Los organismos quimioorganótrofos obtienen el poder reductor por 3 vías diferentes: respiración aerobia, respiración anaerobia y fermentación. En esta sección nos centraremos en la respiración aerobia y la fermentación. En un siguiente artículo veremos la respiración anaerobia.
En el metabolismo microbiano aparecen la respiración aerobia y anaerobia. En la respiración aerobia el aceptor final de electrones es el O2, a diferencia de la anaerobia, donde suele ser un nitrato o un sulfato. La obtención de energía en forma de ATP es distinta en la fermentación y la respiración. En la primera se da por fosforilación a nivel de sustrato (PnS), y en la segunda, además de este método, se usa también la fosforilación oxidativa.
Hay una diferencia clave a la hora de obtener energía:
Toda fermentación supone una oxidación parcial, la liberación de una pequeña cantidad de energía, de modo que los productos finales pueden seguir siendo oxidados. Es común que utilicen el producto de fermentación de otros organismos. También puede ser un proceso catabólico anaerobio. El hecho de que no requiera oxígeno no implica que la fermentación no se realice en presencia de éste.
También se puede decir que una fermentación es un proceso redox interno en el que ciertos intermediarios derivados de ese sustrato que se fermenta actúan como donadores o como aceptores de electrones, pero tanto unos como otros derivan de ese sustrato que se fermenta.
Partiendo de glucosa, la degradación hasta pirúvico se denomina glucólisis. En los microorganismos podemos encontrar 3 vías de degradación de glucosa a piruvato:
No quiere decir que todos usen las 3. Una característica común de las 3 es que previa a la rotura de la glucosa ésta se fosforila hasta glucosa-6-fosfato (G6P). En procariotas entra a la célula por translocación de grupos, exclusiva de procariotas y no presente en todos. En eucariotas por transporte activo por una hexoquinasa o difusión facilitada.
Es indudablemente la vía más común de la degradación de la glucosa a piruvato. La vía en conjunto puede dividirse en 2 fases: fase de preparación de la molécula hasta gliceraldehído-3-P (reacciones de moléculas de 6 carbonos), y fase de reducción de glucosa-3-fosfato (G3P) hasta piruvato (moléculas de 3 carbonos). En la segunda fase obtenemos 2 piruvatos, 2 ATP y 2NADH. Por cada glucosa se obtienen 2 moléculas de G3P.
1 glucosa → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH
Comienza con la formación de G6P y 6-fosfogluconato. El 6-fosfogluconato da 2-ceto-3-deoxi-6-fosfogluconato, el cual da por un lado piruvato y por otro G3P, que más adelante dará piruvato. Esta vía es conocida como vía del fosfogluconato. Obtenemos 1ATP, 1NADPH y 1NADH.
1 glucosa → 1 ATP + 1 NADH + 1 NADPH + 2 piruvato
La vía de las pentosas fosfato supone una serie de complejas interconversiones de azúcares catalizadas por transcetolasas y transaldolasas. Para hacer el balance global debemos partir de 3 moléculas de glucosa, sabiendo que dos de ellas continúan en el ciclo:
1 piruvato + 3 CO2 + 1 ATP + 2 NAPDH + 1 NAD+
Por esta ruta podemos obtener ribulosa que la célula va a aprovechar para la fijación de CO2 por el ciclo de Calvin.
La oxidación de la glucosa libera teóricamente 686 kcal/mol. De esta cantidad queda almacenada en ATP aproximadamente un 2%. A partir del piruvato se generan distintos productos que dan nombre a las fermentaciones. En algunas fermentaciones se puede generar algo más de ATP, siempre por fosforilación a nivel de sustrato.
La alcohólica la llevan a cabo muchos hongos y diversas algas y protozoos. Fermentan el piruvato hasta etanol y CO2 (obtienen el piruvato por la ruta de EM). El piruvato se descarboxila a acetaldehído, y este es reducido hasta etanol gracias a la enzima alcohol-deshidrogenasa, consumiendo el NADH obtenido en la glucólisis. Este tipo de fermentación la llevan a cabo las levaduras como Saccharomyces.
En la fermentación láctica se produce mayoritariamente lactato. Hay 2 tipos:
La fermentación alcohólica y acidoláctica es usada por el hombre. La alcohólica es usada para la obtención de bebidas alcohólicas, pan, etc. La fermentación láctica se usa para formar el yogur, y también es la causa del deterioro de algunos alimentos.
