22.3: Metabolismo procariótico
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- Identificar los macronutrientes que necesitan los procariotas y explicar su importancia
- Describir las formas en que los procariotas obtienen energía y carbono para los procesos de la vida
- Describir los papeles de los procariotas en los ciclos de carbono y nitrógeno
Los procariotas son organismos metabólicamente diversos. Hay muchos ambientes diferentes en la Tierra con diversas fuentes de energía y carbono, y condiciones variables. Los procariotas han podido vivir en todos los ambientes utilizando cualquier fuente de energía y carbono disponibles. Los procariotas llenan muchos nichos en la Tierra, incluyendo estar involucrados en ciclos de nutrientes como ciclos de nitrógeno y carbono, descomponer organismos muertos y prosperar dentro de organismos vivos, incluidos los humanos. La muy amplia gama de ambientes que ocupan los procariotas es posible porque tienen diversos procesos metabólicos.
Necesidades de los procariotas
Los diversos ambientes y ecosistemas de la Tierra tienen una amplia gama de condiciones en términos de temperatura, nutrientes disponibles, acidez, salinidad y fuentes de energía. Los procariotas están muy bien equipados para ganarse la vida con una amplia gama de nutrientes y condiciones. Para vivir, los procariotas necesitan una fuente de energía, una fuente de carbono y algunos nutrientes adicionales.
Macronutrientes
Las células son esencialmente un conjunto bien organizado de macromoléculas y agua. Recordemos que las macromoléculas son producidas por la polimerización de unidades más pequeñas llamadas monómeros. Para que las células construyan todas las moléculas necesarias para sostener la vida, necesitan ciertas sustancias, llamadas colectivamente nutrientes. Cuando los procariotas crecen en la naturaleza, obtienen sus nutrientes del medio ambiente. Los nutrientes que se requieren en grandes cantidades se denominan macronutrientes, mientras que los que se requieren en cantidades más pequeñas o traza se denominan micronutrientes. Solo un puñado de elementos se consideran macronutrientes: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. (Un mnemotécnico para recordar estos elementos es el acrónimo CHONPS.)
¿Por qué se necesitan estos macronutrientes en grandes cantidades? Son los componentes de los compuestos orgánicos en las células, incluyendo el agua. El carbono es el elemento principal en todas las macromoléculas: carbohidratos, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y muchos otros compuestos. El carbono representa alrededor del 50 por ciento de la composición de la célula. El nitrógeno representa el 12 por ciento del peso seco total de una célula típica y es un componente de proteínas, ácidos nucleicos y otros constituyentes celulares. La mayor parte del nitrógeno disponible en la naturaleza es nitrógeno atmosférico (N 2) u otra forma inorgánica. Sin embargo, el nitrógeno diatómico (N 2) puede ser convertido en una forma orgánica solo por ciertos organismos, llamados organismos fijadores de nitrógeno. Tanto el hidrógeno como el oxígeno son parte de muchos compuestos orgánicos y del agua. El fósforo es requerido por todos los organismos para la síntesis de nucleótidos y fosfolípidos. El azufre es parte de la estructura de algunos aminoácidos como la cisteína y la metionina, y también está presente en varias vitaminas y coenzimas. Otros macronutrientes importantes son potasio (K), magnesio (Mg), calcio (Ca) y sodio (Na). Aunque estos elementos son requeridos en cantidades menores, son muy importantes para la estructura y función de la célula procariota.
Micronutrientes
Además de estos macronutrientes, los procariotas requieren diversos elementos metálicos en pequeñas cantidades. Estos se denominan micronutrientes o oligoelementos. Por ejemplo, el hierro es necesario para la función de los citocromos involucrados en las reacciones de transporte de electrones. Algunos procariotas requieren otros elementos, como boro (B), cromo (Cr) y manganeso (Mn), principalmente como cofactores enzimáticos.
Las formas en que los procariotas obtienen energía
Los procariotas pueden usar diferentes fuentes de energía para ensamblar macromoléculas a partir de moléculas más pequeñas. Los fototrofos (u organismos fototróficos) obtienen su energía de la luz solar. Los quimiótrofos (u organismos quimiosintéticos) obtienen su energía a partir de compuestos químicos. Los quimiótrofos que pueden utilizar compuestos orgánicos como fuentes de energía se denominan quimioorganótrofos. Aquellos que también pueden utilizar compuestos inorgánicos como fuentes de energía se denominan quimiolitotrofos.
