gliceraldehído 3-fosfato también puede volver a la vía de las pentosas fosfato mediante la formación de glucosa 6-fosfato. Esto da lugar a la degradación completa de la glucosa 6-fosfato a CO2 y la producción de NADPH. La vía de las pentosas fosfato posee varias funciones catabólicas y anabólicas que se resumen de la siguiente forma: 1. El NADPH procedente de la vía de las pentosas fosfato actúa como fuente de electrones para la reducción de moléculas durante la biosíntesis. 2. La vía sintetiza azúcares de cuatro y cinco carbonos para diversas finalidades. El azúcar de cuatro carbonos eritrosa 4-fosfato se utiliza para sintetizar aminoácidos aromáticos y vitamina B6 (piridoxal). La ribosa 5-fosfato (pentosa) es un componente fundamental de los ácidos nucleicos, y la ribulosa 1,5-bisfosfato es el principal aceptor de CO2 en la fotosíntesis. Obsérvese que cuando un microorganismo crece con una fuente de carbono a base de pentosas, la vía también puede suministrar carbono para la producción de hexosas. 3. Los productos intermedios de la vía de las pentosas fosfato pueden utilizarse para producir ATP. El gliceraldehído 3-fosfato procedente de esta vía puede incorporarse a la etapa de tres carbonos de la vía glucolítica y convertirse en ATP y piruvato. Este último puede oxidarse en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos para proporcionar más energía. Además, parte del NADPH puede convertirse en NADH, el cual produce ATP al ser oxidado por la cadena transportadora de electrones. Debido a que la vía de las pentosas fosfato tiene como productos intermedios azúcares de cinco carbonos, puede ser utilizada para catabolizar tanto pentosas como hexosas. Catabolismo de hidratos de carbono Los microorganismos pueden catabolizar muchos hidratos de carbono además de glucosa. Estos hidratos de carbono pueden proceder del exterior de la célula o de fuentes internas. 3 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 La glucosa, fructosa, maltosa son fosforiladas utilizando ATP y entran fácilmente en la vía glucolítica. Por el contrario, la galactosa debe convertirse en uridina-difosfato-galactosa después de la fosforilación inicial, y a continuación transformarse en glucosa-6-fosfato en un proceso de tres pasos. Los disacáridos comunes son escindidos en monosacáridos mediante al menos dos mecanismos. La maltosa, la sacarosa y la lactosa pueden hidrolizarse directamente en los azúcares constituyentes. Muchos disacáridos también pueden ser escindidos por un ataque con fosfato en el enlace que une los dos azúcares, proceso denominado fosforólisis. Los polisacáridos, al igual que los disacáridos, son escindidos mediante hidrólisis y fosforólisis. Las bacterias y hongos degradan los polisacáridos externos mediante la secreción de enzimas hidrolíticas que escinden los polisacáridos en moléculas más pequeñas que pueden ser asimiladas. El almidón y el glucógeno son hidrolizados por amilasas a glucosa, maltosa y otros productos. La celulosa es más difícil de digerir; muchos hongos y algunas bacterias (algunas bacterias filamentosas, clostridios y actinomicetos) producen celulasas que hidrolizan la celulosa a celobiosa y glucosa. Algunos miembros del género bacteriano Cytophaga, aislados de habitats marinos, excretan una agarasa que degrada el agar. Muchas bacterias del suelo y patógenos bacterianos de las plantas degradan la pectina, un polímero del ácido galacturónico, que es un constituyente de los tejidos y las paredes vegetales. En el contexto de los compuestos recalcitrantes o difíciles de digerir, debe destacarse que los microorganismos también pueden degradar compuestos xenobióticos, tales como pesticidas y diversos compuestos aromáticos. Algunos microorganismos transforman estas moléculas en intermediarios metabólicos naturales. Catabolismo de lípidos Los microorganismos frecuentemente utilizan lípidos como fuente de energía. Los triglicéridos o triacilgliceroles, esteres de glicerol y ácidos grasos, son fuentes de energía frecuentes que utilizaremos como ejemplos. Pueden ser hidrolizados a glicerol y ácidos grasos por lipasas microbianas. A continuación, el glicerol es fosforilado, oxidado a dihidroxiacetona fosfato y catabolizado en la vía glucolítica. Los ácidos grasos procedentes de los triacilgliceroles y de otros lípidos frecuentemente son oxidados en la vía de la β-oxidación después de su conversión en esteres de coenzima A. En esta vía cíclica, los ácidos grasos son degradados a acetil-CoA, que puede incorporarse al ciclo de los ATC o ser utilizada en procesos biosintéticos. Una vuelta del ciclo produce acetil- CoA, NADH y FADH2; el NADH y el FADH2 pueden ser oxidados por la cadena transportadora de electrones para proporcionar más ATP. El nuevo acil(graso)-CoA, acortado en dos carbonos, puede dar otra vuelta del ciclo. Los ácidos grasos lipídicos constituyen una rica fuente de energía para el crecimiento microbiano. De forma similar, algunos microorganismos crecen bien en hidrocarburos del petróleo en condiciones aerobias. Catabolismo de proteínas y aminoácidos Algunas bacterias y hongos pueden utilizar proteínas como fuente de carbono y energía. Secretan enzimas proteasas que hidrolizan las proteínas y los polipéptidos a aminoácidos, que son transportados al interior de la célula y catabolizados. El primer paso en el catabolismo de los aminoácidos es la desaminación, la eliminación del grupo amino de un aminoácido. Este proceso a menudo se realiza por transaminación. El grupo amino es transferido desde el aminoácido a un aceptor acetoácido. El ácido orgánico resultante de la desaminación puede