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facilitar la comprensión y el seguimiento de las reacciones, en la figura 3.13 se esquematizan solo los “esqueletos de carbono” de la glucosa y de las moléculas que se van produciendo durante la degradación de la glucosa (glucólisis).
Cada flecha gruesa, de color verde azulado, representa una reacción que está siendo catali zado por, al menos, una enzima. Cada paso se explica a continuación.
Paso uno. La molécula combustible de glu
cosa se energiza al recibir un grupo fosfato de una molécula de ATP, así fosforila la molécula de glucosa que cambia su nombre por el de
glucosa-6-fosfato.
Paso dos. La glucosa-6-fosfato sufre una
transposición sencilla, es decir, reordena sus átomos de hidrógeno y oxígeno. En esta reacción y mediada por la acción de una enzima, tipo isomerasa, se convierte en su isómero (imagen en espejo): fructosa-6-fosfato.
Paso tres. En este punto otra molécula de
ATP dona un grupo fosfato y se forma fructosa-
1,6-difosfato. Los grupos fosfatos se han unido
en los carbonos 1 y 6, y queda la molécula lista para su disociación. Hasta este momento se han invertido en el proceso dos moléculas de ATP y todavía no ha producido ninguna.
Paso cuatro. La fructosa-1,6-difosfato se
parte en dos triosas (moléculas de tres carbonos cada una) y se forma dihidroxiacetona fosfato o
fosfato de hidroxiacetona o simplemente cetosa
(DHAP), que puede convertirse por acción enzi mática en su isómero.
Paso cinco. La hidroxiacetona fosfato, por
acción enzimática, sufre una transposición a
gliceraldehído-3-fosfato o aldosa (G3P), es
decir, que una enzima isomerasa lo convierte en su isómero, así quedan dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, que continúan el pro ceso y generan idénticas reacciones.
Paso seis. Cada molécula de gliceraldehído-
3-fosfato, sufre dos reacciones de deshidroge- nación, casi simultáneamente. En cada reacción se donan dos electrones y un ion hidrógeno al NAD+ para formar NADH+H+ y se une un fosfato inorgánico, por medio de un enlace de alta energía a cada molécula de gliceraldehído-
3-fosfato, y se forman dos moléculas de 1,3-di-
fosfoglic eruto.
Paso siete. Un fosfato de cada 1,3-difosfo-
glicerato se transfiere a sendos ADP para formar ATP. Así se producen dos moléculas de ATP. Al perderse los grupos fosfatos de cada molécula de 1,3-difosfoglicerato, la molécula se convierte en 3-fosfoglicerato.
Estos ATP producidos, compensan los dos ATP iniciales consumidos en la activación de la glucosa.
Paso ocho. Por acción enzimática el 3-fos-
foglicerato se reordena y el fosfato cambia de posición: pasa del carbono tres al carbono dos, formando 2-fosfoglicerato. Esta es, simplemente, una reacción preparatoria para el paso siguiente.
Paso nueve. La reacción que se produce aquí es
poco común y genera un grupo fosfato rico en ener gía por deshidratación (pérdida de una molécula de agua) y no por deshidrogenación (disociación de átomos de hidrógeno), como sería lo normal. El producto que resulta es el fosfoenolpiruvato. Este cambio lo media la enzima enolasa, la cual es inactivada por la acción del ion flúor y produce la suspensión del proceso glucolítico, por tanto, éste no concluiría y no se obtendría el producto final (piruvato). como metabolito esencial.
Paso diez. Cada molécula de fosfoenolpiru
vato transfiere el fosfato que tiene en el carbono 2 para formar ATP y de esta manera quedan, como productos finales de la glucólisis, dos moléculas de piruvato.
En este paso final se produce, como se men cionó inicialmente, una ganancia neta de dos ATP por cada molécula de glucosa.
Fermentación
Cuando las condiciones de anaerobiosis con tinúan, muchos microorganismos, como las levaduras, utilizan la vía de la fermentación para producir alcohol; los lactobacilos, ácido láctico o muchos otros productos finales como lo hace
Escherichia coli.
