TEMA 10. MICROORGANISMOS HETEROTROFOS

Dr. Pedro F. Mateos

Departamento de Microbiología y Genética. Facultad de Farmacia. Universidad de Salamanca


I- MECANISMOS DE OBTENCION DE ENERGIA POR MICROORGANISMOS QUIMIOHETEROTROFOS

1.- Fermentación

  • Resultados de la fermentación de la glucosa
  • El efecto Pasteur
  • 2.- Respiración aeróbica
  • Reacciones anapleróticas
  • Ciclo del glioxilato
  • Balance energético de la respiración aeróbica



  • I.- MECANISMOS DE OBTENCION DE ENERGIA POR MICROORGANISMOS QUIMIOHETEROTROFOS

    Como ya hemos dicho, los organismos quimioheterotrofos son aquellos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía. Estos organismos son los animales, protozoos, hongos y casi todas las bacterias. Las vías utilizadas por los quimioheterotrofos para la oxidación de compuestos orgánicos y la conservación de la energía en ATP se pueden dividir en dos grupos:

    1.- Fermentación: cuando las reacciones redox ocurren en ausencia de cualquier aceptor terminal de electrones.

    2.- Respiración: cuando se utiliza el oxígeno molecular o algún otro agente oxidante como aceptor terminal de electrones. Aeróbica: oxígeno; Anaeróbica: Nitrato, Sulfato, Fumarato, Oxido de Trimetilamina.



    1.- FERMENTACION

    Existen muchos tipos de fermentaciones pero en todas ellas sólo ocurre una oxidación parcial de los átomos de carbono del compuesto orgánico y por lo tanto sólo se produce una pequeña parte de la energía disponible.

    La oxidación en una fermentación está acoplada a la reducción de un compuesto orgánico generado a partir del catabolismo del sustrato inicial, por lo que no son necesarios aceptores externos de electrones. El ATP en la fermentación se produce a partir de la fosforilación a nivel de sustrato. Como consecuencia de la no participación de un aceptor externo de electrones, el sustrato orgánico experimenta una serie de reacciones oxidativas y reductoras equilibradas; los piridín nucleótidos reducidos en un paso del proceso son oxidados en otro. Este principio general se ilustra en dos fermentaciones: la fermentación alcohólica (típica del metabolismo anaeróbico de la glucosa por levaduras) y la fermentación homoláctica (típica del metabolismo de algunas bacterias lácticas). Ambos procesos fermentativos utilizan la ruta Embden-Meyerhof: las dos moléculas de NAD reducidas por esta ruta se reoxidan en reacciones que implican un ulterior metabolismo del piruvato. En el caso de la fermentación homoláctica, esta oxidación ocurre como consecuencia directa de la reducción del ácido pirúvico a ácido láctico. En el caso de la fermentación alcohólica, el ácido pirúvico se descarboxila primero para formar acetaldehído y la reoxidación del NADH ocurre en paralelo con la reducción del acetaldehído para formar etanol.

    Las bacterias pueden producir productos fermentativos finales distintos al ácido láctico y al etanol debido a las diferencias en el metabolismo del ácido pirúvico. Estos productos finales pueden ser ácido fórmico, 2,3 butanodiol, isopropanol, ácido butírico, butanol. La mayor parte de las fermentaciones bacterianas pueden originar varios productos finales, pero ninguna fermentación da lugar a todos los productos finales.

    Resultados de la fermentación de la glucosa. El resultado final de la glicolisis es el consumo de glucosa, la síntesis de 2 ATP y la producción de productos de fermentación. Para el organismo el producto más importante es el ATP y los productos de la fermentación son productos de desecho. Sin embargo, estos productos son muy importantes para el cervecero, panadero, quesero. La fermentación anaeróbica de glucosa por levaduras produce etanol que es el producto principal de las bebidas alcohólicas, y la producción de ácido láctico es el paso inicial en la producción de productos lácteos fermentados incluyendo el queso. Para los panaderos, la producción de CO2 por la fermentación de levaduras es el paso esencial en el esponjamiento del pan.

    El efecto Pasteur se produce en microorganismos capaces de realizar metabolismo fermentador y respiración aerobia (anaerobios facultativos). En presencia de O2 utilizan la respiración aeróbica, pero pueden emplear la fermentación si no hay O2 libre en su medio ambiente. Pasteur fué el primero en observar que el azúcar es convertido en alcohol y CO2 por levaduras en ausencia de aire, y que en presencia de aire se forma muy poco o nada de alcohol, siendo el CO2 el principal producto final de esta reacción aeróbica. Este efecto indica el mayor rendimiento energético de la respiración sobre la fermentación.