convertirse en piruvato, acetil-CoA o en un producto intermedio del ciclo de los ATC y ser oxidado finalmente en este ciclo para liberar energía. También puede ser utilizado como 4 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 fuente de carbono para la síntesis de componentes celulares. El exceso de nitrógeno procedente de la desaminación puede excretarse como ion amonio, que alcalinizará el medio. Obtención de energía: respiración aerobia y anaerobia Ciclo de los ácidos tricarboxílicos Cuando el piruvato es degradado de forma aerobia a CO2 (tercera etapa del catabolismo) se libera una cantidad mucho mayor de energía que de la simple degradación de la glucosa a piruvato por las vías anteriormente descritas. El sistema denominado complejo piruvato deshidrogenasa oxida en primer lugar el piruvato para formar CO2 y acetil-CoA. El sustrato del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ATC), ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs es la acetil-CoA. La forma tradicional de considerar el ciclo es sobre la base de sus productos intermedios y finales y de los procesos químicos que intervienen en cada paso. En la primera reacción, la acetil- CoA se condensa con un producto intermedio de cuatro carbonos, el oxaloacetato, para formar citrato y comenzar la etapa de seis carbonos. El citrato (un alcohol terciario) se reorganiza para dar isocitrato, un alcohol secundario que se oxida con mayor rapidez. El isocitrato se oxida posteriormente y se descarboxila dos veces para formar α-cetoglutarato y, a continuación, succinil-CoA. En este punto del ciclo se forman dos NADH y se pierden dos átomos de carbono en forma de CO2. Debido a que se añadieron dos carbonos como acetil-CoA al inicio del ciclo, se mantiene el equilibrio y no existe una pérdida neta de carbono. El ciclo entra en este momento en la etapa de cuatro carbonos, durante la cual dos pasos de oxidación producen 1 FADH y 1 NADH por cada molécula de acetil-CoA. Además, se produce GTP (una molécula de alta energía equivalente al ATP) a partir de la succinil-CoA mediante fosforilación a nivel de sustrato. Por último, se vuelve a formar oxaloacetato que queda listo para unirse a otra molécula de acetil-CoA. Otra forma de considerar el ciclo de los ATC es sobre la base de su función como vía que oxida la acetil-CoA a CO2. Desde esta perspectiva, el primer paso es la unión de un grupo acetilo al transportador del grupo acetilo, oxaloacetato, para formar citrato. La segunda etapa comienza con el citrato y termina con la formación de succinil-CoA. Aquí, la parte transportadora del grupo acetilo del citrato pierde dos carbonos al oxidarse y forma 2 CO2. La tercera y última etapa convierte la succinil- CoA de nuevo en oxaloacetato, el transportador del grupo acetilo, de forma que puede aceptar otro grupo acetilo. Las enzimas del ciclo de los ATC están ampliamente distribuidas entre los microorganismos. El ciclo completo parece ser funcional en muchas bacterias aerobias, protozoos de vida libre y en casi todas las algas y hongos. Este hecho no es sorprendente dado que este ciclo es una fuente muy importante de energía. Sin embargo, el anaerobio facultativo E. coli no utiliza el ciclo completo de los ATC en condiciones anaerobias o cuando la concentración de glucosa es alta, pero sí en otras ocasiones. Incluso los microorganismos que carecen del ciclo completo de los ATC tienen la mayoría de las enzimas del ciclo, ya que una de las principales funciones de éste es proporcionar esqueletos de carbono para su uso en funciones biosintéticas. Cadena transportadora de electrones La cadena transportadora de electrones mitocondrial está compuesta de una serie de transportadores de electrones que operan conjuntamente para transferir electrones de dadores, como el NADH y el FADH2, a aceptores, como el O2. Los electrones fluyen desde los transportadores con potenciales de reducción más negativos a los transportadores con potenciales más positivos y, finalmente, se combinan con O2 y H+ para formar agua. Los electrones se mueven hacia abajo respecto al gradiente 5 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 de potencial, de modo análogo al agua en una serie de torrentes en cadena. La diferencia en los potenciales de reducción entre el O2 y el NADH es grande, unos 1.14 voltios, y hace posible la liberación de una gran cantidad de energía. El cambio de potencial en algunos puntos de la cadena es suficientemente grande como para proporcionar la energía necesaria para producir ATP, en analogía a la energía de una cascada que puede ser aprovechada para obtener energía eléctrica. Es decir, la cadena transportadora de electrones descompone la intensa liberación de energía global en pequeños pasos. Parte de la energía liberada es atrapada en forma de ATP. Como se verá en breve, el transporte de electrones en estos puntos puede generar gradientes de protones y eléctricos, de los que podrá derivarse la síntesis de ATP. Los transportadores de la cadena transportadora de electrones se encuentran en la membrana interna de la mitocondria o en la membrana plasmática bacteriana. El sistema mitocondrial está organizado en cuatro complejos de transportadores, cada uno de ellos capaz de transportar electrones a lo largo de parte del trayecto hasta el O2. La coenzima Q y el citocromo c conectan los complejos entre sí. El proceso por el que se utiliza la energía procedente del transporte de electrones para sintetizar ATP recibe el nombre de fosforilación oxidativa. Así, pueden sintetizarse hasta 3 moléculas de ATP a partir de ADP y Pi cuando un par de electrones pasan