Es típica de enterobacterias. Usan la vía de EM y presentan una característica bioquímica particular que no se da en otras fermentaciones: la escisión especial del piruvato que da lugar a ácido fórmico. El piruvato se oxida hasta acetil-CoA y ácido fórmico. Este ácido es con frecuencia un producto final a veces mayoritario en la fermentación, pero no siempre se acumula ya que algunas bacterias tienen la hidrogenoliasa fórmica que lo escinde en CO2 e H2. El hidrógeno es insoluble en agua y el CO2 es soluble en forma de carbonatos o bicarbonatos. Hay determinados géneros de enterobacterias que son productoras de gas, y en otras cepas no se aprecia. Es un sistema enzimático formado por una hidrogenasa y una deshidrogenasa.
La ácido-mixta da lugar a etanol y una mezcla compleja de ácidos: láctico, succínico, acético y fórmico. El piruvato se reduce a lactato que puede convertirse a succinato mediante una carboxilación, el etanol procede junto con acetato del acetil-CoA y el fórmico da lugar a CO2 e hidrógeno. Si producen gases, es en cantidades equimoleculares de CO2 e hidrógeno. Es típica de Escherichia, Proteus, Salmonella y otros. Algunos carecen de hidrogenoliasa fórmica: Shigella, Salmonella typhi, Yersinia, Vibrio (la mayoría de especies), Aeromonas (algunas especies), Pasteurella. La proporción de ácidos es mayor que la de productos neutros.
En la butanodiólica el piruvato se convierte en 2-3-butanodiol mayormente. Uno de los intermediarios es la acetoína. En esta conversión se libera CO2 en 2 pasos, por tanto, si forman CO2 e H2 a partir del fórmico, habrá mayor cantidad de CO2 (siempre forman CO2). También se produce una gran cantidad de etanol junto con pequeñas cantidades de los ácidos anteriores. La proporción de ácidos es inferior a la de productos neutros. Esta fermentación es típica de Enterobacter, Klebsiella, Aeromonas (algunas especies), Photobacterium (algunas especies). Estos géneros poseen la enzima hidrogenoliasa fórmica, mientras que carecen de ella Serratia y Erwinia.
Las fermentaciones acidomixtas son muy útiles en la identificación de enterobacterias. Son fácilmente identificables mediante pruebas que determinan su tipo de fermentación. Los butanodiólicos pueden diferenciarse de los otros al menos de 3 maneras. La prueba de Vogs-Proskauer es un procedimiento colorimétrico que detecta la acetoína (dará positivo en fermentación butanodiólica). Forma parte de una serie de pruebas denominadas IMViC. Los que tengan ácido-mixta acidifican los medios mucho más que los otros, es la base de la prueba rojo de metilo (positiva en estas bacterias). Según la cantidad de H2 o CO2 formado también se pueden diferenciar.
La fermentación aceto-butírica la realizan especies del género Clostridium, como Clostridium lactoacetophilum. Llegan a piruvato por EM. La producción de H2 funciona para mantener el equilibro redox de la célula. El piruvato se oxida a H2, CO2 y acetil-CoA. Los electrones pasan a una ferredoxina oxidada y poseen una hidrogenasa que capta los protones del agua y los electrones de esa ferredoxina, reoxidándola. Se denomina reacción fosforoplástica. El acetil-CoA se convierte en acetato y butirato, y en las reacciones finales se produce 1ATP adicional al obtenido con la glucólisis.
En la fermentación de acetona-butanol algunas de las bacterias del ácido butírico forman al final de la fermentación compuestos neutros adicionales, como butanol, acetona e isopropanol mayoritariamente. En las etapas iniciales, el acetoacetil-CoA da lugar a butiraldehído, y este a butanol, a diferencia de la otra ruta. Baja el pH por la producción de H2 y se acumulan los compuestos. A medida que ocurre esto pueden usar parte del H2 para, al desviar las rutas, producir estos compuestos neutros. En las etapas finales se produce una cierta reducción del acetato y butirato y el H2 formado. Usan algo del H2 también para reducir NAD+ a NADH, necesario en las etapas iniciales.
Este tipo de fermentación fue muy usada en industria para la producción de acetona o butanol, aunque hoy en día su síntesis química ha reemplazado el proceso microbiológico. La realizan miembros del género Clostridium como C. acetobutylicum, C. butyricum o C. pasteurianum.
