++
Como se menciona en el capítulo 5, hay dos mecanismos metabólicos principales para la generación de enlaces de pirofosfato ácido ricos en energía en el ATP: fosforilación del sustrato (transferencia directa de enlaces de fosfato anhídrido a partir de un donador orgánico para el ADP) y la fosforilación de ADP por un fosfato inorgánico. Esta última reacción es desfavorable desde el punto de vista energético y debe ser estimulada por un gradiente electroquímico transmembrana, la fuerza motriz protónica. En la respiración, el gradiente electroquímico se crea a partir de oxidantes y reductores proporcionados del medio externo. La energía liberada por transferencia de electrones de sustancias reductoras a oxidantes a través de transportadores unidos a la membrana se acopla para la formación de un gradiente electroquímico transmembrana. En la fotosíntesis, la energía luminosa genera reductores y oxidantes relacionados con la membrana; la fuerza motriz protónica se genera conforme los electrones se transportan de regreso a un estado de equilibrio. Estos procesos se revisan más adelante.
+++
A. Estrategias para la fosforilación del sustrato
++
En ausencia de respiración o de fotosíntesis, las células dependen por completo de la fosforilación de sustrato para la producción de energía: la generación de ATP debe acoplarse con modificaciones químicas de compuestos orgánicos. Muchos compuestos pueden actuar como sustratos fermentables y para su fermentación varias vías han evolucionado. Estas vías tienen tres etapas generales: 1) conversión de un compuesto fermentable a un donador de fosfato por fosforilación del sustrato. Esta etapa a menudo contiene reacciones metabólicas en las cuales el NAD+ se reduce a NADH. 2) Fosforilación de ADP por un donador de fosfato rico en energía. 3) Pasos metabólicos que dan origen a productos de la fermentación en equilibrio químico con los materiales iniciales. La necesidad más frecuente en esta última etapa es un mecanismo para la oxidación de NADH, generado en el primer paso de fermentación, a NAD+, de forma que pueda continuar la fermentación. En la siguiente sección se consideran ejemplos de cada una de las tres etapas de fermentación.
+++
B. Fermentación de la glucosa
++
La diversidad de las vías de fermentación se ilustra al tomar en consideración algunos de los mecanismos utilizados por los microorganismos para lograr la fosforilación del sustrato a expensas de la glucosa. En principio, la fosforilación de ADP a ATP puede acoplarse para alguna de dos transformaciones químicas equilibradas:
+
+
++
Los mecanismos bioquímicos por medio de los cuales ocurren estas transformaciones pueden variar de manera considerable.
++
En general, la fermentación de la glucosa se inicia por la fosforilación a G6PD. Hay dos mecanismos por medio de los cuales ocurre esto: 1) la glucosa extracelular puede transportarse a través de la membrana citoplásmica hacia el interior de la célula donde más tarde se fosforila por el ATP para dar origen a G6PD y ADP. 2) En muchos microorganismos, la glucosa extracelular sufre fosforilación conforme se transporta a través de la membrana citoplásmica por un sistema enzimático que produce la fosforilación extracelular de la glucosa a expensas de fosfoenolpiruvato, dando origen a G6PD y piruvato intracelulares. Este último proceso es un ejemplo de metabolismo vectorial, un grupo de reacciones bioquímicas en las cuales se alteran la estructura y ubicación del sustrato. Cabe hacer notar que la elección de ATP o de fosfoenolpiruvato como agente de fosforilación no altera la cantidad de ATP producido por la fermentación, porque el fosfoenolpiruvato se utiliza como fuente de ATP en etapas avanzadas de la fermentación (fig. 6-8).