del NADH a un átomo de O2. Esto es lo mismo que decir que la relación fósforo/oxígeno (P/O) es igual a 3. Debido a que los electrones procedentes del FADH2 sólo pasan por dos puntos de fosforilación oxidativa, la relación P/O máxima para el FADH2 es 2. Sin embargo, las relaciones P/O reales pueden ser inferiores a 3.0 y 2.0 en las mitocondrias de eucariotas. El comentario anterior se ha centrado en la cadena transportadora de electrones de la mitocondria eucariótica y, aunque algunas cadenas bacterianas son semejantes a la cadena mitocondrial, a menudo son muy diferentes. Varían en sus transportadores de electrones (p. ej., en sus citocromos) y pueden estar muy ramificadas; es decir, los electrones a menudo pueden entrar en diversos puntos y salir a través de varias oxidasas terminales. Las cadenas bacterianas también pueden ser más cortas y tener relaciones P/O menores que las cadenas transportadoras mitocondriales. Por tanto, las cadenas transportadoras de electrones procarióticas y eucarióticas se diferencian en detalles de construcción, aunque operan utilizando los mismos principios fundamentales. Las cadenas transportadoras de electrones de Escherichia coli y Paracoccus denitrificans servirán como ejemplos para definir estas diferencias. Aunque también transporta electrones del NADH a aceptores y mueve protones a través de la membrana plasmática, la cadena de E. coli es diferente de la mitocondrial. Por ejemplo, está ramificada y contiene un diferente patrón de citocromos. La coenzima Q o ubiquinol dona electrones a ambas ramas, pero funcionan en diferentes condiciones de crecimiento. La rama del citocromo d tiene una muy alta afinidad por el oxígeno y funciona a bajas concentraciones de oxígeno. No es tan eficiente como la rama del citocromo o ya que no bombea activamente protones. La rama del citocromo o tiene una moderada afinidad por el oxígeno, bombea protones, y opera a más altas concentraciones de oxígeno. Paracoccus denitrificans es una bacteria Gram negativa, anaerobia facultativa del suelo, que puede crecer heterotróficamente con una variedad de nutrientes, o bien, autotróficamente en presencia de H2 y CO2 utilizando NO3- como aceptor de electrones. Dicho de otro modo, la bacteria puede realizar tanto una respiración aerobia como anaerobia, utilizando en este caso nitrato como aceptor de electrones. La cadena transportadora de electrones aerobia tiene cuatro complejos que se corresponden con la cadena mitocondrial. Además de los dadores como NADH y succinato, Paracoccus oxida metanol y metilamina, y puede crecer con ellos como única fuente de carbono. Los electrones entran 6 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 en la cadena a nivel del citocromo c. El metanol es oxidado a formaldehído, que es convertido en CO2 e incorporado al ciclo de Calvin. Cuando la bacteria crece en condiciones anaerobias con nitrato como aceptor final de electrones, la cadena se estructura de forma diferente. El complejo del citocromo aa3 no funciona. Los electrones van desde el citocromo c a las enzimas nitrito reductasa, óxido nítrico reductasa y óxido nitroso reductasa. La nitrato reductasa recibe electrones desde la coenzima Q. Mediante esta reorganización no atraviesan la membrana tantos protones, pero permite el crecimiento en condiciones anaerobias. Fosforilación oxidativa El mecanismo por el que tiene lugar la fosforilación oxidativa se ha estudiado intensamente durante años. Actualmente, la hipótesis más aceptada sobre cómo se produce la fosforilación oxidativa es la hipótesis quimiosmótica. Según esta hipótesis, formulada inicialmente en 1961 por el bioquímico británico Peter Mitchell, la cadena transportadora de electrones está organizada de forma tal que los protones son transportados hacia fuera de la matriz mitocondrial o de la membrana plasmática de procariotas y los electrones hacia dentro de ésta. El movimiento de protones puede deberse a la acción de transportadores, o bien, a la acción de bombas de protones especiales que obtienen su energía del transporte de electrones. El resultado es una fuerza motriz de protones (FMP), formada por un gradiente de protones y un potencial de membrana debido a la distribución desigual de las cargas. Cuando los protones vuelven a la matriz mitocondrial (o al citoplasma) por la fuerza motriz de protones, se sintetiza ATP en una inversión de la reacción hidrolítica del ATP. La fuerza motriz de protones también puede impulsar el transporte de moléculas a través de membranas y la rotación de los flagelos de las bacterias, así, es evidente su intervención significativa en la fisiología de la célula procariota. La hipótesis quimiosmótica es aceptada por la mayoría de los microbiólogos. Existe un amplio conjunto de pruebas que sugieren la generación de gradientes de protones y de carga a través de membranas. Sin embargo, las pruebas de los gradientes de protones como fuerza motriz directa de la fosforilación oxidativa todavía no son concluyentes. En algunas bacterias halófilas marinas pueden utilizarse iones de sodio para impulsar la síntesis de ATP. ¿Cómo se usa la fuerza protonmotriz generada por el transporte electrónico para sintetizar ATP? Curiosamente, existe un fuerte paralelismo entre el mecanismo de síntesis de ATP y el mecanismo del motor que dirige la rotación del flagelo bacteriano. Análogamente a cómo la disipación de la FPM genera el par de torsión que hace rotar el flagelo bacteriano, también crea un par de fuerzas en un gran complejo proteico de la membrana que sintetiza ATP. Este complejo se llama ATPasa. La ATPasa está formada por dos