Fisiología Bacteriana: Estructura, Secreción, Metabolismo y Fermentación

Introducción

Ecología: las bacterias Gram negativas son anaerobias facultativas. Las de tamaño pequeño (2 x 1,5 µm) como micoplasmas, clamidias y rickettsias son las más pequeñas, y las grandes como Epulopiscium presentan una pobre relación superficie/volumen. Las bacterias de tamaño pequeño tienen un genoma de unas 96 pb; no poseen Na⁺ (salvo las marinas).

Macromoléculas

Proteínas: genes y hábitat. ARN: policistrónico estable (tARN, rARN) e inestable (mARN, no codificante). ADN: tamaño, velocidad de crecimiento y síntesis (en microorganismos pobres la velocidad es baja; en microorganismos ricos, la replicación es mayor que la división).

Superenrollamiento: real; + en arqueas termófilas; − en Lr (Lr > Lr). Restricción toroidal PTH.

Lípidos y otros componentes

Lípidos: mureína. Glucógeno: glucógeno disuelto, gránulos de PHB. Minerales: K⁺ (catión), Mg²⁺ y Ca²⁺ (cofactores), estabilizan la membrana externa de las Gram negativas.

Estructura y translocación

Mureína: N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM), unidos por enlaces β(1→4).

• Gram positivas: poli-glicerol/ribitol teicoicos.
• Gram negativas: LPS (antígeno O, polisacárido core); carga negativa por los fosfatos, compensada por Ca²⁺ y Mg²⁺.

Membrana externa (ME): pocas proteínas repetidas.

• Porinas: OmpC/F (inespecíficas) y LamB (específica).
• Receptores de alta afinidad: específicos, interactúan con TonB para el consumo de H⁺.
• TolC: secreción.

Membrana citoplasmática (MC): proteínas diversas y específicas: S2C, CR, ATPasas y transportadores.

Transporte

• Transporte pasivo: simple y fácil.
• Transporte activo: directo (tipo P, ABC) o indirecto (simporte).
• Translocación de grupo (bacterias no anaerobias estrictas): enzima I y HPr (inespecíficas), P del PEP a IIA (específico del sustrato), P al sustrato.

Exclusión inducida: diauxia. Represión catabólica: se agota el PTS; tenemos niveles altos de AMPc (alarmona), lo que produce un cambio en la expresión de genes.

Secreción

Es difícil pasar proteínas del citoplasma al exterior. Péptido señal: procesable (preproteína) o no procesable (integrada en la membrana); carga positiva en el extremo N-terminal (Arg, Lys, His), que facilita el acercamiento a la membrana negativa.

• Sec: chaperonas que evitan el plegamiento (SRP, SecB); SecA suministra energía (ATPasa); translocón SecF, SecE, SecG, SecY (salida); peptidasas señal (SPasas) cortan el péptido señal (I mayor, II lipoproteínas).
• TAT: glucopéptidos y proteínas con cofactores metálicos, plegadas; péptido señal diferente en gram+ (SPasa I).

Cruce de la ME en Gram negativas: cada proteína tiene un mecanismo distinto.

• T1: hemolisinas, TolC.
• T3: inyectisoma, análogo al flagelo.
• T4: plásmidos (T).
• T5: autotransportadores (adhesinas); región Tu, linker autoproteolítico o no escindible.

Biosíntesis

Es un proceso universal. La entrada de nutrientes requiere unos 15 pasos con ATP; la producción no gasta ATP. Se biosintetizan ATP y precursores; los polímeros requieren ATP; el ensamblaje del resto requiere ATP. La velocidad de crecimiento limita la síntesis de ribosomas. El N y el S son los únicos elementos de la materia orgánica que no provienen del catabolismo.

Nitrógeno

• NH₄⁺ alto: gasto de precursores, no de ATP (glutamato deshidrogenasa), 1 P/1 B.
• NH₄⁺ bajo: gasto de ATP y precursores (GS y GOGAT).
• Nitrato: conversión a NH₄⁺ (nitrato reductasa).
• N₂ atmosférico: bacterias fijadoras; proceso muy costoso, unos 16 ATP por N; donador de electrones ferredoxina (nitrogenasa).

Azufre: SO₄²⁻.

Siempre hay un pool de AMP y ADP; se necesitan enzimas alostéricas.

Catabolismo

Genera un gradiente de H⁺ que se aprovecha mediante ATPasa, flagelo, transporte, transhidrogenasa y TolB. Depende de la fuente de energía y del aceptor de electrones.

Vías centrales

• Glucólisis: 2 ATP, 6 precursores, no produce poder reductor (PRed).
• ED: 1 ATP, PRed.
• Ruta de las pentosas fosfato (PPP): oxidativa/no oxidativa; 2 precursores, no ATP, mucho PRed.
• Ciclo de Krebs: 3 precursores, PRed, ATP.
• Enlace: 1 precursor.

Anaplerosis

Compensan las pérdidas de la biosíntesis; varían la fuente de C y de energía (PEP a OAA, malato, glioxilato; ramas reductoras del ciclo de Krebs sin O₂).

Obtención de ATP

Nivel de sustrato: deshidrogenasas, deshidratasas, transacetilasa, fosfocetolasa. Periféricas: acetato, lactosa, ácidos grasos, aminoácidos, polisacáridos, aromáticos, catecoles.

• M1: deshidrogenasas.
• M2: quinonas (2H).
• M3: citocromos/reductasas.

Redox: con alto O₂ se atrae el electrón (alto rendimiento); con donadores bajos, rendimiento bajo.

Fermentación

Catabolismo en el que no interviene un aceptor externo al sistema (intermediario: piruvato); no hay oxidación neta, solo transitoria.

• Láctica: glucosa → glucólisis → piruvato → lactato (extracelular).
• Ácido mixto: sustrato sorbitol, glucosa, gluconato. Productos: lactato (prolongado), etanol (NAD⁺), acetato (ATP). Bloqueo de la piruvato deshidrogenasa y síntesis de PLF.
• Bacterias lácticas (Bal): solo Gram positivas fermentan; dos tipos. Homofermentativas: todo a lactato, 2 ATP. Heterofermentativas: 1 ATP, parte por la vía de las pentosas fosfato (acetato o etanol). La lactosa se transporta por PTS.
• Clostridios: Gram positivas estrictas; fermentan aminoácidos (proteolíticas) y azúcares (sacarolíticas), generando H₂, ácido butírico, y algunas homoacetogénicas.

Ambiente

P ambiente