+++
C. Vía de Embden-Meyerhof
++
Esta vía (fig. 6-22) que con frecuencia se encuentra como mecanismo para la fermentación de la glucosa, utiliza una cinasa y una aldolasa (fig. 6-6) para transformar el fosfato de hexosa (C6) a dos moléculas de fosfato de triosa (C3). Hay cuatro reacciones de fosforilación del sustrato que acompañan la conversión de la triosa-fosfato a dos moléculas de piruvato. Así, al tomar en consideración los dos enlaces de pirofosfato de ATP necesarios para la formación de triosa-fosfato a partir de glucosa, la vía de Embden-Meyerhof produce una cantidad neta de dos enlaces de pirofosfato de ATP. La formación de piruvato a partir de triosa-fosfato es un proceso oxidativo en el cual se forma NADH en el primer paso metabólico (fig. 6-22) que debe convertirse a NAD+ para que continúe la fermentación; en la figura 6-23 se ilustran dos mecanismos simples para lograr este objetivo. La reducción directa de piruvato por NADH produce lactato como producto terminal de la fermentación, lo que da origen a la acidificación del medio. El piruvato también puede ser descarboxilado para formar acetaldehído, que más tarde se utiliza para oxidar el NADH, dando origen a la producción del etanol, un producto neutro. La vía tomada depende de los antecedentes evolutivos del organismo y, en algunos microorganismos, de las condiciones de crecimiento.
++
++
+++
D. Fermentaciones de Entner-Doudoroff y de heterolactato
++
Las vías alternativas para la fermentación de glucosa incluyen algunas acciones enzimáticas especializadas, que se muestran en la figura 6-24. La vía de Entner-Doudoroff difiere de otras vías del metabolismo de carbohidratos por una deshidratación de 6-fosfogluconato seguido de una reacción de aldolasa que produce piruvato y triosa-fosfato (fig. 6-24A). La fermentación de heterolactato y algunas otras vías de fermentación dependen de una reacción de fosfocetolasa (fig. 6-24B) que produce el desdoblamiento fosforolítico de cetosafosfato para producir acetil fosfato y triosa-fosfato. El anhídrido ácido de acetil fosfato puede utilizarse para la síntesis de ATP o puede permitir la oxidación de dos moléculas de NADH a NAD+ como ocurre con la reducción hacia etanol.
++
++
En las figuras 6-25 y 6-26 se muestran las generalidades de las vías de Entner-Doudoroff y de heterolactato. Mediante estas vías se produce sólo una molécula de triosa-fosfato a partir de glucosa y, por lo tanto, la energía obtenida es baja. A diferencia de la vía de Embden-Meyerhof, las vías de Entner-Doudoroff y heterolactato producen sólo un sustrato neto de fosforilación de ADP por molécula de glucosa fermentada. ¿Por qué se han elegido vías alternativas para la fermentación de glucosa en el ambiente natural? Para responder esta pregunta deben tenerse en mente dos hechos. En primer lugar, en la competencia directa por la proliferación de dos especies microbianas, la tasa de utilización del sustrato puede ser más importante que la cantidad de crecimiento. En segundo lugar, la glucosa es uno de los varios carbohidratos encontrados por los microorganismos en su ambiente natural. Por ejemplo, las pentosas pueden ser fermentadas con bastante eficiencia a través de la vía de heterolactato.
++
++
+++
E. Variaciones adicionales en la fermentación de carbohidratos
++
Las vías para la fermentación de carbohidratos pueden dar cabida a diversos sustratos que se describen a continuación y los productos terminales pueden ser más diversos de lo que podría sugerirse.
++
Por ejemplo, hay numerosos mecanismos para la oxidación de NADH a expensas de piruvato. Una de tales vías es la formación de succinato por reducción. Muchas bacterias de importancia clínica producen piruvato a partir de la glucosa por medio de la vía de Embden-Meyerhof y deben diferenciarse con base en los productos de reducción formados a partir de piruvato, lo que refleja la constitución enzimática de las diferentes especies. Los principales productos de fermentación, enumerados en el cuadro 6-1, forman la base para muchas pruebas diagnósticas.