componentes, un complejo multiproteico llamado F1, encarado hacia el citoplasma y que lleva a cabo la síntesis de ATP, y un componente integrado en la membrana llamado F0, que desempeña la función de translocación de iones. La ATPasa cataliza una reacción reversible entre el ATP y el ADP + P¡. y su estructura está muy conservada en todos los dominios de la vida. F1 y F0 son en realidad dos motores rotatorios. El movimiento de H+ a través de F0 hacia el citoplasma está acoplado a la rotación de sus proteínas c. Esto genera un par de fuerzas que se transmite a F1 mediante la rotación acoplada de las subunidades γε. La rotación causa cambios conformacionales en las subunidades β de F1 que les permiten unir ADP + Pi. El ATP se sintetiza cuando las subunidades β vuelven a su conformación original. Cuando esto ocurre, la energía libre de la rotación se libera y se acopla a la síntesis de ATP. La medición cuantitativa del número de H+ consumidos por la ATPasa por cada ATP sintetizado dan un valor de entre 3 y 4. 7 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 Reversibilidad de la ATPasa La ATPasa es reversible. La hidrólisis de ATP proporciona un par de fuerzas para la rotación de γε en sentido contrario al que se da en la síntesis de ATP, y esto bombea H+ desde el citoplasma al medio externo a través de F0. El resultado neto en este caso es la generación en lugar de la disipación de fuerza protonmotriz. La reversibilidad de la ATPasa explica por qué contienen ATPasas las bacterias fermentadoras estrictas que carecen de cadenas de transporte de electrones y son incapaces de llevar a cabo la fosforilación oxidativa. Muchas reacciones importantes de la célula, como la rotación de los flagelos y algunas formas de transporte, están vinculadas a la energía de la FPM en vez de estarlo directamente al ATP. Así, la ATPasa de organismos incapaces de respirar, como las bacterias del ácido láctico, que son fermentadoras estrictas, funcionan de manera unidireccional generando esta FPM necesaria para las funciones celulares a partir del ATP formado en la fermentación durante la fosforilación a nivel de sustrato. Muchas sustancias químicas inhiben la síntesis aerobia de ATP, pudiendo incluso matar las células a concentraciones suficientemente altas. Estos inhibidores generalmente se encuadran en dos categorías. Algunos bloquean directamente el transporte de electrones. El antibiótico piericidina compite con la coenzima Q; el antibiótico antimicina A bloquea el transporte de electrones entre los citocromos b y c; y tanto el cianuro como la azida detienen la transferencia de electrones entre el citocromo a y el O2 debido a que son análogos estructurales del O2. Otro grupo de inhibidores conocidos como desacoplantes detienen la síntesis de ATP sin inhibir el propio transporte de electrones. De hecho, pueden incluso aumentar la velocidad del flujo de electrones. Normalmente, el transporte de electrones está estrechamente acoplado a la fosforilación oxidativa de forma que la velocidad de síntesis de ATP controla la velocidad del transporte de electrones. Cuanto mayor es la rapidez con la que se sintetiza el ATP durante la fosforilación oxidativa, más rápido opera la cadena transportadora de electrones para proporcionar la energía necesaria. Los desacoplantes desconectan la fosforilación oxidativa del transporte de electrones; por consiguiente, la energía liberada por la cadena se pierde en forma de calor en lugar emplearse para sintetizar ATP. Muchos desacoplantes como el dinitrofenol y la valinomicina pueden permitir el paso de iones de hidrógeno y potasio, así como de otros iones a través de la membrana sin activar la ATPasa. De esta forma, eliminan los gradientes de pH e iónicos. La valinomicina también puede unirse directamente a la ATPasa e inhibir su actividad. Respiración anaerobia En condiciones anóxicas ciertos procariotas pueden usar aceptores de electrones diferentes del oxígeno para llevar a cabo la respiración que, en ese caso, recibe el nombre de respiración anaerobia. Algunos de los aceptores de electrones que se utilizan en la respiración anaeróbica son el nitrato (NO3-, reducido a nitrito, NO2-, por E. colí o a N2 por especies de Pseudomonas), el hierro férrico (Fe3+, reducido a Fe2+ por especies de Geobacter), el sulfato (SO42-, reducido a sulfuro de hidrógeno, H2S, por especies de Desulfovibrio), el carbonato (CO32-, reducido a metano, CH4, por metanógenos o a acetato por acetógenos), e incluso algunos compuestos orgánicos como el fumarato, producto intermedio del ciclo del ácido cítrico. Reducción de nitrato y desnitrificación Los compuestos de nitrógeno inorgánicos forman parte de los aceptares de electrones más habituales en la respiración anaerobia. Uno de los aceptores de electrones alternativos más habituales con fines desasimiladores es el nitrato (NO3-), que se puede reducir con dos electrones a nitrito (NO2-), o más todavía a óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N2O) o nitrógeno molecular (N2). El NO, el N2O y el N2, 8 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 al ser gases, se pueden dispersar en el ambiente, y su producción biológica se llama desnitrificación. Para la agricultura, la desnitrificación es un proceso perjudicial, porque elimina del suelo nitrato, que a menudo se añade en los fertilizantes. Sin embargo, para un proceso como el tratamiento de aguas residuales, la desnitrificación es beneficiosa porque elimina de los vertidos de aguas residuales el nitrógeno fijado, que es uno de los grandes estimuladores del crecimiento de las algas en ríos y lagos. Bioquímica