Reacción de stickland
Algunos miembros de Clostridium llevan a cabo la fermentación de aminoácidos. Algunos clostridios pueden fermentar aminoácidos individuales, otros son capaces de fermentarlos por pares y muchos son proteolíticos. C. botulinum realiza la reacción de Stickland en la que uno de los aminoácidos se oxida, la alanina (Ala), y otro se reduce, glicina (Gly). Solo el triptófano (Trp) y la tirosina (Tyr) pueden desempeñar ambas funciones. Esta reacción permite que cualquier aminoácido de las proteínas pueda ser usado como fuente de energía. Ninguno, ni alanina ni glicina, se puede fermentar de manera independiente. La alanina actúa de donador de electrones y se oxida hasta piruvato, que se oxida hasta acetil-CoA y dará acetil-P y posteriormente acetato. A consecuencia de esto se reduce NAD+ que puede ser empleado para reducir 2 Gly a 2 acetato. El balance global sería:
Ala + 2Gly → 3NH3 + 3CH3COOH + CO2
Se obtiene un ATP en la formación de acetato.
Es llevada a cabo por Propionibacterium. Fermenta azúcares y va a producir fundamentalmente propionato. Dependiendo del sustrato que emplee, varían los productos finales, pudiendo producir propionato, acetaco, CO2 y en ocasiones succinato. El NADH formado durante la glucólisis se reoxida como parte de un ciclo donde se va a formar el propionato. El piruvato se carboxila a partir del metilmalonil-CoA, dando oxalacetato, malato, fumarato, succinato y finalmente da lugar al propionato por una reacción de transferencia de CoA desde el propionil-CoA al succinato. Cuando se descarboxila el metilmalonil-CoA da lugar al propionil-CoA. El propionil-CoA da lugar al propionato y el succinato a succinil-CoA, que es un isómero del metilmalonil-CoA.
El balance global sería: 1 glucosa → 2 piruvato → 2 propionato.
El piruvato puede descarboxilarse hasta acetil-CoA, que se fosforila a acetil-P. En el paso de acetil-P a acetato se forma ATP. Es importante en la fermentación del queso suizo, llevada a cabo por homofermentadores (Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus...). En la fermentacion de la cuajada, los homofermentadores pasan la glucosa a lactato, tras lo cual se desarrollan las propionobacterias. Tanto el propionato como el acetato son los responsables de darle al queso el aroma distintivo. La acumulación del CO2 formado de esta fermentación es la responsable de los típicos agujeros del queso suizo. Estas mismas bacterias, dependiendo de qué sustrato partan, forman un queso más compacto o menos (si parten de lactato el queso tiene más agujeros). Además del propionato, también pueden formar succinato.
Esta formación está fuertemente influenciada por el contenido en CO2 del medio en el que crecen. La formación de succinato se produce por una carboxilación del intermediario de la glucólisis fosfoenolpiruvato, que da lugar a oxalacetato que es reducido de forma secundaria hasta succinato. El succinato formado durante la fermentación no es el mismo que actúa como intermediario. Sólo se forma con exceso de CO2.
Es un proceso de obtención de energía en forma de ATP en el que los compuestos orgánicos son oxidados. No es un proceso redox interno, sino que hay un donador de electrones y un aceptor final, en este caso el oxígeno, que se reduce a agua. En presencia de oxígeno se obtiene ATP por fosforilación oxidativa y a nivel de sustrato. Tras la degradación de la glucosa a piruvato, éste se incorpora al ciclo TCA en forma de acetil-CoA. Posteriormente en el ciclo TCA los coenzimas reducidos se reoxidan cediendo los electrones a una cadena de transporte de electrones (CTE) cuyo aceptor final es el oxígeno.
Dentro de los microorganismos aerobios destacan las proteobacterias quimioorganótrofas aerobias, que incluyen a Pseudomonas, Azotobacter y Rhizobium, entre otros.
Los microorganismos que carecen de un ciclo de Krebs completo tienen la mayoría de sus enzimas funcionales ya que una de las funciones del ciclo es proporcionar esqueletos de carbono para reacciones de biosíntesis, es una ruta anfibólica (tiene funciones anabólicas y catabólicas). La salida de los intermediarios precisa de su reemplazamiento por las reacciones anapleróticas, como la carboxilación del piruvato por la PEP carboxilasa, el ciclo del glioxilato, etc
La CTE (cadena de transporte de electrones) está formada por transportadores que poseen potenciales redox ordenados de menor a mayor, de modo que la cesión de electrones es termodinámicamente favorable. Hay 4 complejos respiratorios. El complejo I es la NADH deshidrogenasa, el II el succinato-CoQ óxidorreductasa, el III es la ubiquinol-citocromoC óxidorreductasa y el IV la citocromo oxidasa. Cada uno de estos complejos acopla la energía liberada por la transferencia de electrones con la captación de protones procedentes del agua y los libera al otro lado de la membrana.