++
+++
F. Fermentación de otros sustratos
++
Los carbohidratos son el único sustrato susceptible de fermentación. El metabolismo de aminoácidos, purinas y pirimidinas puede permitir que ocurra la fosforilación del sustrato. Por ejemplo, la arginina puede actuar como fuente energética para dar origen a fosfato de carbamoilo, que puede utilizarse para fosforilar el ADP a ATP. Algunos organismos fermentan pares de aminoácidos, utilizando a uno como donador de electrones en tanto que el otro actúa como aceptor.
+++
Patrones de respiración
++
La respiración requiere de una membrana cerrada. En las bacterias, la membrana es la membrana celular. Los electrones pasan desde un reductor químico a un oxidante químico a través de un grupo específico de transportadores de electrones en la membrana y como consecuencia se establece la fuerza motriz protónica (fig. 6-27); el retorno de protones a través de la membrana se acopla con la síntesis de ATP. Como se sugiere en la figura 6-27, el reductor biológico para la respiración con frecuencia es NADH y el oxidante a menudo es el oxígeno.
++
++
En las fuentes de reductores utilizados para generar NADH se muestra una notable diversidad microbiana y muchos microorganismos pueden utilizar aceptores de electrones diferentes al oxígeno. Los sustratos para el crecimiento orgánico se convierten a metabolitos focales que pueden reducir NAD+ a NADH ya sea por la vía de monofosfato de hexosa (fig. 6-7) o por el ciclo del ácido tricarboxílico (fig. 6-11). Pueden generarse reductores adicionales durante el desdoblamiento de algunos sustratos de crecimiento; por ejemplo, ácidos grasos (fig. 6-10).
++
Algunas bacterias, conocidas como quimiolitótrofas, son capaces de utilizar reductores inorgánicos para la respiración. Estas fuentes energéticas incluyen hidrógeno, y hierro ferroso y varias formas reducidas de azufre y nitrógeno. El ATP obtenido por la respiración y por el NADPH generado por los reductores puede utilizarse para favorecer el ciclo de Calvin (fig. 6-13).
++
Los iones y compuestos diferentes al O2 pueden utilizarse como oxidantes terminales en la respiración. Esta capacidad para la respiración anaerobia es un rasgo microbiano de amplia distribución. Los aceptores adecuados para los electrones incluyen el nitrato, sulfato y dióxido de carbono. El metabolismo respiratorio que depende de dióxido de carbono como aceptor de electrones es una propiedad que se encuentra en un gran grupo de microbios, las arqueobacterias. Los microorganismos de este grupo poseen, por ejemplo, la capacidad de reducir dióxido de carbono a acetato como un mecanismo para la generación de energía metabólica.
+++
Fotosíntesis bacteriana
++
Los organismos fotosintéticos utilizan energía luminosa para separar la carga electrónica, crear reductores y oxidantes relacionados con la membrana como consecuencia de un evento fotoquímico. La transferencia de electrones de reductores a oxidantes crea una fuerza motriz protónica. Muchas bacterias llevan a cabo el metabolismo fotosintético sin depender en lo absoluto del oxígeno. La energía luminosa se utiliza como fuente de energía metabólica y el carbono para el crecimiento se obtiene ya sea a partir de compuestos orgánicos (fotoheterótrofos) o a partir de la combinación de reductores inorgánicos (p. ej., tiosulfato) y dióxido de carbono (fotolitótrofos). Estas bacterias poseen un sistema único que, aunque es suficiente para proporcionar energía para la síntesis de ATP y para la generación de gradientes iónicos transmembrana esenciales, no permite la reducción muy exergónica de NADP+ a expensas de agua. Dicho proceso es esencial para la fotosíntesis a partir de oxígeno y depende de la energía adicional suministrada proveniente del acoplamiento de los eventos fotoquímicos diferentes, estimuladas por dos sistemas fotoquímicos independientes. En las células procariotas esta característica se encuentra únicamente en las cianobacterias (bacterias azul-verdosas). Entre los microorganismos eucariotas, el rasgo es compartido por algas y plantas en las cuales el organelo esencial para la producción de energía es el cloroplasto.