FISIOLOGIA MICROBIANA

9 Julio 2009 , Escrito por fergonpacheco

Fisiología microbiana

La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las sustancias químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para dos objetivos:

Fines energéticos (reacciones de mantenimiento);

Fines biosintéticos (reacciones plásticas o anabolismo).

Las biosíntesis de nuevos componentes celulares son procesos que requieren energía procedente del medio ambiente. En el capítulo anterior vimos los principales modos de captación y obtención de energía existentes en las bacterias.

Es importante tener claro desde el principio una serie de conceptos y nomenclaturas relacionados con los principales tipos de nutrición bacteriana. Puesto que, como acabamos de ver, la nutrición presenta un aspecto de aprovisionamiento de energía y otro de suministro de materiales para la síntesis celular, podemos hablar de dos “clasificaciones” de tipos de nutrición:

1) Desde el punto de vista de los fines de aprovisionamiento de energía, las bacterias se pueden dividir en:

a) litotrofas: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH₂ S⁰, NH₃, NO₂^-, Fe, etc.).

b) organotrofas: requieren compuestos orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes...).

2) Desde el punto de vista biosintético (o sea, para sus necesidades plásticas o de crecimiento), las bacterias se pueden dividir en:

a) autotrofas: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias inorgánicas sencillas. Ahora bien, habitualmente el concepto de autotrofía se limita a la capacidad de utilizar una fuente inorgánica de carbono, a saber, el CO₂.

b) heterotrofas: su fuente de carbono es orgánica (si bien otros elementos distintos del C pueden ser captados en forma inorgánica).

Otros conceptos:

Autotrofas estrictas son aquellas bacterias incapaces de crecer usando materia orgánica como fuente de carbono

Mixotrofas son aquellas bacterias con metabolismo energético litotrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético

Sean autotrofas o heterotrofas, todas las bacterias necesitan captar una serie de elementos químicos, que se pueden clasificar (según las cantidades en que son requeridos) como

Macronutrientes (C, H, O, N, P, S, K, Mg),

Micronutrientes o elementos traza (Co, Cu, Zn, Mo...)

En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso de nutrientes: desde autotrofos que obtienen su carbono por reducción del CO₂ y los demás elementos a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterotrofos capaces de usar amplia gama de fuentes orgánicas de carbono.

A su vez, dentro de los heterotrofos, podemos encontrar muchos y variados tipos de nutrición, desde bacterias metilotrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de carbono y energía, hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar más de 100 tipos de fuentes de C (incluyendo entre ellas sustancias tan “exóticas” como hidrocarburos alifáticos y cíclicos). De cualquier modo, entre los heterotrofos, una de las fuentes más típicas de carbono consiste en glucosa.

En los heterotrofos-organotrofos, los sustratos carbonados (con un nivel de oxidación no muy distinto del material celular -CH₂O-) entran simultáneamente a:

	metabolismo energético (donde la fuente de C se transforma en CO₂, o en CO₂ junto con otras sustancias no totalmente oxidadas);
	metabolismo plástico (anabolismo = biosíntesis de nuevo material celular).

Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H₂O, CO₂, N₂, NO₃^--, NH₃, SO₄⁼, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son muy interesantes. De hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en procariotas. Como paradigma de esto citaremos los microorganismos quimioautotrofos (o quimiolitoautotrofos): obtienen su energía de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas, el carbono procede del CO₂, y el resto de elementos a partir de sales inorgánicas, por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales en ausencia de luz.

Lo habitual, sin embargo, es que muchas bacterias recurran, siempre que puedan, a tomar del medio ciertos compuestos más complejos, ya que carecen de ciertas rutas biosintéticas.

CLASES DE NUTRIENTES

Podemos clasificar los nutrientes en las siguientes categorías:

	Universales (es decir, aquellos que son requeridos por todos los procariotas): agua, CO₂, fosfatos y sales minerales;
	Particulares;
	Factores de crecimiento.

NUTRIENTES UNIVERSALES

EL AGUA

Las bacterias necesitan grandes cantidades de agua. De hecho, salvo excepciones, se pueden considerar como organismos acuáticos. Requieren cierto grado de humedad para crecer. Desde el punto de vista de sus posibles papeles, el agua es:

	el principal constituyente del protoplasto bacteriano;
	el medio universal donde ocurren las reacciones biológicas;
	un reactante en exceso (es decir, un producto resultante de algunas reacciones bioquímicas).

Las fuentes de agua pueden ser:

	endógena: procedente de procesos de oxido-reducción;
	exógena (la más importante): procedente del medio, y que difunde a través de las membranas.

Ahora bien, no toda el agua de un ambiente está disponible para la bacteria:

	Existen determinadas sustancias que absorben y superficies que adsorben de modo más o menos intenso moléculas de agua, dejándolas inasequibles para la bacteria.
	Los solutos disueltos en agua (p. ej., sales, azúcares) tienen afinidad por las moléculas de H₂O que los rodean, por lo que éstas tampoco estarán a disposición del microorganismo.

La disponibilidad de agua se mide por un parámetro llamado actividad de agua o potencial de agua, indicativo del agua libre, y que se expresa como

a_W= P_S/P_W

donde P_S es la presión parcial de vapor de agua en la solución problema y P_W es la presión parcial de vapor del agua destilada.

¿Cómo medir el potencial de agua de un medio líquido determinado? Se mide la humedad relativa del aire que hay encima del medio (en frascos), y este valor se refiere al valor de 100, que es la humedad del aire encima del agua destilada. O sea, la a_W = humedad relativa/100).

