Metabolismo y Nutrición Bacteriana

El metabolismo bacteriano es altamente eficiente, derivado de la palabra griega ‘Metabole’ (transformación). Involucra reacciones químicas que transforman nutrientes (agua, hidratos de carbono, lípidos, proteínas) para el crecimiento y otras funciones celulares. La nutrición microbiana se refiere a la obtención de sustancias químicas del ambiente, esenciales para la síntesis de monómeros que construyen estructuras celulares.

Componentes Celulares y Nutrientes

  • Monosacáridos y Polisacáridos: Forman la pared celular y el glicocálix.
  • Aminoácidos y Proteínas: Constituyen la membrana, ribosomas y flagelos.
  • Ácidos Grasos y Lípidos: Forman las membranas celulares.

Macronutrientes Esenciales

  • Carbono: 50% del peso seco celular. Los heterótrofos lo obtienen de compuestos orgánicos, mientras que los autótrofos lo sintetizan a partir de CO2 usando luz.
  • Fósforo: Necesario para ácidos nucleicos y fosfolípidos.
  • Nitrógeno: 12% del peso seco, esencial para proteínas y ácidos nucleicos.
  • Azufre: Componente de aminoácidos como cisteína y metionina.

Micronutrientes y Sales Minerales

Los macronutrientes se requieren en grandes cantidades para la estructura y el metabolismo, mientras que los micronutrientes, en menor cantidad, actúan como cofactores enzimáticos.

  • Ion K+: Activa enzimas y participa en la formación de ácidos teitoicos en bacterias Gram-positivas.
  • Ion Mg2+: Estabiliza ribosomas y ácidos nucleicos, y actúa como cofactor.
  • Ion Ca2+: Cofactor de enzimas y proteinasas.
  • Ion Fe2+: Participa en la respiración a través de citocromos y ferroproteínas. Las bacterias usan sideróforos para captar hierro del ambiente.

Los micronutrientes traza, como metales, actúan como cofactores enzimáticos, y las vitaminas son factores de crecimiento esenciales (B1, B6, B12).

Producción de Energía (ATP)

Las células fosforilan ADP a ATP de tres maneras:

  1. Fosforilación a nivel de sustrato: Transferencia directa de un grupo fosfato de alta energía (fermentación).
  2. Fosforilación oxidativa (respiración): Transferencia de electrones a través de una cadena transportadora, generando un gradiente electroquímico de protones que impulsa la síntesis de ATP (quimiosmosis).
  3. Fotofosforilación (fotosíntesis): Uso de la energía lumínica para generar ATP.

Tipos de Respiración

  • Quimiolitotrofos: Usan sustancias inorgánicas como donantes de electrones.
  • Quimiorganotrofos: Usan sustancias orgánicas como donantes de electrones.
  • Respiración aerobia: El aceptor final de electrones es O2.
  • Respiración anaerobia: El aceptor final de electrones es diferente de O2.

Vías Metabólicas Centrales

Las vías de la glucólisis, pentosas fosfato y Entner-Doudoroff convierten la glucosa en gliceraldehído, que luego se oxida a piruvato.

Fotosíntesis

La fotosíntesis tiene dos fases: catabólica (luminosa) y anabólica (oscura). Puede ser:

  • Oxigénica: En plantas, algas y cianobacterias.
  • Anoxigénica: En bacterias verdes y rojas.
  • No fotosintética: Usan bacteriorrodopsina en lugar de clorofila (arqueas).

Las vías respiratorias y fotosintéticas comparten la oxidación de compuestos y el uso de una cadena transportadora de electrones para generar una fuerza protón-motriz que impulsa la síntesis de ATP.

Genoma Bacteriano

El genoma bacteriano incluye elementos genéticos autorreplicativos: cromosoma (esencial), plásmidos y profagos (prescindibles). El cromosoma de Escherichia coli es un modelo de estudio, con información compactada y operones.

Elementos Genéticos

  • Plásmidos: Conjugativos (median la conjugación) y no conjugativos.
  • Replicación: Bidireccional en ADN circular, usando la técnica de círculo rodante.

Mutaciones

Las mutaciones son cambios heredables en la secuencia de nucleótidos, pueden ser inducidas o espontáneas. Afectan la nutrición, creando auxótrofos (con necesidades nutricionales) a partir de protótrofos. Pueden ser puntuales (sustituciones) o rearreglos. Las reversiones restauran el fenotipo original. El test de Ames evalúa la mutagenicidad y carcinogenicidad.

Transferencia de Información Genética

La transferencia es unidireccional y parcial. El material genético transferido puede recombinarse con el genoma receptor.

  • Transformación: Captación de ADN de doble cadena.
  • Transducción: Transferencia mediada por bacteriófagos (generalizada o especializada).
  • Conjugación bacteriana: Transferencia por contacto celular.
  • Transgénesis: Introducción de ADN extraño en un genoma.

Microorganismos Beneficiosos

Los microorganismos ideales son genéticamente estables, efectivos a bajas concentraciones, con bajos requerimientos nutricionales, resistentes a condiciones adversas y eficaces en un amplio rango. Los sideróforos quelan metales y los mantienen en solución.

Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal

  • Auxinas (Ácido indol acético): Pseudomonas fluorescens.
  • Giberelinas: Azospirillum sp.
  • Citocininas: Pseudomonas sp., Azotobacter sp.
  • Etileno: Pseudomonas putida.

La simbiosis Rizhobium-Leguminosas es eficiente en la fijación de nitrógeno.

Hongos

Los hongos son eucariotas, descomponedores de materia orgánica y promotores del crecimiento vegetal. La mayoría son aerobios (levaduras facultativas anaerobias). Pueden ser unicelulares (levaduras) o pluricelulares (hongos filamentosos). Se reproducen asexualmente por gemación, fragmentación de hifas o esporulación.

Micorrizas

  • Endomicorrizas: Micelio fúngico penetra en la raíz.
  • Ectomicorrizas: Micelio fúngico forma un manto sobre la raíz.

Las bacterias patógenas tienen metabolismo oxidativo, mientras que las fermentativas como Erwinia usan fermentación.