Una característica clave de un sistema vivo es la capacidad de dirigir las reacciones químicas y organizar las moléculas en estructuras específicas. La expresión última de esta organización es la propia replicación (crecimiento). El término metabolismo se refiere a todos los procesos químicos que tienen lugar dentro de una célula.
Las células microbianas están construidas de sustancias químicas de una amplia diversidad de tipos y, cuando una célula crece, todos sus constituyentes químicos aumentan en cantidad apropiada. Los elementos químicos básicos de una célula vienen del exterior, pero estos elementos químicos son transformados por la propia célula en los constituyentes característicos. Los productos químicos exteriores a partir de los cuales se construye una célula se denominan nutrientes. Los nutrientes son tomados por la célula y transformados en constituyentes celulares. El proceso por el que una célula se construye a partir de nutrientes simples tomados del medio exterior se denomina anabolismo. Debido a que el anabolismo da como resultados la biosíntesis bioquímica de nuevo material celular, también se le conoce como biosíntesis.
La biosíntesis es un proceso que requiere energía y, cada célula, debe poseer los medios de generar energía. Las células también necesitan energía para otras funciones tales como movimiento celular (motilidad) y transporte de nutrientes. Como otros nutrientes, la fuente de energía se obtiene también del medio exterior celular, de tal manera que se pueden usar dos fuentes de energía: luz y compuestos químicos. Aunque es cierto que un determinado número de microorganismos obtienen su energía de la luz, la mayor parte lo hacen por oxidación de compuestos químicos. Los productos químicos utilizados como fuentes de energía son rotos en constituyentes más simples y si esto ocurre es cuando se libera la energía. A este proceso se le denomina catabolismos. Las reacciones catabólicas son la parte central de este apartado.
Las enzimas son los biocatalizadores de las células y las reacciones bioquímicas que una célula puede llevar a cabo están en función de su juego de enzimas. En la imagen se muestra un modelo molecular de la lisozima, que cataliza la ruptura de los enlaces glucosídicos en el peptidoglicano y puede por tanto destruir las bacterias.
Generalidades del metabolismo.
El la imagen inferior se muestra una visión simplificada del rnetabolismo celular; en ella se indican cómo las reacciones degradativas suministran la energía necesaria para las funciones celulares y cómo las reacciones anabólicas llevan a cabo la síntesis de componentes celulares a partir de los nutrientes. Nótese que en el anabolismo, los nutrientes del medio exterior son convertidos en componentes celulares, mientras que en el catabolismo, las fuentes de energía del medio son convertidas en productos de desecho.
Clasificación de los microorganismos según el modo de obtención de energía. Es tradicional agrupar a los microorganismos en clases metabólicas dependiendo de la fuente de energía que utilicen. Todos los términos utilizados para describir estas clases emplean la terminación trofo que deriva del griego y significa "alimentarse". Así, los organismos que utilizan luz corno fuente de energía se llaman fototrofos (foto es luz en griego) y los organismos que utilizan productos químicos como fuente de energía se denominan quimiotrofos. La mayor parte de los organismos que estudia la microbiología utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía; pertenecen por tanto a los quimiotrofos y se denominan quimiorganotrofos. Los organismos capaces de utilizar compuestos inorgánicos como fuente de energía se denominan quimiolitotrofos.
El conocimiento del metabolismo celular es esencial para entender la bioquímica del crecimiento microbiano. El conocimiento del metabolismo representa una gran ayuda para el desarrollo de procedimientos de laboratorio para el cultivo de microorganismos, así corno para la obtención de procedimientos útiles que impidan el crecimiento de microorganismos indeseables. Debido a que muchas de las consecuencias prácticas importantes derivadas del crecimiento microbiano, tales como las enfermedades infecciosas o la producción de compuestos útiles, están indudablemente ligados al metabolismo microbiano, un conocimiento de la nutrición y metabolismo microbianos son de gran utilidad en la microbiología médica e industrial.
Nutrición microbiana
Composición química de una célula. Las células contienen grandes cantidades de pequeñas moléculas así como de macromoléculas. La célula, puede obtener la mayoría de las pequeñas moléculas que necesita del exterior o sintetizarlas a partir de moléculas más simples. Las macromoléculas, por el contrario, son siempre sintetizadas en la célula. Aunque hay muchos elementos en la naturaleza, prácticamente la totalidad de la masa celular está formada por sustancias con cuatro tipos de átomos: carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. Estos cuatro elementos constituyen el esqueleto de las macromoléculas así como las moléculas orgánicas pequeñas. Otros elementos son menos abundantes que el C, 0, H y N, pero son igualmente importantes para el conjunto del metabolismo. Éstos incluyen al fósforo, potasio, calcio, magnesio, azufre, hierro, zinc, manganeso, cobre, rnolibdeno, cobalto y otros pocos elementos, dependiendo del organismo.
El agua representa el 90% del peso húmedo de una célula y las macromoléculas la masa global del peso seco. Ahora consideraremos cómo los nutrientes son obtenidos por la célula a partir del medio exterior.