Las bacterias tienen valores de a_W normalmente entre 0.90 y 0.99.

Bacterias de hábitats oligotróficos (como Caulobacter, Spirillum) tienen a_W cercanos a 1.

Bacterias como Escherichia y Streptococcus, que viven en sangre y fluidos corporales, tienen a_W de alrededor de 0.995.

Bacterias marinas como ciertos Vibrio y Pseudomonas encuentran valores de 0.980.

Ciertos bacilos Gram-positivos que resisten mejor la sequedad poseen valores de 0.950.

En el extremo de resistencia encontramos ciertas bacterias xerófilas, capaces de vivir a a_W muy bajos (en torno a 0.75). Muchas de estas bacterias viven de hecho en medios acuosos, pero donde gran parte del agua no está disponible por las razones arriba citadas:

	procariotas halófilos extremos, como la arquea Halobacterium, que habita en lagunas hipersalinas;
	bacterias (y sobre todo, ciertos microrganismos eucarióticos como levaduras) sacarófilos, que viven en jugos y zumos con altas concentraciones de azúcares.

EL CO₂

El anhidrido carbónico es requerido por todo tipo de bacterias:

	Las autotrofas lo requieren como fuente de carbono, y lo reducen usando como fuente de energía la luz (en el caso de las fotoautotrofas) u oxidaciones de determinadas sustancias inorgánicas (los quimioautolitotrofos).
	Las arqueas metanogénicas pueden usar el CO₂ como aceptor de los electrones procedentes de la oxidación del H₂, proceso por el que obtienen su energía de modo litotrofo:

CO₂ + 4H₂ --> CH₄ + 2H₂O (DG'₀<0)

Además, algunas arqueas no sólo usan CO₂ como aceptor de electrones para obtener energía, sino que, además lo usan como fuente de carbono celular (arqueas metanogénicas autotrofas).

Los heterotrofos, aunque no usan el CO₂ como fuente de C ni como aceptor de electrones, necesitan pequeñas cantidades para las carboxilaciones en determinadas rutas anabólicas y catabólicas.

El origen del CO₂ puede ser:

	endógeno: procedente de descarboxilaciones que ocurren al degradar la fuente orgánica de carbono;
	exógeno: el CO₂ de la atmósfera o disuelto en las soluciones acuosas.

Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO₂ atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias (Neisseria, Brucella), cuando se aislan por primera vez, requieren atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO₂. Ello parece deberse a que poseen alguna enzima con baja afinidad hacia el carbónico; sin embargo, tras varios subcultivos, suelen adaptarse a crecer a tensiones normales.

FÓSFORO

Suele requerirse en forma de fosfatos, sea orgánicos o inorgánicos. Las bacterias que pueden usar los fosfatos orgánicos (merced a la posesión de fosfatasas) no dependen absolutamente de ellos, ya que pueden recurrir igualmente a los fosfatos inorgánicos. Los fosfatos orgánicos son hidrolizados por fosfatasas extracelulares o (en las Gram-negativas) periplásmicas (p.ej., la fosfatasa alcalina).

El fósforo se usa principalmente para la síntesis de los ácidos nucleicos y los fosfolípidos, pero aparece también en coenzimas y en proteínas.

SALES MINERALES

Las sales minerales son la fuente de aniones (p. ej. el Cl^-) y de cationes para la célula. Los siguientes cationes, concretamente, se necesitan en cantidades relativamente grandes: K⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Fe⁺⁺.

El ión potasio (K⁺):

	interviene en la activación de una variedad de enzimas, incluyendo las que participan en la síntesis de proteínas.
	En Gram-positivas está asociado con los ácidos teicoicos de la pared.

El ión magnesio (Mg⁺⁺):

	estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos;
	como cofactor en muchas reacciones, especialmente las que implican transferencia de grupos fosfato. Por ejemplo, en las reacciones que requieren ATP, el Mg⁺⁺ puede unir la enzima al sustrato durante el mecanismo de acción de la primera.
	Participa de las clorofilas y bacterioclorofilas de bacterias fotosintéticas.

El ión calcio (Ca⁺⁺):

es un cofactor de ciertas enzimas, como proteinasas.

El hierro (principalmente como ión ferroso, Fe⁺⁺) suele estar acomplejado en la naturaleza, formando sales insolubles. Las bacterias disponen de una serie de moléculas, denominadas sideróforos, capaces de captar ese hierro (p.ej., hidroxamatos y enterobactina). El hierro

	participa en muchas moléculas implicadas en procesos de respiración, como citocromos y ferroproteínas no hémicas (proteínas con Fe-S);
	interviene como cofactor en ciertas enzimas.

Aparte de estos iones que se requieren en cantidades relativamente grandes, las bacterias necesitan minúsculas cantidades de otros elementos (oligoelementos), a los que también se denomina como micronutrientes o elementos traza:

	El manganeso (Mn⁺⁺) es un cofactor de ciertas enzimas, y a veces puede sustituir al Mg⁺⁺.
	El cobalto (Co⁺⁺) se requiere casi exclusivamente para la vitamina B₁₂ (de hecho, si suministramos esta vitamina al medio, la bacteria se vuelve independiente del Co⁺⁺ libre).
	El zinc interviene en la estabilización de complejos enzimáticos como las ADN- y ARN-polimerasas.
	El molibdeno participa en las llamadas molibdoflavoproteínas, implicadas en la asimilación de nitratos. Por otro lado, participa como cofactor, junto con el Fe, en el complejo nitrogenasa de las bacterias fijadoras de N₂ atmosférico.
	El níquel participa en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H₂.