de la reducción desasimiladora de nitrato La enzima que cataliza la primera etapa de la reducción desasimiladora de nitrato es la nitrato- reductasa, una enzima asociada a la membrana que contiene molibdeno y cuya síntesis está inhibida por el oxígeno. Todas las enzimas posteriores de la ruta están reguladas de manera coordinada, de modo que también son inhibidas por el oxígeno. Pero para que estas enzimas se expresen totalmente, además de condiciones anóxicas, tiene que haber también nitrato en el medio. El primer producto de la reducción del nitrato es el nitrito (NO2-), y después actúa la nitrito-reductasa reduciéndolo a óxido nítrico (NO). Algunos organismos pueden reducir el nitrito a amoniaco (NH3) en un proceso desasimilador, pero lo más importante de ese proceso es la producción de productos gaseosos -desnitrificación-, porque algunos productos de la desnitrificación, especialmente el óxido nitroso (NO2) y el óxido nítrico (NO), causan un impacto ambiental. El óxido nitroso se puede convertir en óxido nítrico por efecto de la luz del sol, y este reacciona con el ozono (O3) en la parte superior de la atmósfera para formar nitrito. Cuando llueve, el nitrito vuelve a la Tierra en forma de ácido nitroso (HNO2) en la lluvia ácida. La bioquímica de la reducción desasimiladora del nitrato se ha estudiado con detalle en E. coli, en la que el nitrato se reduce únicamente a nitrito, y en Paracoccus denitrificans y Pseudomonas stutzeri, en los que se produce desnitrificación. La nitrato-reductasa de E. coli acepta electrones de un citocromo de tipo b. A causa del potencial de reducción del par NO3-/NO2- (+0,43 V), durante la reducción de nitrato se bombean menos protones que en la respiración aerobia (O2/H2O, +0,82 V). En P. denitrificans y P. stutzeri se forman óxidos de nitrógeno a partir del nitrito por acción de las enzimas nitrito-reductasa, óxido nítrico-reductasa y óxido nitroso-reductasa. Durante estas reacciones de transporte de electrones se establece una fuerza protonmotriz que se acopla a la ATPasa. Reducción de sulfato y de azufre Algunos compuestos inorgánicos del azufre son aceptores importantes de electrones en la respiración anaerobia. El sulfato (SO42-), la forma más oxidada de azufre es reducido por las bacterias reductoras de sulfato (o sulfatorreductoras), un grupo muy diverso de bacterias anaerobias estrictas de amplia distribución en la naturaleza. El producto final de la reducción del sulfato es el sulfuro de hidrógeno (H2S). Es necesario distinguir entre metabolismo del sulfato asimilador y desasimilador. Muchos organismos, plantas, algas, hongos y la mayoría de los procariotas incorporan sulfato para cubrir necesidades de azufre para la biosíntesis; se trata de un metabolismo asimilador. En cambio, la capacidad de utilizar sulfato como aceptor de electrones para fijar energía requiere una reducción a gran escala y está restringida a las bacterias reductoras de sulfato. Estos organismos producen sulfuro de hidrógeno en grandes cantidades y lo excretan de las células, de manera que queda libre para poder ser oxidado por el aire, usado por otros organismos o combinado con metales para formar sulfuros metálicos. Bioquímica de la reducción de sulfato El sulfato es un aceptor de electrones mucho menos favorable que el oxígeno o el nitrato. No obstante, de la reducción del sulfato se obtiene la energía libre suficiente para sintetizar ATP cuando un donador de electrones es oxidado y produce NADH o FADH. Prácticamente todas las especies utilizan 9 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 hidrógeno (H2), mientras que el uso de otros donadores está más restringido. Por ejemplo, el lactato y el piruvato son ampliamente usados por especies que viven en ambientes anóxicos de agua dulce, mientras que el uso del acetato y de ácidos grasos de cadena larga está más extendido entre las bacterias reductoras de sulfato marinas. Se conocen muchos tipos morfológicos y fisiológicos de bacterias reductoras de sulfato, y a excepción de Archaeoglobus, un género de Archaea, todos los organismos reductores de sulfato conocidos son bacterias. En la reducción desasimiladora del sulfato, el sulfato del APS (adenosina 5-fosfosulfato) es reducido directamente a sulfito (SO32-) por la enzima APS reductasa con liberación de AMP. En la reducción asimiladora se añade otro fosfato al APS para formar fosfosulfato de fosfoadenosina y solo entonces se reduce el sulfato. No obstante, en ambos casos el producto de la reducción del sulfato es el sulfito (SO32-). Una vez que se ha formado el sulfito, es reducido a sulfuro de hidrógeno mediante la actividad de la sulfito-reductasa. Durante la reducción desasimiladora de sulfato, las reacciones de transporte de electrones generan fuerza proton motriz y ésta impulsa la síntesis de ATP por acción de la ATPasa. Un transportador de electrones importante en este proceso es el citocromo c3, un citocromo periplasmático de potencial bajo. El citocromo c3 acepta electrones de una hidrogenasa periplasmática y los transfiere a un complejo proteínico asociado a la membrana. Este complejo, llamado Hmc, transporta los electrones a través de la membrana citoplasmática y los transfiere a la APS-reductasa y la sulfito-reductasa, enzimas citoplasmáticas que generan sulfito y sulfuro, respectivamente. La hidrogenasa desempeña una función fundamental en la reducción de sulfato si Desulfovibrio está creciendo en hidrógeno per se o en un compuesto orgánico como el lactato, porque éste se convierte en acetato a través del piruvato (la mayor parte del acetato se excreta o se asimila en