Tercera semana del cuarto periodo grado noveno

Metabolismo procariota

 

Puntos más importantes:

• Algunos procariontes son fotótrofos, porque obtienen su energía del sol. Otros son quimiótrofos, y obtienen su energía de compuestos químicos.
   
• Algunos procariontes son autótrofos, fijan carbono a partir de $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Otros son heterótrofos, obtienen carbono de compuestos orgánicos hechos por otros organismos.
   
• Los procariontes pueden tener un metabolismo aerobio (que requiere oxígeno) o anaerobio (que no necesita oxígeno), y algunos de ellos pueden cambiar de una modalidad a otra.
   
• Algunos procariontes tienen enzimas especiales y rutas que les permiten metabolizar compuestos que contienen nitrógeno o azufre.
   
• Los procariontes juegan papeles esenciales en los ciclos de nutrientes en los ecosistemas.
   

Introducción

En el esquema de las cosas, tu y yo tenemos una gama bastante limitada de formas de alimentarnos. Podemos decidir entre comer vegetales y helado (¡y disfrutar de ambos en cantidades saludables!), pero no es probable que realicemos fotosíntesis. Tampoco es probable que comamos sulfuro de hidrógeno, el compuesto que produce el "olor a huevo podrido", en el desayuno.

 

Los procariontes (bacterias y arqueas) son mucho más diversos que los humanos en sus estrategias nutricionales, es decir, en las formas en las que obtienen carbono fijado (moléculas de combustible) y energía. Algunas especies consumen materia orgánica como animales y plantas muertos. Otros viven de los compuestos inorgánicos que hay en las rocas. Una bacteria, Thiobacillus concretivorans, ¡consume ácido sulfúrico capaz de fundir el metal!.

 

En este artículo, veremos las diferentes formas en las que los procariontes pueden obtener y metabolizar su alimento, así como la manera en la que pueden influir en los ciclos de nutrientes.

 

Modos de nutrición

Todas las formas de vida de la Tierra necesitan energía y carbono fijado (carbono incorporado en moléculas orgánicas) para sintetizar las macromoléculas que conforman sus células, ya sean humanos, plantas, hongos o procariontes. Es posible clasificar a los organismos con base en cómo obtienen energía y carbono.

 

Primero, podemos clasificar a los organismos por la fuente de la que obtienen carbono fijado (que pueden utilizar):

• Los que fijan carbono a partir de dióxido de carbono ($\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) u otros compuestos inorgánicos se llaman autótrofos.
   
• Aquellos que obtienen carbono fijado de compuestos orgánicos producidos por otros organismos (ya sea que se los coman o consuman sus productos secundarios) se llaman heterótrofos.

Adicionalmente, podemos clasificar a los organismos por su fuente de energía:

• Los que usan la luz (solar, principalmente) como fuente de energía se llaman fotótrofos.
   
• Aquellos que usan sustancias químicas como fuente de energía se llaman quimiótrofos.

Podemos dividir a los procariontes (y otros organismos) en cuatro categorías diferentes según sus fuentes de carbono y energía: 

 

 

Tendemos a estar bastante familiarizados con los fotótrofos, como las plantas, y los quimioheterótrofos, como seres humanos y demás animales. Las especies de procariontes caen en estas dos categorías, así como en dos categorías menos familiares (fotoheterótrofos y quimioautótrofos) a las cuales no pertenecen las plantas y animales${}^{\mathrm{}}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript.

 

Respiración aerobia y anaerobia

Otro aspecto metabólico en el que los procariontes se diferencian de los humanos (¡y en el que son mucho más diversos!) es su necesidad de oxígeno. Algunos lo necesitan, a otros los envenena y algunos otros pueden utilizarlo o no, según su disponibilidad.

• Los procariontes que necesitan $\text{O}_2$ para llevar a cabo su metabolismo se llaman aerobios estrictos. Los seres humanos también somos aerobios estrictos (como seguramente habrás notado al intentar contener la respiración por mucho tiempo). 
   
  ¿Por qué necesitan oxígeno estos organismos?

  Estos procariontes llevan a cabo respiración celular aeróbica, un proceso que usa una cadena de transporte de electrones para extraer energía de las moléculas combustibles. El oxígeno es necesario porque es el aceptor final de electrones al término de la cadena.

   
• Los procariontes que no toleran el $\text O_2$y solo pueden llevar a cabo metabolismo anaeróbico se llaman anaerobios estrictos. C. botulinum, la bacteria que provoca el botulismo (una forma de intoxicación por alimentos) cuando crece en los alimentos enlatados, es un anaerobio estricto, lo que explica por qué prolifera en las latas selladasstart superscript, 4, end superscript.
   
  [¿Cómo hacen estos organismos para metabolizar sin oxígeno?]