La mayor parte de las bacterias fermentativas dan lugar a diferentes productos por fermenta ción de glucosa, pero ninguna especie es capaz
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de originarlos todos. Por esta causa, es posible agrupar los microorganismos en función de los productos finales de fermentación y de este modo se encuentra una clasificación que permite diferenciar las bacterias en: bacterias heterofer- mentativas y bacterias homofermentativas:
1. Bacterias heterofermentativas. Cuando al fermentar la glucosa se obtiene una mezcla de productos finales. Ejemplo: Escherichia coli (véase figura 3.14).
2. Bacterias homofermentativas. Cuando el resultado de la fermentación de la glucosa es, casi exclusivamente, un solo producto final. Por ejemplo, Streptococcus lactis prácticamente solo
produce ácido láctico como único producto final al fermentar la glucosa (véase figura 3.15).
Vía o ciclo de la pentosa fosfato
Esta ruta de degradación de carbohidratos lleva aparejada la formación de fosfatos, azúcares de 6 átomos de carbono (hexosas monofosfatos) y de 5 átomos de carbono (pentosas monofosfatos). Como esta ruta incluye algunas de las reacciones de la glucólisis, se la considera como un “atajo” o vía alterna a la vía glucolítica. La glucosa pue de oxidarse por la vía de la pentosa fosfato con liberación de pares de electrones, que pueden
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entrar en la cadena de transporte electrónico. Sin embargo, este ciclo no se considera como una de las principales vías de producción de energía en la mayor parte de los microorganismos.
La vía de la pentosa fosfato se utiliza princi palmente para labiosíntesis, ya que aporta sustan cias que se emplean en la síntesis de nucleótidos. Aunque sea una alternativa para la oxidación de la glucosa, también puede aportar energía mediante utilización de azúcares de 5 átomos de carbono. Al igual que la vía glucolítica, la ruta
de la pentosa fosfato se da tanto en procariotas, como en eucariotas (véase figura 3.16).
Existen otras rutas de degradación de carbo hidratos, como la Entner-Doudoroff que también son comunes a procariotas aerobios y anaerobios. Algunos microorganismos catalizan únicamente una de estas rutas, mientras que otros utilizan más de una, ya sea simultáneamente o no. La utilización de estas ratas depende de que hayan heredado la correspondiente capacidad para ha cerlo y del ambiente en que se desarrollen.
Catabolismo de los carbohidratos Los carbohidratos son sustancias numerosas y muy variadas, pero todas tienen como compo nentes carbono, hidrógeno y oxígeno. Antes de entrar en la forma de degradación de los carbohi dratos, conviene recordar algo muy general sobre la naturaleza de estos compuestos. Es necesario dividirlos en dos grupos: grupo A y grupo B.
1. Grupo A. En este grupo se incluyen los carbohidratos más simples y elementales, de nominados monosacáridos y son carbohidratos compuestos por una sola molécula. Ejemplo: glucosa (C6H 120 6).
2. Grupo B. A este pertenecen los carbohidra
tos más complejos, denominados: polisacáridos, trisacáridos y disacáridos
a. Disacáridos. Son carbohidratos compues tos por dos moléculas.
Ejemplos: sacarosa = glucosa + fructosa maltosa = glucosa + glucosa
lactosa = glucosa + galactosa b. Trisacáridos. Son carbohidratos compues tos por tres moléculas.
Ejemplo: rafinosa - glucosa + galactosa +
fructosa
c. Polisacáridos. Son carbohidratos com puestos por una molécula que se repite n veces. Ejemplo: celulosa = (glucosa)n. Este polisacárido se cataboliza como se observa en la figura 3.17.
En general, la desarticulación de los com puestos del grupo B tiene lugar fuera de la célula por acción de las enzimas extracelulares, de gradándolos de polisacáridos a monosacáridos. Las reacciones enzimáticas son hidrolíticas y
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como se llevan a cabo en el exterior de la célula las reacciones son hidrolíticas extracelulares. La importancia de estas reacciones radica en la transformación de sustratos complejos e inesta bles a sustratos simples y estables que puedan penetrar al interior de la célula.
Degradación de los monosacáridos
Cuando estos carbohidratos sencillos penetran en la célula bacteriana, sufren la acción de las enzi mas intracelulares y se obtiene de estas reacciones la principal fuente de energía. Obsérvese la reac ción general al degradarse, por acción enzimática, el monosacárido glucosa (véase figura 3.18).
Las etapas iniciales de la degradación de la glucosa hasta la formación de piruvato siguen la vía de la glucólisis o alguna variación del proceso. El piruvato (ácido pirúvico) puede considerarse como el eje de la fermentación de los carbohidratos.
El piruvato formado por glucólisis puede sufrir una nueva oxidación y de esta serie de reacciones catalizadas enzimáticamente resulta la producción de acetil coenzima A (AcoA), que entra al ciclo del ácido cítrico.
Ciclo del ácido cítrico
Este ciclo es una ruta presente en los microor ganismos aerobios, que facilita el consumo de
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oxígeno y al mismo tiempo suministra interme diarios útiles para la biosíntesis de aminoácidos, ácidos grasos y bases nitrogenadas, entre otros compuestos.
El ciclo del ácido cítrico también se conoce como ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y con el nombre más tradicional: ciclo de Krebs, en ho nor al doctor Hans Krebs, científico y bioquímico alemán de nacimiento, pero inmigrante en la Gran Bretaña, a quien se le debe el descubrimiento de esta vía metabólica. Descubrimiento que lo hizo acreedor al Premio Nobel en 1953. Se caracteriza por ser una secuencia de reacciones que generan energía, en forma de ATP y de moléculas de coen zima reducidas como NADH+H y FADH .
2 Este ciclo también desempeña otras funcio nes: muchos de sus intermediarios son también precursores de la biosíntesis de aminoácidos, purinas, pirimidinas, etc.
Por tanto, el ciclo del ácido cítrico es un ciclo anfibólico, es decir, que no funciona solo en el catabolismo (degradación), sino también en reacciones anabólicas (síntesis).
Para dar inicio al ciclo cada molécula de piruvato entra en el ciclo del ácido cítrico me diante una reacción de transición que produce dos electrones de alta energía y una molécula de dióxido de carbono. El grupo acetilo que se forma lo recoge la coenzima A (CoA) y entra en el ciclo que se esquematiza en la figura 3.19, en una serie cíclica de 7 pasos.
Reacción de transición
Es aquella en la que el piruvato se convierte en acetilo, libera C 02 y electrones de alta energía que son transportados por el NADH.
Paso cero. Cada molécula de piruvato, de tres carbonos, sufre una descarboxilación (pérdida de un grupo C 00). Al descarboxilarse se pierde un átomo de carbono y los electrones liberados son transportados por la coenzima NAD+ (en estado químico oxidado) la cual queda como NADH+H, es decir, pasa a estado quimico reducido. Por tanto, el piruvato se convierte en un grupo acetilo con dos carbonos.
Paso 1. Se produce una hidratación, al ganar
una molécula de agua, y la CoA se une al acetilo para formar acetil CoA.
Paso 2. La acetil CoA dona su grupo acetilo al oxalacetato (ácido oxalacético de cuatro car bonos), para formar el citrato (ácido cítrico de seis carbonos).
Paso 3. El citrato por acción de una enzima tipo isomerasa sufre una transposición a isocitra- to (ácido isocítrico de cuatro carbonos).
Paso 4. El isocitrato sufre una descarboxila ción y pierde un átomo de carbono, entonces, se forma a-cetoglutarato (ácido a-cetoglutárico). Los dos electrones de alta energía liberados son transportados por NAD+ para formar NADH+H.
Paso 5. El a-cetoglutarato sufre una nueva descarboxilación con su consiguiente pérdida de un átomo de carbono y se forma succinato (ácido succínico). Los dos electrones de alta energía liberados son transportados por NAD+ para formar NADH+H.