forma de material celular porque Desulfovibrio no puede oxidar el acetato a CO2) con producción de hidrógeno. Este hidrógeno atraviesa la membrana citoplasmática y es oxidado por la hidrogenasa periplasmática; los electrones resultantes vuelven al sistema y los protones generan fuerza protonmotriz. Por cada molécula de sulfato reducida a HS- por parte del hidrógeno se produce una molécula neta de ATP mediante la reacción siguiente: Cuando el donador de electrones es el lactato o el piruvato, se produce ATP no solo a partir de la fuerza protonmotriz, sino también por fosforilación a nivel de sustrato durante la oxidación del piruvato (a través de la acetil-CoA y del fosfato de acetilo) a acetato y CO2. Las especies de bacterias sulfatorreductoras marinas, pero no las de agua dulce, pueden acoplar la oxidación del acetato y los ácidos grasos de cadena larga a CO2 y la reducción de sulfato: El mecanismo de oxidación del acetato en la mayoría de estas especies es la ruta de la acetil-CoA, una serie de reacciones reversibles utilizadas por muchos anaerobios para la síntesis o la oxidación de acetato. Unas pocas bacterias reductoras de sulfato también pueden crecer autotróficamente con hidrógeno. En estas condiciones, los organismos usan la ruta de la acetil-CoA para producir acetato como fuente de carbono. Estas especies se pueden cultivar en un medio carente de compuestos orgánicos y que contenga solamente sales minerales, sulfato, CO2 e hidrógeno. Metabolismos especiales de las bacterias reductoras de sulfato Algunas especies de bacterias reductoras de sulfato pueden catalizar reacciones poco frecuentes no características de todas las especies, como son la dismutación, la oxidación de fosfito y la reducción 10 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 de azufre. La dismutación es un proceso por el cual una molécula de una sustancia es oxidada y una segunda molécula es reducida, de manera que se forman dos productos diferentes. Por ejemplo, Desulfovibrio sulfodismutans puede dismutar el tiosulfato (S-SO3-) como sigue: Obsérvese que en esta reacción el átomo de azufre de la derecha del compuesto S-SO3-es oxidado (para formar SO4-) mientras que el átomo de la izquierda es reducido (y forma H2S). La energía libre disponible que procede de la oxidación del tiosulfato por D. suifodismutans es insuficiente para acoplar la fosforilación a nivel de sustrato, así que en cambio se acopla a una bomba de protones que establece una fuerza protonmotriz. Otros compuestos reducidos de azufre como el sulfito (SO32-) y el azufre elemental (S0) también se pueden dismutar. Estas formas de metabolismo del azufre permiten a las bacterias reductoras de sulfato recuperar energía de los productos intermedios de azufre producidos en la oxidación del sulfuro de hidrógeno por los quimiolitótrofos del azufre que coexisten con ellas en la naturaleza y también de los productos intermedios generados en su propio metabolismo durante la reducción del sulfato. Al menos una bacteria reductora de sulfato puede acoplar la oxidación de fosfito (HPO3-) con la reducción de sulfato. Esta reacción quimiolitotrófica produce fosfato y sulfuro: Esta bacteria, Desulfotignum phosphitoxidans, es autótrofa y anaerobia estricta, pues el fosfito se oxida espontáneamente en presencia de aire. Las fuentes naturales de fosfito probablemente sean los compuestos organofosforados llamados fosfonatos, que son generados por la degradación anóxica de varios compuestos orgánicos de fósforo. Junto con la dismutación del azufre (que también es un proceso quimiolitotrófico) y la utilización del hidrógeno molecular, la oxidación del fosfito resalta la diversidad de reacciones quimiolitotróficas que llevan a cabo estas bacterias. Reducción del azufre Además del sulfato, la mayoría de las bacterias reductoras de sulfato también pueden obtener energía de la reducción del azufre elemental a sulfuro (So + H2 - H2S). Además, una serie de bacterias y arqueas que no son reductoras de sulfato también pueden reducir azufre en la respiración anaerobia. Son los procariotas reductores de azufre, un grupo numeroso que normalmente coexiste con las bacterias reductoras de sulfato en hábitats anóxicos ricos en azufre. Los electrones para la reducción del azufre proceden del hidrógeno o de algún o algunos compuestos orgánicos. Por ejemplo, Desulfuromonas acetoxidans puede oxidar acetato o etanol a CO2 acoplado a la reducción de azufre a sulfuro de hidrógeno. Los reductores de azufre carecen de la capacidad para activar el sulfato a APS y esto presumiblemente les impide usar el sulfato como aceptor de electrones. Desulfuromonas contiene varios citocromos, entre ellos un análogo del citocromo c3, que es un transportador de electrones fundamental en las bacterias reductoras de sulfato. En cultivo, algunos reductores de azufre como Desulfuromonas también pueden usar también Fe3+ como aceptar de electrones en lugar del azufre, pero el azufre es probable que sea el principal aceptor de electrones utilizado en la naturaleza. Fermentaciones A pesar del enorme rendimiento de ATP obtenido mediante fosforilación oxidativa, algunos microbios quimioorganótrofos no realizan la respiración debido a que carecen de cadenas de transporte de electrones, o bien porque reprimen la síntesis de algunos componentes de la cadena de transporte de 11 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 electrones en condiciones anóxicas, haciendo imposible la respiración anaerobia. Sin embargo, el NADH producido por las reacciones de la vía de Ernbden-Meyerhof durante la glucólisis debe ser oxidado para