Metabolismo bacteriano anaeróbico: Definición y proceso

Metabolismo bacteriano anaeróbico

Vivimos en un planeta microbiano. Se estima que hay al menos 10 ^ 30 células bacterianas en el planeta. Para poner eso en perspectiva, eso es más que todas las estrellas predichas en el universo. También hay un mundo microbiano viviendo dentro de ti. Hay billones de células bacterianas viviendo en asociación con su cuerpo, superando en número a las células humanas por 10.

Las bacterias pueden llevar a cabo esta increíble hazaña de dominar el mundo al tener habilidades metabólicas que les permiten sobrevivir en algunos entornos bastante locos. Como mamíferos, asociamos la vida con los nutrientes, la comida y el oxígeno. La falta de cualquiera de estos componentes resulta en la muerte. Las bacterias, por otro lado, aún requieren nutrientes y fuentes de alimentos, pero muchas no requieren oxígeno en absoluto. Esto les permite sobrevivir en respiraderos oceánicos profundos, dentro de su intestino anaeróbico y en lo profundo de la Tierra.

Entonces, ¿cómo exactamente estas células sobreviven y crecen en estos entornos?

La respuesta es mediante el uso de procesos como la respiración anaeróbica, que es respirar o respirar algo además del oxígeno y la fermentación. En esta lección, discutiremos los detalles de la respiración anaeróbica.

Modelo metabólico básico

Comencemos con el modelo metabólico más básico de una célula bacteriana que usa glucosa como fuente de energía y respira oxígeno. Este es el proceso de respiración aeróbica , o el proceso en el que un compuesto se oxida utilizando oxígeno como aceptor de electrones terminal y resulta en una fuerza motriz de protón.

Primero, la célula usará la glucólisis para quitar la glucosa de sus electrones, descomponiéndola en piruvato y capturando los electrones en el portador de electrones NADH. El piruvato luego ingresa al ciclo del ácido cítrico, donde se oxida hasta convertirse en dióxido de carbono. Al igual que durante la glucólisis, los electrones extraídos del piruvato se almacenan como NADH. El NADH luego ingresa a la cadena de transporte de electrones y dona sus electrones a una serie de proteínas, enzimas y moléculas que pasan a lo largo de los electrones. La energía de la transferencia de electrones se utiliza para bombear protones fuera de la célula. Al final de la cadena, los electrones se vierten sobre el oxígeno, generando agua y finalizando el ciclo.

La acción de bombeo de protones de la cadena de transporte de electrones da como resultado una fuerza motriz de protones o un estado energizado a través de una membrana resultante de un gradiente de protones. Esto significa que se puede aprovechar la energía del gradiente de protones, alta en el exterior de la célula y baja en el interior. Durante la respiración, la ATP sintasa utiliza esta fuerza motriz de protones para producir ATP, la molécula vital de alta energía que apoya el crecimiento y la síntesis de todos los compuestos celulares principales.

La ATP sintasa abre un canal a través de la membrana y, a medida que los protones fluyen a través del canal hacia abajo del gradiente, la energía hace girar la ATP sintasa, lo que da como resultado una fuerza de torsión que se utiliza para agregar un grupo fosfato al ADP para generar ATP. Este proceso de utilizar una cadena de transporte de electrones para generar una fuerza motriz de protones utilizada para la síntesis de ATP se conoce como fosforilación oxidativa .

Respiración anaerobica

¿Por qué pasamos tanto tiempo hablando de respiración aeróbica si nos interesa la respiración anaeróbica? Bueno, los pasos básicos en el proceso son los mismos, por lo que al comprender la respiración aeróbica podemos comprender mejor la respiración anaeróbica , que es simplemente el proceso en el que un compuesto se oxida utilizando algo además del oxígeno como aceptor terminal de electrones y da como resultado un motivo protónico. fuerza.

Tanto en la respiración aeróbica como en la anaeróbica, el objetivo final es el mismo: fosforilación oxidativa o, en términos simples, generar una fuerza motriz de protón que se puede utilizar para producir ATP utilizando la ATP sintasa. Así que ahora podemos modificar el modelo de respiración aeróbica para comprender cómo funciona la respiración anaeróbica.

Respiración de nitratos

Veamos dos ejemplos:

Los ambientes del suelo se caracterizan por zonas anaeróbicas y muchos contienen fuentes de nitrógeno en forma de nitrato. En este tipo de ambiente, muchas bacterias crecen usando el proceso de respiración anaeróbica con nitrato como aceptor de electrones.

Al observar nuestro modelo de célula bacteriana, podemos mantener el proceso de captura de electrones en NADH mediante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, pero podemos cambiar la cadena de transporte de electrones a base de oxígeno por una cadena de transporte de electrones que utiliza nitrato. Esta cadena de transporte de electrones tiene diferentes enzimas que permiten que los electrones terminen en nitrato, pero el resultado final, una fuerza motriz del protón que puede ser utilizada por la ATP sintasa, es el mismo.

Algunos insectos tienen un conjunto completo de enzimas que se pueden conectar a la cadena de transporte de electrones que les permite reducir el nitrato a nitrito, luego al óxido nítrico, luego al óxido nitroso y luego al nitrógeno molecular, que no se puede reducir más. Este es un uso muy eficiente de la respiración anaeróbica para capturar energía para la célula.

Respiración de sulfato

Bien, veamos otro ejemplo:

En los entornos oceánicos profundos, generalmente no hay oxígeno presente, pero puede haber altos niveles de sulfato. Por lo tanto, las bacterias capaces de respirar sulfato habitualmente habitan en estos entornos.

Volviendo a nuestro modelo de célula bacteriana, apuesto a que puede adivinar que para modelar una célula que respira sulfato, cambiaremos esa cadena de transporte de electrones basada en oxígeno y la reemplazaremos por una basada en sulfato. Aquí puede ver que la cadena de transporte de electrones a base de sulfato da como resultado la reducción de sulfato a sulfuro de hidrógeno mientras sigue generando esa siempre importante fuerza motriz de protones que impulsa la ATP sintasa.

Pero si observa de cerca, verá que la cadena de transporte de electrones reductores de sulfato no tiene un vínculo obvio con los componentes del ciclo de la glucólisis y del ácido cítrico. De hecho, la mayoría de las células utilizan piruvato, lactato o hidrógeno como donador de electrones, y las enzimas necesarias para ello están incrustadas en la cadena de transporte de electrones.

Resumen de la lección

No se deje engañar pensando que hemos cubierto todos los diferentes compuestos que pueden respirar las células bacterianas. Ni siquiera hemos hablado de hierro, manganeso, clorato, aceptores orgánicos de electrones, carbonatos… y la lista continúa. Los científicos todavía están descubriendo compuestos que las bacterias del medio ambiente pueden utilizar como aceptores terminales de electrones para generar una fuerza motriz de protones para la síntesis de ATP.

Lo que debe recordar es que independientemente del compuesto que esté respirando, durante la respiración anaeróbica , existe una cadena de transporte de electrones que consta de enzimas que catalizan la reducción del aceptor de electrones terminal. Y, en todos los casos, el resultado final es la generación de una fuerza motriz de protones que se utiliza para impulsar la síntesis de ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa .

Resultado de aprendizaje

Una vez completada esta lección, los estudiantes deben poder describir el proceso de respiración anaeróbica que utilizan las bacterias para el transporte de electrones.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador