13.1. Biosíntesis
La célula es una excelente "industria química" encargada de ensamblar las intrincadas moléculas de la vida. Muchas de estas sustancias químicas "fabricadas" por las células son tan complejas que todavía no han podido ser sintetizadas artificialmente por los químicos en el laboratorio. Sin embargo, las bacterias pueden sintetizarlas a partir de los nutrientes y a temperatura ambiente. Estas sustancias son:
1.- Sustancias nitrogenadas, incluyendo proteínas (como son los enzimas) y ácidos nucleicos (DNA y RNA).
2.- Carbohidratos, donde se incluyen polisacáridos complejos como es la parte correspondiente del peptidoglucano de la pared celular.
3.- Fosfolípidos, los cuales son componentes importantes de la membrana citoplásmica.
13.1.1. Sustancias nitrogenadas A.- Proteínas
El ácido glutámico es el aminoácido más importante a partir del cual las bacterias sintetizan otros aminoácidos. En Escherichia coli el ácido glutámico se obtiene por reducción aminada del ácido a-cetoglutárico. Este ácido glutámico se puede transformar en otros aminoácidos por dos mecanismos: Transaminación: el grupo amino del ácido glutámico se intercambia por un átomo de oxígeno de diversos ácidos orgánicos convirtiéndolos en aminoácidos. Por ejemplo, la síntesis de alanina a partir de la transaminación
del ácido pirúvico:
Ac. glutámico (-NH2) + Acido pirúvico (=O) Acido a-cetoglutárico (=O) + Alanina (-NH2)
Alteración de la estructura molecular: la otra vía por la cual el ácido glutámico se utiliza para sintetizar otros aminoácidos es alterando su estructura molecular. Estos cambios estructurales requieren energía en forma de ATP. Un ejemplo es la síntesis de prolina:
112
Acido glutámico + ATP + NADH2 Semialdehido del ácido glutámico + ADP + P + NAD H2O + Pirrolina-5-ácido carboxílico + NADPH2 Prolina + NAD
Una vez sintetizados, estos aminoácidos deben activarse para así poder ser utilizados en la síntesis de proteínas. Las células activan los aminoácidos usando la energía del ATP de la siguiente manera:
Aminoácido + ATP Aminoácido-AMP + Pirofosfato La síntesis de proteínas se verá en capítulos posteriores.
B.- Acidos nucleicos
Los aminoácidos son utilizados también por las células para sintetizar nucleótidos (bloques constituyentes de los ácidos nucleicos). Existen dos tipos de nucleótidos según el azúcar que contengan:
Ribonucleótidos: ribosa; síntesis de RNA
Deoxiribonucleótidos: deoxiribosa; síntesis de DNA
Estos nucleótidos también se clasifican en dos grupos según la base nitrogenada que contengan:
Purinas: adenina o guanina
Pirimidinas: citosina, timina o uracilo
En la biosíntesis de las purinas se requieren los aminoácidos glicina, aspártico y glutamina además de energía en forma de ATP y GTP (guanosina trifosfato). En la biosíntesis de las pirimidinas se requieren los aminoácidos glutamina y ácido aspártico así como energía en forma de ATP. En ambos casos la ribosa fosfato se obtiene a partir de glucosa.
Una vez que se han sintetizado los nucleótidos, éstos se activan por ATP. En este proceso el nucleótido, que ya contiene un grupo fosfato, adquiere otros dos grupos fosfato. Por ejemplo, la guanosina monofosfato se activa a guanosina trifosfato:
113
El ATP, además de ser una molécula que intercambia energía, es la forma activa de un nucleótido, la adenosina monofosfato (AMP), que se utiliza para sintetizar ácidos nucleicos.
La biosíntesis de DNA y RNA a partir de los nucleótidos activados la veremos en capítulos posteriores.
13.1.2. Carbohidratos
Los microorganismos sintetizan carbohidratos mediante diferentes mecanismos según sean autotrofos (CO2) o heterotrofos (compuestos orgánicos como la glucosa) a partir de los cuales obtienen los diferentes monosacáridos. Estos monosacáridos deben ser activados para poder ser ensamblados en los polisacáridos correspondientes. Por ejemplo, la forma activada de la glucosa es uridin difosfato glucosa (UDP-Glucosa) y la fuente de energía usada es ATP y UTP:
Glucosa + ATP + UTP UDP-Glucosa + ADP + Pirofosfato
Biosíntesis del peptidoglucano de la pared celular: La síntesis de los polisacáridos bacterianos se puede ilustrar mediante la biosíntesis del peptidoglucano. Si bien este peptidoglucano está localizado en la pared celular, la mayoría de la energía utilizada en este proceso biosintético se consume dentro de la célula. Los distintos pasos involucrados en este proceso se sumarizan en:
(i) A partir de glucosa y utilizando ATP y UTP se obtiene N- acetilglucosamina-UDP (NAG-UDP).
(ii) Algunas de estas moléculas de NAG-UDP se utilizan para obtener N-acetilmurámico-UDP (NAM-UDP). La energía requerida en este paso se obtiene a partir del fosfoenolpirúvico.
(iii) A cada molécula de NAM-UDP se le unen 5 aminoácidos para formar una cadena pentapeptídica. La adición de cada aminoácido requiere energía en forma de ATP.
(iv) El grupo UDP del NAM-pentapéptido-UDP se reemplaza por un lípido llamado lípido transportador.
(v) A este NAM-pentapéptido-lípido transportador se le une una molécula de NAG-UDP para formar una unidad completa activada que se insertará en la cadena de peptidoglucano.
(vi) Esta unidad completa activada se transporta, con la ayuda del lípido transportador, a través de la membrana hacia la pared celular. (vii) Una vez en la pared celular, esta unidad completa activada se une a
una cadena de peptidoglucano alargándose esta cadena en una unidad.
114
(viii) El último paso es la unión de esta cadena a otras cadenas para formar la malla del peptidoglucano que constituye la estructura de la pared celular. Esta unión se inicia con la eliminación del quinto aminoácido de la cadena pentapeptídica, reacción catalizada por el enzima transpeptidasa. La rotura de este enlace libera energía que es utilizada por la transpeptidasa para unir los tetrapéptidos de dos cadenas distintas (el tercer aminoácido de una con el cuarto aminoácido de otra).
13.1.3. Lípidos
Los lípidos más importantes de las células bacterianas son los fosfolípidos que, junto con las proteínas, forman la estructura de la membrana citoplásmica. La vía general por la cual los microorganismos sintetizan fosfolípidos comienza a partir de glucosa (6C) que a través de la glucolisis se oxida originando dos moléculas de ácido pirúvico (3C) que a su vez se descarboxila a acetil-CoA (2C); este acetil-CoA puede carboxilarse para formar malonil-CoA (3C). Esta última reacción consume energía en forma de ATP:
Acetil-CoA + CO2 + ATP Malonil-CoA + ADP + P El acetil-CoA y malonil-CoA son las formas activas del ácido acético y
malónico respectivamente las cuales se utilizan para sintetizar ácidos grasos de cadena larga:
(2C) Acetil-CoA + (3C) Malonil-CoA Acetil-proteína + Malonil-proteína
(4C) Butiril-proteína + CO2 + Malonil-proteína (6C)-proteína + CO2+ Malonil-proteína (16C ó 18C)-proteína + CO2
Una vez formados los ácidos grasos de cadena larga, éstos se utilizan para sintetizar los fosfolípidos. Para ello se necesita además glicerol fosfato, compuesto que se obtiene por reducción de la dihidroxiacetona fosfato que es un intermediario en la glucolisis. A cada molécula de glicerol fosfato se le unen dos moléculas de ácidos grasos de cadena larga para formar una molécula de ácido fosfatídico que es un fosfolípido sencillo a partir del cual se sintetizan otros fosfolípidos mediante la unión de otros grupos químicos al grupo fosfato. Por ejemplo, el aminoácido serina se puede adiccionar al ácido fosfatídico para formar fosfatidilserina. La energía que se requiere en esta reacción se obtiene a partir de la citidina trifosfato (CTP):
115
PREGUNTAS DE AUTOEVALUACION
1. Los microorganismos quimiolitotrofos utilizan:
a) como fuentes de energía la luz y como fuente de carbono compuestos orgánicos
b) fuente de energía, compuesto inorgánicos reducidos y fuentes de carbono, CO2 atmosférico
c) fuente de energía, compuestos inorgánicos reducidos y fuentes de carbono, compuestos orgánicos
d) fuentes de carbono, CO2 atmosférico y fuente de energía, compuestos orgánicos
2. En una célula de Escherichia coli cuántas moléculas de DNA suelen haber; a) centenas b) millares c) millones d) billones
3. Las fases de microciclo son: 1= Iniciación; 2= Elongación; 3= Terminación; 4.= Disociación ¿En qué orden suceden?:
a)1-2-3-4 b) 4-1-2-3 c) 4-1-3-2 d) 2-3-1-4 e) 1-2-4-3 4. Son enzimas que intervienen en la multiplicación: 1= DNA polimerasas;
2.= Polinucleótidos-ligasas; 4= Endonucleasas; 8= Girasa
a)7 b)11 c)13 d)14 e)15
5. ¿Cuál de los siguientes eventos no se dan en la síntesis de proteínas en el llamado "microciclo"?:
a) las cadenas polipeptidicas crecen por su terminación carboxílica b) las cadenas polipeptidicas están unidas al RNAt por su enlace ester c) el RNAt ocupa dos puntos adyacentes D (peptidil o dador) y A
(aminoacil o aceptor)
d) en la disociación de las dos subunidades de ribosomas intervienen varios factores
116
Capitulo 14. ECOLOGIA MICROBIANA
14.1. Microbiologia del suelo
Existe una gran diversidad de microorganismos que viven en el suelo. El número y tipos de microorganismos presentes en el suelo depende de diversos factores ambientales como son los nutrientes, humedad, aireación, temperatura, pH, prácticas agrícolas, etc. Existen del orden de varios miles de millones de bacterias por gramo de suelo. La mayor parte son heterotrofos, siendo comunes los bacilos esporulados, los actinomicetos que son los responsables del olor a tierra mojada, y en la rizosfera (región donde el suelo y las raíces de las plantas entran en contacto) especies de los géneros Rhizobium y Pseudomonas.
1.- Ciclos biogeoquímicos
El planeta Tierra actúa como un sistema cerrado en el que las cantidades de materia permanecen constantes. Sin embargo, sí existen continuos cambios en el estado químico de la materia produciéndose formas que van desde un simple compuesto químico a compuestos complejos construidos a partir de esos elementos. Algunas formas de vida, especialmente las plantas y muchos microorganismos, usan compuestos inorgánicos como nutrientes. Los animales requieren compuestos orgánicos más complejos para su nutrición. La vida sobre la Tierra depende del ciclo de los elementos químicos que va desde su estado elemental pasando a compuesto inorgánico y de ahí a compuesto orgánico para volver a su estado elemental. Los microorganismos son esenciales en estas transformaciones químicas.
Ciclo del nitrógeno: La fijación biológica de nitrógeno, crucial en el ciclo biogeoquímico del nitrógeno, es considerada, después de la fotosíntesis, como el proceso bioquímico más importante para el mantenimiento de la vida sobre la Tierra.
14.2. Microbiología del aire
La superficie de la Tierra (suelo y agua) es la fuente de los microorganismos en la atmósfera. El viento forma polvo del suelo y estas partículas de polvo transportan los microorganismos del suelo al aire. Además, las gotas de agua que se originan en la superficie de los océanos y otros cuerpos de H2O naturales como consecuencia de la salida de burbujas de aire, pueden contener microorganismos que penetran en la atmósfera. Las esporas de hongos constituyen la mayor proporción de microorganismos en el aire.