Las formas en que los procariotas obtienen carbono
Los procariotas no sólo pueden utilizar diferentes fuentes de energía sino también diferentes fuentes de compuestos de carbono. Recordemos que los organismos que son capaces de fijar el carbono inorgánico se llaman autótrofos. Los procariotas autotróficos sintetizan moléculas orgánicas a partir del dióxido de carbono. En contraste, los procariotas heterótrofos obtienen carbono a partir de compuestos orgánicos. Para que el panorama sea más complejo, se pueden combinar los términos que describen cómo los procariotas obtienen energía y carbono. Así, los fotoautótrofos utilizan la energía de la luz solar y el carbono del dióxido de carbono y el agua, mientras que los quimioheterótrofos obtienen energía y carbono de una fuente química orgánica. Los quimiolitoautótrofos obtienen su energía a partir de compuestos inorgánicos y construyen sus moléculas complejas a partir del dióxido de carbono. Cuadro\(\PageIndex{1}\) resume las fuentes de carbono y energía en procariotas.
| Fuentes de Energía | Fuentes de Carbono | |||
|---|---|---|---|---|
| Luz | Químicos | Dióxido de carbono | Compuestos orgánicos | |
| Fototrofos | Quimiótrofos | Autótrofos | Heterótrofos | |
| Productos químicos orgánicos | Químicos inorgánicos | |||
| Quimio-organótrofos | Quimiolitotrofos | |||
Papel de los procariotas en los ecosistemas
Los procariotas son ubicuos: No hay nicho o ecosistema en el que no estén presentes. Los procariotas desempeñan muchos papeles en los ambientes que ocupan. Los papeles que desempeñan en los ciclos de carbono y nitrógeno son vitales para la vida en la Tierra.
Los procariotas y el ciclo del carbono
El carbono es uno de los macronutrientes más importantes, y los procariotas juegan un papel importante en el ciclo del carbono (Figura\(\PageIndex{1}\)). El carbono es ciclado a través de los principales embalses de la Tierra: tierra, atmósfera, ambientes acuáticos, sedimentos y rocas, y biomasa. El movimiento del carbono es a través del dióxido de carbono, que es eliminado de la atmósfera por plantas terrestres y procariotas marinos, y es devuelto a la atmósfera a través de la respiración de organismos quimioorganotróficos, incluyendo procariotas, hongos y animales. Aunque el mayor reservorio de carbono en los ecosistemas terrestres se encuentra en rocas y sedimentos, ese carbono no está fácilmente disponible.
Una gran cantidad de carbono disponible se encuentra en las plantas terrestres. Las plantas, que son productoras, utilizan dióxido de carbono del aire para sintetizar compuestos de carbono. Relacionado con esto, una fuente muy significativa de compuestos de carbono es el humus, que es una mezcla de materiales orgánicos de plantas muertas y procariotas que han resistido la descomposición. Los consumidores como los animales utilizan compuestos orgánicos generados por los productores y liberan dióxido de carbono a la atmósfera. Entonces, bacterias y hongos, llamados colectivamente descomponedores, llevan a cabo la descomposición (descomposición) de plantas y animales y sus compuestos orgánicos. El contribuyente más importante del dióxido de carbono a la atmósfera es la descomposición microbiana del material muerto (animales muertos, plantas y humus) que se someten a respiración.
En ambientes acuosos y sus sedimentos anóxicos, se produce otro ciclo del carbono. En este caso, el ciclo se basa en compuestos de un carbono. En sedimentos anóxicos, los procariotas, en su mayoría arqueas, producen metano (CH 4). Este metano se mueve hacia la zona por encima del sedimento, que es más rica en oxígeno y soporta bacterias llamadas oxidantes de metano que oxidan el metano a dióxido de carbono, que luego regresa a la atmósfera.
Los procariotas y el ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es un elemento muy importante para la vida porque forma parte de proteínas y ácidos nucleicos. Es un macronutriente, y en la naturaleza, se recicla de compuestos orgánicos a amoníaco, iones de amonio, nitrato, nitrito y gas nitrógeno mediante innumerables procesos, muchos de los cuales son llevados a cabo únicamente por procariotas. Como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\), los procariotas son clave para el ciclo del nitrógeno. El mayor reservorio de nitrógeno disponible en el ecosistema terrestre es el nitrógeno gaseoso del aire, pero este nitrógeno no es utilizable por las plantas, que son productoras primarias. El nitrógeno gaseoso se transforma, o se “fija” en formas más fácilmente disponibles, como el amoníaco a través del proceso de fijación de nitrógeno. El amoníaco puede ser utilizado por las plantas o convertido a otras formas.