    2.- RESPIRACION AEROBICA (Rutas de utilización del piruvato por aerobios)

    La glucosa, tanto en el metabolismo respiratorio como en el fermentativo, se transforma en ácido pirúvico por una de las siguientes rutas:
    a) Embden-Meyerhof (eucariotas y procariotas)
    b) Pentosa fosfato (eucariotas y procariotas)
    c) Entner Doudoroff (sólo en ciertos procariotas como alternativa a la ruta Embden-Meyerhof)

    En la mayor parte de los aerobios, el piruvato sufre una descarboxilación oxidativa catalizada por un sistema enzimático llamado complejo piruvato deshidrogenasa que produce acetil-coenzima A (acetil-CoA). El acetil-CoA es un metabolito precursor que puede entrar en rutas biosintéticas; alternativamente, puede ser oxidado completamente a CO2 a través de una ruta conocida como ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA). Este ciclo es la principal vía de generación de ATP en los heterotrofos aeróbicos (por paso de electrones a través de una cadena transportadora de electrones desde los piridín nucleótidos reducidos). El ciclo TCA genera además tres metabolitos precursores, a-cetoglutarato, succinil-CoA y oxalacetato. El ciclo TCA efectúa la oxidación completa de una molécula de ácido acético a CO2, produce tres moléculas de piridín nucleótidos reducidos, una molécula de ATP y una molécula de FAD reducido (flavoproteína que cede electrones a una cadena de transporte independiente de piridín nucleótidos).

    Reacciones anapleróticas. El ciclo TCA, además de oxidar el acetil CoA (dentro del ciclo) genera metabolitos precursores que son utilizados en la biosíntesis (fuera del ciclo), por lo que requiere un aporte de ácido oxalacético que reponga el utilizado en la síntesis de los metabolitos precursores. Estas reacciones de síntesis de oxalacético se denominan anapleróticas y fundamentalmente consisten en reacciones que carboxilan el piruvato o el fosfoenolpiruvato para obtener oxalacetato. Como resultado, el carbono procedente del piruvato entra en el ciclo por dos rutas: vía acetil-CoA y vía piruvato o fosfoenolpiruvato.

    Ciclo del glioxilato. Durante la oxidación de ácido acético o ácidos grasos que se convierten en acetil-CoA sin la formación intermedia de piruvato, ocurre una modificación especial del ciclo TCA conocida como ciclo del glioxilato. Bajo estas circunstancias no puede generarse oxalacetato a partir de piruvato o fosfoenolpiruvato (anapleróticas) ya que en los microorganismos aeróbicos no existe un mecanismo que sintetice piruvato a partir de acetato. El oxalacetato requerido para la oxidación del acetato se repone mediante la oxidación de succinato y malato, que se produce por una secuencia de dos reacciones. En la primera reacción el isocitrato, que es un intermediario normal del ciclo TCA, se rompe para dar succinato y glioxilato. En la segunda reacción el acetil-CoA se condensa con el glioxilato para formar malato, el precursor inmediato del oxalacetato. Así, el ciclo del glioxilato actúa como una secuencia anaplerótica que permite el funcionamiento normal del ciclo TCA.

    Balance energético de la respiración aeróbica. El TCA produce la completa oxidación del ácido pirúvico en 3 moléculas de CO2 con la producción de 4 moléculas de NADH y una molécula de FADH. El NADH y FADH pueden ser reoxidados a través del sistema de transporte de electrones originando 3 moléculas de ATP por NADH y 2 moléculas de ATP por FADH. También se produce una molécula de ATP por fosforilación a nivel de sustrato en la oxidación de a-cetoglutarato a succinato. En total suman 15 moléculas de ATP por ciclo. Como por cada molécula de glucosa se originan 2 moléculas de ácido pirúvico, en total serían 30 moléculas de ATP. A estos hay que añadir las 2 moléculas de ATP formadas en la glicolisis y los 2 NADH que en presencia de O2 pueden ser reoxidados en el transporte de electrones originando 6 moléculas de ATP. En total son 38 ATP por cada molécula de glucosa que contrastan con los 2 ATP producidos en la fermentación.