MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL
Metabolismo microbiano Microbiología Industrial GIGM1.- Introducción
Llamamos metabolismo al conjunto de reacciones de un organismo. Para los microorganismos con los que vamos a trabajar, normalmente quimiohetero-(organo)-trofos, podemos hacer el siguiente esquema general del metabolismo:
Los microorganismos son sistemas que necesitan una gran cantidad de energía para mantenerse ordenados. Esta energía se obtiene de la oxidación de compuestos orgánicos reducidos. Los nutrientes proporcionan esos compuestos reducidos y, en el curso de la oxidación, se libera energía (que se acumula en forma de moléculas almacenadoras de energía, especialmente el ATP) y se producen elementos estructurales que servirán para la construcción de nuevas células (crecimiento y diferenciación).
Al proceso por el que se obtiene energía y elementos estructurales básicos a partir de nutrientes se le denomina catabolismo y al que utiliza la energía obtenida en el catabolismo para sintetizar nuevos componentes celulares se le denomina anabolismo. Es importante tener en cuenta que aunque se estudie de forma separada el anabolismo y el catabolismo, ambos tipos de procesos ocurren simultáneamente de forma que conforme se van produciendo elementos estructurales y energía en el catabolismo, esos elementos se usan para formar nuevos componentes celulares en procesos anabólicos.
A los productos metabólicos generados durante el catabolismo y el anabolismo que tiene lugar durante el crecimiento (trofofase) se les denomina metabolitos primarios y su producción es paralela al crecimiento celular. Por el contrario, los productos metabólicos que se acumulan cuando no hay crecimiento sino diferenciación celular (idiofase), se les denomina metabolitos secundarios. En general, puede decirse que los metabolitos secundarios se producen después de que se han producido los primarios; aunque en ciertas condiciones (como en cultivo continuo) se pueden producir simultáneamente.
Es conveniente considerar el metabolismo como un flujo de materia reducida que puede oxidarse para la producción de energía o utilizarse para la biosíntesis de nuevos elementos estructurales. No todo el carbono presente en los nutrientes va a oxidarse completamente ya que parte se utilizará para sintetizar nueva biomasa. Por otra parte, no todo el carbono de los nutrientes se utiliza para la producción de biomasa y, por consiguiente, el rendimiento (medido tal y como se describió en otro apartado de estas notas >>>) es siempre inferior a la unidad (en torno al 50% en muchos casos).
La oxidación de los nutrientes consiste en la capitación de electrones de un compuesto reducido por parte de un agente oxidante que llamaremos aceptor final de electrones. Este aceptor final puede ser inorgánico: oxígeno (con DG0`= -237 kJ) o NO3- con DG0`= -163 kJ; o compuestos orgánicos tales como el fumarato con DG0`= -86 kJ. Cuanto más negativo sea el valor de DG0`, mayor cantidad de energía se podrá obtener de la oxidación y más eficiente será el proceso. Por esto, puede verse que la oxidación en la que el aceptor final de electrones es el O2 es la que más rendimiento de producción de energía permite.
En las páginas siguientes vamos a seguir el proceso de oxidación biológica de una molécula reducida señalando los pasos en los que se produce la liberación de energía. El esquema general del metabolismo se construye en torno al proceso de oxidación de la glucosa. La ecuación general de oxidación de la glucosa es la siguiente:
C6H12O6 + 6 O2 ® 6 CO2 + 6 H2O DG0`= -1330 kJ/mol
En el proceso de oxidación biológica de la glucosa, los productos finales (CO2, H2O y la energía) se producen en sitios diferentes en la célula: el CO2 se produce en reacciones de descarboxilación, mientras que el H2O y la energía se producen principamente en la membrana celualr como resultado de la cadena transportadora de electrones y de la actividad de la ATPasa de membrana.