- Carbono y nitrógeno. Los nutrientes pueden ser divididos en dos clases: (1) macronutrientes, los que son requeridos en grandes cantidades y (2) micronutrientes, que lo son solamente en pequeñas cantidades. Empezamos por los macronutrientes mayoritarios: carbono y nitrógeno.
La mayoría, de los procariotas requieren un compuesto orgánico de algún tipo como fuente de carbono. Estudios nutricionales han demostrado que muchas bacterias pueden asimilar varios compuestos de carbono orgánico y utilizarlos para fabricar material celular. Un incontable número de compuestos tales como aminoácidos, ácidos grasos y compuestos aromáticos pueden ser usados por una bacteria u otra.
Después del carbono, el siguiente elemento más abundante en la célula es el nitrógeno. Una bacteria típica contiene aproximadamente el 12% de nitrógeno (peso seco) y a su vez el Nitrógeno es un componente mayoritario de proteínas, ácidos nucleicos y otros constituyentes celulares. El nitrógeno se encuentra en la naturaleza tanto en forma orgánica como inorgánica. Sin embargo, la globalidad del nitrógeno utilizable está en forma inorgánico, bien como amoníaco (NH3), nitrato (NO-3) o N2. La mayoría de las bacterias pueden utilizar amoníaco y muchas además nitrato. El nitrógeno molecular (gas), sin embargo, puede ser fuente de nitrógeno para un reducido grupo de bacterias (bacterias fijadoras de nitrógeno).
- Otros macronutrientes: P, S, K, Mg, Ca, Na, Fe. El fósforo acontece en la naturaleza en forma de fosfatos orgánicos o inorgánicos y es requerido por la célula para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos. El azufre es fundamental por ser un elemento estructural en los aminoácidos cisteína y metionina y porque está presente en vitaminas tales como la tiamina, biotina, ácido lipoico así como coenzima A. El azufre sufre una serie de transformaciones químicas en la naturaleza, llevadas a cabo exclusivamente por microorganismos y es utilizable por ellos bajo una gran diversidad de formas químicas. La mayoría del azufre celular procede de fuentes inorgánicas, ya sean sulfatos o sulfuros.
Aunque algunas veces se le considera un micronutriente, el hierro es requerido por las células en mayores cantidades que otros metales traza y por ello debe ser considerado como macronutriente. El hierro juega un papel fundamental en la respiración celular, siendo un componente clave de los citocromos, y de las proteínas que contienen hierro y azufre implicadas en el transporte de electrones. Debido a que la mayor parte de las sales inorgánicas son altamente insolubles, muchos microorganismos producen agentes que unen hierro de una manera muy específica, denominados sideróforos, que solubilizan las sales de hierro transportándolo al interior celular. Un grupo importante de sideróforos son derivados del ácido hidroxámico, el cual quela fuertemente el ion férrico. Una vez que el complejo hierro-hidroxamato está dentro de la célula, el hierro es liberado y el hidroxamato sale al exterior para ser reutilizado. En algunas bacterias los sideróforos no son hidroxamatos sino compuestos fenólicos. Bacterias entéricas tales como Escherichia coli y Salmonella typhimurium producen sideróforos fenólicos complejos llamados enterobactinas. Estos sideróforos son derivados del catecol y presentan una altísima afinidad por el hierro. En la imagen inferior se muestra la estructura de la enterobactina de E. coli. La disponibilidad de hierro tiene importantes consecuencias en la capacidad de muchas bacterias patógenas para crecer en el cuerpo
Micronutrientes (elementos traza). Aunque los micronutrientes son requeridos en muy pequeñas cantidades son, sim embargo, tan importantes como los macronutrientes para la función celular. Los micronutrientes son metales, muchos de los cuales forman parte de enzimas que son los catalizadores celulares. En la tabla que se muestra más abajo se resume los micronutrientes más importantes de sistemas vivos, ejemplificando aquellas enzimas en las que desempeña un papel importante.
Debido a que el requerimiento de elementos traza es muy pequeño, para el cultivo de microorganismos en el laboratorio se hace innecesario su adición al medio. Sin embargo, si un medio contiene compuestos químicos altamente purificados y disueltos en agua destilada de alta pureza, puede ocurrir una deficiencia de elementos traza. En tales casos se añade una pequeña cantidad de estos metales al medio para que estén disponibles los metales necesarios.
Factores de crecimiento. Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos que, como los micronutrientes, son requeridos en muy pequeñas cantidades y solo por algunas células. Los factores de crecimiento incluyen vitaminas, aminoácidos, purinas y pirimidinas. Aunque la mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizar estos compuestos, otros requieren tomar uno o más preformados del medio ambiente.
Las vitaminas son los factores de crecimiento más comúnmente necesitados. La mayor parte de las vitaminas funcionan como parte de coenzimas y se resumen en la tabla de más abajo. Muchos microorganismos son capaces de sintetizar todos los componentes de sus coenzimas, pero algunos son incapaces de hacerlo así y deben ser suplementados con ciertas partes de estos coenzimas en forma de vitaminas. Las bacterias lácticas, que incluyen los géneros Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc y otros son reconocidas por su complejo requerimiento de vitaminas, que son incluso mayores que los de los humanos.
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