Paso 6. La energía química se transfiere fuera del ciclo hasta el ATP. En este paso un ADP (ade- nosína difosfato), cede un grupo fosfato al GDP (guanidina difosfato) y se convierte en GTP (gua- nidina trifosfato) que es un compuesto similar al ATP y luego se convierte en este último.
Paso 7. El succinato se oxida y los dos electrones de alta energía son transportados por medio del portador de electrones FAD, que queda cargado y se convierte en FADH,. De esta forma, el succinato pasa a fumarato (ácido fumárico).
Paso 8. El fumarato recibe la adición de una molécula de agua (hidratación) y se convierte en malato (ácido málico).
Paso 9. El malato es objeto de deshidro- genación y se convierte en oxalacetato (ácido oxalacético). Los dos electrones de alta energía li berados son transportados por NAD+ para formar NADH+H. De esta manera y en este momento el oxalacetato puede combinarse con una molécula de CoA y así comienza nuevamente el ciclo.
Cadena de transporte electrónico La cadena de transporte electrónico también se conoce como sistema de citocromos o cadena respiratoria. Es una secuencia de reacciones
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de oxidación-reducción (oxidoreducción) para la generación de ATP. Esta secuencia de reac ciones funciona captando electrones, a partir de compuestos reducidos, y transfiriéndolos al oxígeno con la consiguiente formación de agua. En varios de los pasos intermedios se libera su ficiente energía para sintetizar ATP, a partir de ADP y fosfato inorgánico. Esta síntesis de ATP se denominafosforilación oxidativa, debido a la formación de enlaces altamente energéticos en los que interviene el fosfato.
En la figura 3.20 se observa que los átomos de hidrógeno (electrones más protones H+), que pierden las sustancias que se oxidan y son transferidos al oxígeno molecular y forman agua. En esta transferencia intervienen las en zimas deshidrogenasas que contienen NAD+ (nicotín-adenín-dinucleótido) o NADP (fosfato de nicotín-adenín-dinucleótido) o FMN (flavín- mononucleótido) y citocromos que contienen hierro. También se observa que en tres pasos específicos de la cadena, tiene lugar la síntesis de ATP. Los electrones extraídos por oxidación de sustancias inorgánicas como N 0 2, H, y H2S, pueden también alimentar la cadena de transpor te de electrones para producir energía.
Así se obtiene el ATP en la cadena de trans porte electrónico, por parte de las bacterias quimioautótrofas (véase figura 3.20).
La figura 3.21 presenta una visión general de todo el proceso catabólico de los carbohidratos en condiciones de anaerobiosis y aerobiosis.
Catabolismo de las proteínas
Las proteínas son los principales constituyentes nitrogenados de todos los sistemas biológicos (animales, plantas y procariotes). Las proteínas se componen aproximadamente de 20 aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, son moléculas muy grandes y, por tanto, deben ser desarticuladas para penetrar a la célula y servir como elementos nu- tricionales. Todos los aminoácidos presentan una estructura básica compuesta por un carbono central unido a cuatro grupos funcionales diferentes:
- Un grupo amino (-NH2), que contiene nitrógeno.
- Un grupo carboxílico (-COOH), llamado también, ácido carboxílico.
- Un hidrógeno.
- Un grupo variable que se representa por las letras GV.
El grupo variable (GV), por ser diferente en cada aminoácido, le confiere a cada uno sus propiedades características (véase figura 3.22).
En la síntesis de las proteínas, él grupo amino (-NH2) de un aminoácido se une a otro aminoácido por el carbono del grupo carboxilo (-COOH), y forman un enlace covalente senci llo, que toma el nombre de enlace peptídico, por consiguiente la cadena resultante es un péptido (véase figura 3.23).
Los aminoácidos se van uniendo uno por uno hasta que la proteína queda completa. En las células vivas las cadenas de aminoácidos varían en su longitud (desde tres hasta miles de aminoácidos). Así que a las cadenas largas (de 50 o más aminoácidos de longitud) se les reserva el nombre de proteína o polipéptido y las cade nas que están por debajo de esta longitud (más cortas) se les llama péptidos.