Otra fuente de amoníaco es la amonificación, proceso por el cual se libera amoníaco durante la descomposición de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno. El amoníaco liberado a la atmósfera, sin embargo, representa solo el 15 por ciento del nitrógeno total liberado; el resto es como N 2 y N 2 O. El amoníaco es catabolizado anaeróbicamente por algunos procariotas, dando N 2 como producto final. La nitrificación es la conversión de amonio en nitrito y nitrato. La nitrificación en suelos es realizada por bacterias pertenecientes a los géneros Nitrosomas, Nitrobacter y Nitrospira. La bacteria realiza el proceso inverso, la reducción de nitrato de los suelos a compuestos gaseosos como N 2 O, NO y N 2, un proceso llamado desnitrificación.
Conexión de arte
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el ciclo del nitrógeno es falsa?
- Existen bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos radiculares de las leguminosas y en el suelo.
- Las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos (\(\ce{NO_3^-}\)) en gas nitrógeno (\(\ce{N_2}\)).
- La amonificación es el proceso por el cual el ion amonio (\(\ce{NH_4^+}\)) se libera de los compuestos orgánicos en descomposición.
- La nitrificación es el proceso por el cual los nitritos (\(\ce{NO_2^-}\)) se convierten en iones amonio (\(\ce{NH_4^+}\)).
Resumen
Los procariotas son los organismos más diversos metabólicamente; florecen en muchos entornos diferentes con diversas fuentes de energía de carbono y carbono, temperatura variable, pH, presión y disponibilidad de agua. Los nutrientes requeridos en grandes cantidades se denominan macronutrientes, mientras que los requeridos en cantidades traza se denominan micronutrientes o oligoelementos. Los macronutrientes incluyen C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca y Na. Además de estos macronutrientes, los procariotas requieren de diversos elementos metálicos para su crecimiento y función enzimática. Los procariotas utilizan diferentes fuentes de energía para ensamblar macromoléculas a partir de moléculas más pequeñas. Los fototrofos obtienen su energía de la luz solar, mientras que los quimiótrofos obtienen energía de compuestos químicos.
Los procariotas desempeñan un papel en los ciclos de carbono y nitrógeno. El carbono es devuelto a la atmósfera por la respiración de animales y otros organismos quimioorganotróficos. Los consumidores utilizan compuestos orgánicos generados por los productores y liberan dióxido de carbono a la atmósfera. El contribuyente más importante del dióxido de carbono a la atmósfera es la descomposición microbiana del material muerto. El nitrógeno se recicla en la naturaleza de compuestos orgánicos a amoníaco, iones de amonio, nitrito, nitrato y gas nitrógeno. El nitrógeno gaseoso se transforma en amoníaco a través de la fijación de nitrógeno. El amoníaco es catabolizado anaeróbicamente por algunos procariotas, produciendo N 2 como producto final. La nitrificación es la conversión de amonio en nitrito. La nitrificación en suelos es realizada por bacterias. La desnitrificación también es realizada por bacterias y transforma el nitrato de los suelos en compuestos nitrogenados gaseosos, como N 2 O, NO y N 2.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el ciclo del nitrógeno es falsa?
- Existen bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos radiculares de las leguminosas y en el suelo.
- Las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos (NO 3 -) en gas nitrógeno (N 2).
- La amonificación es el proceso por el cual se libera el ion amonio (NH 4 +) de los compuestos orgánicos en descomposición.
- La nitrificación es el proceso por el cual los nitritos (NO 2 -) se convierten en iones amonio (NH 4 +).
- Contestar
-
D
Glosario
- amonificación
- proceso por el cual se libera amoníaco durante la descomposición de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno
- quimiótrofo
- organismo que obtiene energía a partir de compuestos químicos
- descomponedor
- organismo que lleva a cabo la descomposición de organismos muertos
- desnitrificación
- transformación de nitrato del suelo a compuestos nitrogenados gaseosos como N 2 O, NO y N 2
- nitrificación
- conversión de amonio en nitrito y nitrato en suelos
- Fijación de nitrógeno
- proceso mediante el cual el nitrógeno gaseoso se transforma, o se “fija” en formas más fácilmente disponibles, como el amoníaco