8: Metabolismo microbiano

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A lo largo de la historia de la Tierra, el metabolismo microbiano ha sido una fuerza impulsora detrás del desarrollo y mantenimiento de la biosfera del planeta. Los organismos eucariotas como las plantas y los animales suelen depender de moléculas orgánicas para la energía, el crecimiento y la reproducción. Los procariotas, por otro lado, pueden metabolizar una amplia gama de materia orgánica e inorgánica, desde moléculas orgánicas complejas como la celulosa hasta moléculas inorgánicas e iones como nitrógeno atmosférico (N ₂), hidrógeno molecular (H ₂), sulfuro (S2 ^-), iones manganeso (II) (Mn ²⁺), hierro ferroso (Fe ²⁺) y hierro férrico (Fe ³⁺), por nombrar algunos. Al metabolizar tales sustancias, los microbios las convierten químicamente a otras formas. En algunos casos, el metabolismo microbiano produce sustancias químicas que pueden ser perjudiciales para otros organismos; en otros, produce sustancias que son esenciales para el metabolismo y supervivencia de otras formas de vida (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Canal naranja y marrón. Primer plano de raíces con pequeños nódulos sobre ellas. — Figura\(\PageIndex{1}\): Los procariotas presentan una gran diversidad metabólica con importantes consecuencias para otras formas de vida. El drenaje ácido de la mina (izquierda) es un grave problema ambiental derivado de la introducción de agua y oxígeno a las bacterias oxidantes de sulfuro durante los procesos mineros. Estas bacterias producen grandes cantidades de ácido sulfúrico como subproducto de su metabolismo, lo que resulta en un ambiente de bajo pH que puede matar a muchas plantas y animales acuáticos. Por otro lado, algunos procariotas son esenciales para otras formas de vida. Los nódulos radiculares de muchas plantas (derecha) albergan bacterias fijadoras de nitrógeno que convierten el nitrógeno atmosférico en amoníaco, proporcionando una fuente de nitrógeno utilizable para estas plantas. (crédito restante: modificación de obra de D. Hardesty, USGS Columbia Environment Research Center; derecho de crédito: modificación de obra de Celmow SR, Clairmont L, Madsen LH y Guinel FC)

8.1: Energía, Materia y Enzimas
Los procesos celulares como la construcción o descomposición de moléculas complejas ocurren a través de una serie de reacciones químicas interconectadas escalonadas llamadas vías metabólicas. El término anabolismo se refiere a aquellas vías metabólicas endergónicas involucradas en la biosíntesis, convirtiendo bloques de construcción moleculares simples en moléculas más complejas, y alimentadas por el uso de energía celular.
8.2: Catabolismo de Carbohidratos
La glucólisis es el primer paso en la descomposición de la glucosa, dando como resultado la formación de ATP, que se produce por fosforilación a nivel de sustrato; NADH; y dos moléculas de piruvato. La glucólisis no usa oxígeno y no es dependiente del oxígeno. Después de la glucólisis, un piruvato de tres carbonos es descarboxilado para formar un grupo acetilo de dos carbonos, acoplado con la formación de NADH. El grupo acetilo está unido a un compuesto portador grande llamado coenzima A.
8.3: Respiración celular
La respiración celular comienza cuando los electrones se transfieren desde NADH y FadH2, a través de una serie de reacciones químicas a un aceptor final de electrones inorgánico (ya sea oxígeno en la respiración aeróbica o moléculas inorgánicas no oxigenadas en la respiración anaeróbica). Estas transferencias de electrones tienen lugar en la parte interna de la membrana celular de células procariotas o en complejos proteicos especializados en la membrana interna de las mitocondrias de células eucariotas.
8.4: Fermentación
La fermentación utiliza una molécula orgánica como aceptor de electrones final para regenerar NAD+ a partir de NADH para que la glicólisis pueda continuar. La fermentación no implica un sistema de transporte de electrones, y el proceso de fermentación no produce ATP directamente. Los fermentadores producen muy poco ATP, solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa durante la glucólisis. Los procesos de fermentación microbiana se han utilizado para la producción de alimentos y productos farmacéuticos, y para la identificación de microbios.
8.5: Catabolismo de Lípidos y Proteínas
Colectivamente, los microbios tienen la capacidad de degradar una amplia variedad de fuentes de carbono además de los carbohidratos, incluyendo lípidos y proteínas. Las vías catabólicas para todas estas moléculas eventualmente se conectan a la glucólisis y al ciclo de Krebs. Varios tipos de lípidos pueden degradarse microbialmente. Los triglicéridos son degradados por las lipasas extracelulares, liberando ácidos grasos de la cadena principal de glicerol. Los fosfolípidos son degradados por las fosfolipasas, liberando ácidos grasos y grupos de cabeza fosforilados.
8.6: La fotosíntesis y la importancia de la luz
Los organismos heterótrofos que van desde E. coli hasta humanos dependen de la energía química que se encuentra principalmente en las moléculas de carbohidratos. Muchos de estos carbohidratos son producidos por la fotosíntesis, el proceso bioquímico por el cual los organismos fototróficos convierten la energía solar (luz solar) en energía química. Aunque la fotosíntesis se asocia más comúnmente con las plantas, la fotosíntesis microbiana también es un importante proveedor de energía química, alimentando muchos ecosistemas diversos.
8.7: Ciclos biogeoquímicos
La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, entrando como luz solar para fototrofos o como moléculas inorgánicas para quimioautótrofos. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas —carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre— toman una variedad de formas químicas y pueden existir por largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o debajo de la superficie terrestre.
8.E: Metabolismo Microbiano (Ejercicios)

Miniatura: El ciclo de Krebs, también conocido como el ciclo del ácido cítrico, se resume aquí. Tenga en cuenta que el acetilo de dos carbonos entrante da como resultado las principales salidas por turno de dos moléculas de CO ₂, tres NADH, una FADH ₂ y una ATP (o GTP) producidas por fosforilación a nivel de sustrato. Se requieren dos giros del ciclo de Krebs para procesar todo el carbono de una molécula de glucosa. (CC BY 4.0; OpenStax)