regenerar el NAD+. Si el NAD+ no se regenerara, la oxidación de gliceraldehído 3-fosfato cesaría y la glucólisis se detendría. Muchos microorganismos resuelven este problema ralentizando o deteniendo la actividad de la piruvato deshidrogenasa, y usando piruvato (o uno de sus derivados) como aceptar de electrones para la reoxidación de NADH en un proceso de fermentación. Al estudiar las fermentaciones microbianas, es importante tener en cuenta que poseen tres aspectos comunes: (1) el NADH es oxidado a NAD+, (2) el aceptar de electrones suele ser piruvato o un derivado de piruvato, y (3) la fosforilación oxidativa no puede funcionar, lo cual disminuye significativamente el rendimiento de ATP por molécula de glucosa. En la fermentación, el sustrato solo se oxida parcialmente, el ATP se forma exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato, y no se necesita oxígeno. Muchas bacterias. especialmente miembros de la familia Enterobacteriaceae, pueden metabolizar el piruvato para formar ácido fórmico y otros productos, en un proceso denominado fermentación acidofórmica. El ácido fórmico puede ser convertido en H2 y CO2 por la hidrogenil-liasa fórmica (una combinación de al menos dos enzimas). Hay dos tipos de fermentación acidofórmica. La fermentación acidomixta da lugar a la excreción de etanol y una mezcla compleja de ácidos, particularmente acético, láctico, succínico. y fórmico. Si está presente la hidrogenil-liasa fórmica, el ácido fórmico es degradado a H2 y CO2. Este patrón es observado en Escherichia, Salmoriella, Proteus y otros géneros. El segundo tipo, la fermentación butanodiólica, es característica de Enterobacter, Serratia, Erwinia y algunas especies de Bacillus. El piruvato se convierte en acetoína, la cual es reducida a 2,3-butanodiol usando NADH. También se produce una gran cantidad de etanol, y cantidades menores de los ácidos producidos en la fermentación acidomixta. Fermentación alcohólica. La fermentación alcohólica viene expresada por la ecuación de Gay-Lussac, en la que a partir de una hexosa se obtiene etanol y dióxido de carbono. Sin embargo, en la obtención de alimentos fermentados, no se tiene una fermentación alcohólica pura ya que una cierta proporción de moléculas de azúcar es degradada siguiendo una fermentación gliceropirúvica. Junto a la glicerina aparece como producto de fermentación ácido pirúvico, eventualmente descarboxilado a acetaldehído, pero que no puede ser reducido a etanol, por lo que es el origen de productos secundarios que se forman en anaerobiosis. En la fermentación alcohólica, el ácido pirúvico producido en la glicolisis es descarboxilado a acetaldehído, que es reducido a etanol por medio del NADH2 que se ha formado en la glicolisis durante la oxidación del gliceraldehído-3-fosfato. Las dos reacciones están acopladas y constituyen un mecanismo de óxido-reducción. No obstante, al inicio de la glicolisis no existe acetaldehído presente en el medio y, en consecuencia, el NADH2 no puede ser oxidado. La re-oxidación se produce a expensas del fosfato de dihidroxi-acetona, que es reducido a glicero-fosfato e hidrolizado a glicerina. Existe, por tanto, un periodo de inducción durante el cual se produce una fermentación glicero-pirúvica en la que el piruvato formado, o el acetaldehído proveniente de su descarboxilación, no puede ser reducido a etanol y se acumula en el medio; el acetaldehído formado permite activar la fermentación alcohólica y el ácido pirúvico es el origen de toda una serie de productos secundarios Fermentación láctica. La ruta metabólica de la fermentación láctica comienza con la glucosa y como producto final se obtiene ácido láctico; en algunos casos es el único producto final (fermentación homoláctica) y en otras se produce, además, etanol, acetato y otros subproductos (fermentación heteroláctica). 12 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 Fermentación homoláctica. Su producto mayoritario es el ácido láctico. La capacidad de realizar la fermentación homoláctica reside en la actividad de la enzima FDP aldolasa. La molécula inicial de glucosa se transforma en una molécula de fructosa 1,6-bifosfato, con el consumo de dos moléculas de ATP. Mediante la acción de la FDP aldolasa, la fructosa 1,6-bifosfato da lugar a una molécula de gliceraldehido 3-fosfato y una molécula de dihidroxiacetona fosfato, que sin consumo de energía da lugar a otra molécula de gliceraldehido 3-fosfato, con lo que la molécula inicial de glucosa se transforma en dos moléculas de gliceraldehido3-fosfato, dando un lactato y 2 ATP. Fermentación heteroláctica. En este tipo de fermentación se produce además de lactato, etanol y CO2, y cantidades inferiores de acético, fórmico y glicerol por rutas alternativas. Las bacterias heterofermentativas no poseen aldolasas ni cetodesoxi fosfogluconato aldolasas; la vía heterofermentativa se basa en el catabolismo de las pentosas, que pueden obtenerse por transporte hacia el interior de la célula o por descarboxilación intracelular de las hexosas. En cualquier caso, la pentosa se transforma en xilulosa-5-fosfato empleando la ribulosa-5-fosfato como intermediario. La xilulosa-5-fosfato se hidroliza gracias a la fosfocetolasa para dar gliceraldehído-3-fosfato y una unidad de dos átomos de carbono que puede convertirse en acetaldehído, acetato o etanol. Aunque esta ruta genera una molécula de ATP, ofrece a las células la ventaja de poder emplear las pentosas que los homolácticos son incapaces de catabolizar. Algunas especies de Lactobacillus se caracterizan por ser heterofermentativas facultativas. Las hexosas constituyen la