Parte de la energía liberada es atrapada en ATP por fosforilación oxidativa. Hay 3 puntos donde puede ocurrir esto a partir del NADH, y dos a partir del FADH2. Existen inhibidores (azida, CO, cianuro...) de la CTE y desacopladores de electrones, que disocian la cadena de transporte electrónico de la fosforilación oxidativa (detienen la síntesis de ATP sin afectar al transporte de electrones), como el 2,4-dinitrofenol o la termogenina.
En el caso de los microorganismos no siempre aparecen estos intemediarios, ni están esos 3 puntos de fosforilación oxidativa. Los anaerobios aerotolerantes nunca respiran, no tienen cadena de transporte de electrones, siempre fermentan. Poseen un enzima denominado peroxidasa. Esto no quiere decir que no puedan sintetizar ATP, poseen una ATP sintasa que puede trabajar de forma reversible, puede formar ATP o hidrolizarlo. Los fermentadores conservan la actividad ATPasa pero sólo funciona unidireccionalmente hidrolizando el ATP para generar una fuerza protón-motriz.
Lo realizamos en base al cociente del ATP producido por átomo de oxígeno reducido por dos electrones de la cadena (P/O), en la oxidación de NADH obtenemos 3ATP y del FADH2, 2. el balance energético global es de unos 38 ATP producidos por mol de glucosa consumido.
Es un balance teórico. La oxidación total de la glucosa libera teóricamente 686 Kcal/mol, para sintetizar un ATP precisamos unas 7 Kcal. La energía conservada en forma de ATP es un 38% de la liberada, por lo que la respiración aerobia es 19 veces más eficiente que la fermentación.
En eucariotas, la relación P/O es entre 2'5 y 1'5, porque para entrar el NADH a la mitocondria se precisa el consumo de energía. Ahora bien, en procariotas la producción aerobia de ATP puede ser inferior (P/O). En procariotas las CTE son distintas, más cortas; dentro de un mismo microorganismo puede variar según las condiciones ambientales. E. coli tiene una CTE con un CoQ, y a partir de este punto la cadena se bifurca y puede transferir los electrones a un citocromo o a otro dependiendo de la presión parcial de oxígeno: Cit d (a presión parcial baja) o Cit o (presión parcial alta). En ambos casos va a parar al oxígeno.
Muchos microorganismos al pasar de condiciones anóxicas a óxicas se ha observado que reducen drásticamente la velocidad del catabolismo de los azúcares. Pasan de fermentar a respirar. Este fenómeno regulador se denomina efecto Pasteur. Es una ventaja evidente para el microorganismo, al respirar aeróbicamente es necesario degradar una cantidad de glucosa menor que al fermentar para obtener la misma cantidad de ATP. Se observa en anaeróbicos facultativos con metabolismo respirofermentativo y en algunas levaduras.
Cuando hay oxígeno se induce la síntesis de citocromos. El NADH se reoxida en la CTE. Esto afecta al consumo de la glucosa, si se mide su desaparición en el cultivo de un microorganismo sin oxígeno. Al transferir el cultivo a condiciones óxicas se observa que la pendiente se reduce unas 19 veces, ya que el rendimiento energético de la respiración es unas 19 veces superior al de la fermentación. En cuanto al efecto sobre el crecimiento, éste aumenta en condiciones óxicas.
El número de equivalentes de reducción, al pasar de ausencia a presencia de oxígeno, se reduce. Es decir, disminuye la relación NADH/NAD+. El NADH no esta disponible para la producción de productos de fermentación. Del mismo modo, la relación ATP/ADP aumenta. El ATP actúa sobre una enzima de la glucólisis, la fosfofructoquinasa I. Es un enzima alostérico que se inactiva parcialmente a elevada concentración de ATP, lo que explica el descenso en la pendiente del consumo de glucosa.
Los metanótrofos oxidan el metano por la metanomonooxigenasa (MMO) y lo convierten en metanol. No se forma NADH, sino que se precisa. El producto final es el CO2, tras la actuación de una serie de deshidrogneasas. Los electrones son cedidos a distintos componentes de la CTE para la síntesis de ATP. El poder reductor se obtiene por transporte inverso de electrones. Esto se manifiesta en un bajo rendimiento en el crecimiento. El metano se convierte en formaldehído, que es el producto que se va a fijar, dependiendo del tipo de microorganismo, por una ruta o por otra.
Al comparar el rendimiento de ambas rutas, los del tipo 1 crecerán más rápidamente.
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