  Estos procariontes pueden usar la fermentación, un proceso que convierte el piruvato en ácido láctico o en etanol. Alternativamente, pueden llevar a cabo respiración anaerobia, un tipo de respiración celular que usa una molécula distinta del oxígeno (como nitrato o sulfato) como aceptor final de electrones en la cadena de transporte de electrones.

   
• Los anaerobios facultativos usan el metabolismo aerobio cuando hay ${\text{O}}_2$ presente, pero cambian al metabolismo anaerobio si está ausente. Las bacterias que producen las infecciones por estafilococos y estreptococos son ejemplos de anaerobios faculativos${}^{\mathrm{}}$.
   
  

  Crédito de imagen: "Clostridium botulinum", de U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), dominio público
  

   

Metabolismo del azufre y el nitrógeno

Algunas bacterias y arqueas tienen rutas metabólicas que les permiten metabolizar el nitrógeno y el azufre de formas que los eucariontes no pueden. En algunos casos, usan moléculas que tienen nitrógeno o azufre para obtener energía, pero en otros casos, utilizan energía para convertir estas moléculas de una forma a otra. 

 

Metabolismo del azufre

Algunos ejemplos fascinantes de procariontes que metabolizan azufre los encontramos en los ecosistemas del fondo del mar. Por ejemplo, ciertas especies de procariontes pueden oxidar el sulfuro de hidrógeno (${\text{H}}_2\text{S}$) que sale de las fuentes hidrotermales ardientes. Usan la energía liberada en este proceso para fijar el carbono inorgánico del agua en azúcares y otras moléculas orgánicas en un proceso conocido como quimiosíntesis${}^{\mathrm{}}$start superscript, 6, end superscript.

 

_Imagen: "Fumarolas blancas del respiradero Champagne.jpg", de NOAA (dominio público)_

 

Los procariontes que metabolizan azufre son la base de las cadenas alimenticias en sus hábitats del fondo marino (donde no llega ni el más mínimo rayo de luz que permita la fotosíntesis). Los procariontes que metabolizan azufre mantienen comunidades enteras de organismos, entre ellos gusanos, cangrejos y camarones a miles de metros bajo la superficie del océanostart superscript, 7, end superscript.

 

Metabolismo del nitrógeno

Entre los procariontes que metabolizan nitrógeno se encuentran fijadores de nitrógeno, nitrificantes y desnitrificantes. Estos juegan papeles fundamentales en el ciclo del nitrógeno al convertir los compuestos nitrogenados de una forma química a otra.

 

_Imagen modificada de "Nódulos fijadores de nitrógeno en las raíces de leguminosas.JPG", de Terraprima (CC BY-SA 3.0)_

 

Los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico ($\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) en amoníaco ($\text {NH}_3$) que las plantas y otros organismos pueden incorporar en sus moléculas orgánicas. Algunas plantas de la familia de las leguminosas, como los chícharos, forman relaciones mutuamente beneficiosas (mutualistas) con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas albergan y brindan alimento a las bacterias en estructuras llamadas nódulos radicales, y las bacterias proveen a las raíces de nitrógeno fijado.

 

Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, hacen más o menos lo opuesto, convierten los nitratos en gas $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript.

 

Ciclos biogeoquímicos

El reciclado constante de los elementos químicos es vital para el funcionamiento de los ecosistemas. En los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, los elementos químicos se convierten entre varias formas químicas distintas en un ciclo repetitivo.

 

Debido a la diversidad de sus metabolismos, los procariontes tienen funciones importantes en muchos ciclos globales. Aquí veremos con más detalle su papel en dos de estos: los ciclos del carbono y del nitrógeno.

 

Ciclo del nitrógeno

Como vimos en la última sección, los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico ($\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) en amoniaco (${\text{NH}}_3$start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript). Las plantas y otros organismos entonces pueden usar el amoniaco para formar moléculas como animoácidos y nucleótidos.

 

Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, que convierten los nitratos en $\text N_2$start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, devuelven los átomos de nitrógeno del suelo a la atmósfera. 

 

La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del nitrógeno, en la que se enfatiza la función de los procariontes.

 

Ciclo del carbono

Los procariontes también son importantes en el ciclo del carbono. Los procariontes fotosintéticos como las cianobacterias, usan la energía luminosa para tomar el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript de la atmósfera y fijarlo en moléculas orgánicas. Este es el mismo proceso básico que llevan a cabo las plantas fotosintéticas.

 

Los procariontes descomponedores, en cambio, mueven el carbono en la dirección contraria. Cuando degradan la materia orgánica muerta (de plantas y animales que anteriormente estaban vivos), regresan el $\text{CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript a la atmósfera por medio de la respiración celular. La descomposición también libera varios otros elementos y moléculas inorgánicas para ser reutilizadas.

 

La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del carbono en la que se enfatiza la función de los procariontes.