fuente de carbono preferida y son metabolizdas por la vía homofermentativa. Si sólo disponen de pentosas, las células se hacen heterofermentativas. Cuando crecen a concentraciones bajas de hexosas, no se produce suficiente fructosa-1,6-difosfato para activar su lactato deshidrogenasa, lo que les hace cambiar hacia el catabolismo heterofermentativa. Fermentaciones sin fosforilación a nivel de sustrato Algunas fermentaciones no producen la energía suficiente para sintetizar ATP por fosforilación a nivel de sustrato, y sin embargo sustentan el crecimiento anaerobio sin aceptores de electrones adicionales. En estos casos, el catabolismo del compuesto está vinculado a las bombas de iones que establecen una fuerza protonmotriz o una fuerza sodiomotriz a través de la membrana citoplasmática. Propionigenium modestum se aisló por primera vez en cultivos de enriquecimiento anóxicos que carecían de aceptores de electrones y a los que se suministraba succinato como donador de electrones. Propionigenium habita en sedimentos marinos y de agua dulce y también se puede aislar de la cavidad bucal humana. El organismo es un pequeño bacilo gramnegativo y, filogenéticamente, es una especie de Fusobacteria. Durante los estudios sobre la fisiología de P. modestum se observó que necesita cloruro de sodio (NaCl) para crecer y catabolizar el succinato en condiciones estrictamente anóxicas: 2- - - Succinato + H2O propionato + HCO3 Esta descarboxilación libera una cantidad de energía libre que resulta insuficiente para la síntesis de ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato, pero que basta para bombear un ion sodio (Na+) del citoplasma al periplasma a través de la membrana citoplasmática. La obtención de energía en Propionigenium está, pues, unida a la fuerza sodiomotriz resultante; en la membrana de este organismo que usa la fuerza sodiomotriz para sintetizar ATP existe una ATPasa transportadora de sodio. En una reacción de descarboxilación relacionada, la bacteria Malonomonas descarboxila el malonato, que es un ácido dicarboxílico C3, para dar acetato y CO2. Al igual que en el caso de Propionigenium, el 13 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 9 metabolismo energético de Malonomonas está unido al Na+ y a una ATPasa impulsada por sodio. Pero la energía libre disponible de la fermentación del malonato por parte de Malonomonas (-17,4 kJ) es todavía menor que la de la fermentación del succinato por parte de P. modestum. Sporomusa, una bacteria formadora de endosporas que es también un acetógeno también es capaz de fermentar el malonato. Oxalobacter formigenes es una bacteria presente en el intestino de los animales, incluidos los humanos. Cataboliza el ácido dicarboxílico oxalato para dar formiato y CO2. La degradación del oxalato por parte de O. formigenes se considera importante en el colon de los humanos para prevenir la acumulación de oxalato, una sustancia que puede formar piedras de oxalato de calcio en los riñones. O. formigenes es una bacteria gramnegativa anaerobia estricta que lleva a cabo la reacción siguiente: 2- - - Oxalato + H2O formiato + HCO3 Al igual que sucede con el catabolismo del succinato por parte de P. modestum, esta reacción no proporciona suficiente energía para impulsar la síntesis de ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo, la reacción sustenta el crecimiento del organismo porque la descarboxilación del oxalato es exergónica y produce formiato, que es excretado por la célula, ya que el consumo interno de protones durante la oxidación del oxalato y la producción de formiato es, en efecto, una bomba de protones; una molécula divalente (oxalato) entra en la célula al mismo tiempo que se excreta una molécula monovalente (formiato). El intercambio continuado de oxalato por formiato establece una fuerza protonmotriz que está acoplada a la síntesis de ATP a través de la ATPasa transportadora de protones de la membrana. Sintrofismo En microbiología existen muchos ejemplos de sintrofismo, una situación en la cual dos organismos diferentes cooperan para degradar una sustancia que ninguno de los dos puede degradar por sí solo. La mayoría de las reacciones sintróficas son fermentaciones secundarias en las que los organismos fermentan los productos de fermentación de otros anaerobios. Muchos compuestos orgánicos se pueden degradar sintróficamente, incluso hidrocarburos aromáticos y alifáticos. Pero los principales compuestos de interés en ambientes sintróficos son los ácidos grasos y los alcoholes. El núcleo de las reacciones sintróficas es la transferencia interespecífica de H2, es decir, la producción de H2 por uno de los miembros de la relación sintrófica, unida al consumo de H2 por el otro miembro. El consumidor de H2 puede ser cualquiera de entre una serie de organismos fisiológicamente distintos: bacterias desnitrificantes, bacterias reductoras de hierro férrico, bacterias reductoras de sulfato, acetógenos o metanógenos. Tomemos la fermentación de etanol a acetato y H2 por el organismo sintrófico Pelotomaculum, acoplada a la producción de metano. Como se puede ver, el organismo sintrófico lleva a cabo una reacción cuyo cambio de energía libre estándar es positivo, de manera que, en un cultivo puro, no crecerá. No obstante, el H2 producido por Pelotomaculm puede ser utilizado como donador de electrones por un metanógeno para producir metano, una reacción exergónica. Si sumamos las dos reacciones, la reacción total es exergónica, y si Pelotomaculum y un metanógeno se cultivan juntos (en cocultivo), ambos organismos crecen estupendamente. 14 Profesor: José Juan Mateo Tolosa