I- MECANISMOS DE OBTENCION DE ENERGIA POR MICROORGANISMOS
QUIMIOHETEROTROFOS
1.- Fermentación
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.
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.
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.