El proceso de degradación de las proteínas se llama proteólisis o hidrólisis de las proteínas y lo llevan a cabo por enzimas proteolíticas exocelulares.
Solo un reducido grupo de bacterias puede producir enzimas proteolíticas, en este grupo se encuentran los géneros Clostridium, Bacillus, Proteus y Pseudomonas. El proceso de proteó lisis ocurre en dos etapas:
En la primera etapa, las enzimas proteo líticas degradan las proteínas en moléculas más sencillas llamadas péptidos, es decir, aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. En la segunda etapa, se realiza la conversión de los péptidos, por acción de una peptidasa, en aminoácidos (véase figura 3.24).
Algunos productos finales originados por bacterias del género Clostridium son muy ma lolientes de modo que el olor a putrefacción en general revela la acción y, por supuesto, la presencia de estas bacterias que tienen su hábitat en el suelo, específicamente, en zonas donde no existe la presencia de oxígeno. Entre
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estos productos se encuentran el ácido sulfídrico (H2S), el ácido isovalérico, el ácido isobutírico, derivados de aminoácidos azufrados como los mercaptanos; derivados del aminoácido omitiría como la putrescina: la omitina se descarboxila por acción de la enzima omitiría descarboxilasa para dar 1,4-diaminobutano, más conocido con
el prosaico nombre de putrescina por causa de haber sido aislada por primera vez de la carne en descomposición o putrefacta; derivados de la Usina como la cadaverihá yi sl amoniaco. La cadaverina es un homólogo de la putrescina que también se sintetiza por descarboxilación pero de la Usina.
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Figura 3.25 Catabolismo de los lípidos
Catabolismo de los lípidos
Las grasas son compuestos resultantes de la esterificación o combinación, de la glicerina y ácidos grasos. El proceso de degradación de los lípidos se llama lipólisis. Las grasas pertenecen a los lípidos donde también se incluyen fosfolí pidos y esteróles.
Los lípidos de la mayoría de los organismos se encuentran en forma de triacilgliceroles (antes denominados triglicéridos). Las enzimas responsables del proceso lipolítico se llaman lipasas o enzimas lipolíticas, que degradan mediante hidrólisis los triacilgliceroles para convertirlos en glicerol y ácidos grasos (véase figura 3.25).
La glucosa es la fuente de energía más importante para la mayoría de las células. Sin embargo, sustancias como los lípidos y las pro teínas pueden utilizarse como vías alternativas. Estos sustratos al ser metabolizados tienen un intermediario común que es la acetil coenzima A (ACoA) y el ciclo del ácido cítrico es la ruta común de oxidación (véase figura 3.26).
Reproducción y desarrollo bacterianos
Cuando las bacterias se “siembran” en un medio de cultivo con condiciones adecuadas se produce un incremento, muy marcado, en el número de células en periodos de tiempo muy cortos. En
algunas especies se alcanza la población máxima en 24 horas, en cambio, en otras se necesita un periodo más largo para alcanzar el máximo de sarrollo. Ejemplos: 1) Escherichia coli, duplica la población entre 15 y 20 min; 2) Mycobac terium tuberculosis, lo hace en 792 a 932 min o, lo que es igual, 13,2 a 15,5 horas, cuando crece en un medio sintético; 3) Staphylococcus aureus, sembrado en un caldo lo hace entre 27 y 30 min; 4) Treponema pallidum inoculado en testículos de conejo, lo realiza en 1.980 min, es decir, 33 horas.
Las formas más comunes de reproducción bacteriana son: fisión binaria transversa, frag mentación, esporas y gemación.
Fisión binaria transversa
Es un proceso de reproducción asexual, por medio del cual una célula se divide en dos células idénti cas llamadas células hijas, después de formar una pared celular transversal o tabique divisorio.
Fragmentación
Al igual que la anterior, es una forma de repro ducción asexual. Se da en bacterias que producen un desarrollo filamentoso extenso, seguido de la fragmentación de esos filamentos en pequeñas células bacilares o cocoides, cada una de las cua les dará origen a un nuevo desarrollo. Ejemplo: bacterias del género Nocardia.