TIPOS DE METABOLISMO Y TIPOS DE METABOLITOS El metabolismo es es el conjunto de procesos y reacciones químicas anabólicas (requieren energía) y catabólicas (liberán energía); por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes que necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un microorganismo microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales. Metabolitos primarios Se producen en el curso de las reacciones metabólicas anabólicas o catabólicas que tiene lugar durante las fases de crecimiento y que contribuyen a la producción de biomasa o energía por las células. Se producen principalmente en la trofofase o fase de crecimiento. Metabolitos secundarios Se producen por rutas anabólicas especializadas cuando no hay crecimiento. Significado evolutivo controvertido por ser imprescindibles. Pueden ser una estrategia para mantener en funcionamiento los sistemas metabólisis cuando no hay crecimiento; también sirven como indicativos de diferenciación diferenciación y se producen durante la idiofase de los cultivos. Entre sus características comunes; tienden a producirse cuando el crecimiento está limitado (cultivo contínuo); se forman por enzimas específicos a partir del metabolismo central; no son esenciales para el crecimiento o para el metabolismo metabolismo central y son específicos para cada especie, y a veces, de cada cepa. Clasificación de los productos que se pueden obtener de los microorganismos (según que función cumplan dentro del metabolismo) I. Productos finales del metabolismo energético. energético. II. Productos intermedios de metabolismo metabolismo primario. III. Productos de metabolismo secundario. I. Productos finales del metabolismo energético. energético. I. Son ejemplos de este grupo el etanol, ácido láctico, acético, butírico, butanol, y otros compuestos asociados a procesos anaerobios. Su formación es consecuencia directa de la degradación de la fuente de carbono para obtener energía. Hemos visto en el capítulo anterior que la energía se emplea tanto para crecimiento como para mantenimiento celular, por lo que en este tipo de productos la velocidad de formación tendrá dos contribuciones: Expresando la velocidad de formación de producto debida al crecimiento se obtiene;
Y expresando la velocidad de formación de producto debida al mantenimiento;
II. Productos intermedios del metabolismo metabolismo primario Pertenecen a este grupo los aminoácidos, aminoácidos, los nucleótidos, nucleótidos, las vitaminas, los ácidos orgánicos, y pueden incluirse también biopolímeros como enzimas. Los procesos de obtención son aerobios y la formación de estos productos ocurre principalmente en organismos que han sido sometidos a mutaciones o que se los hace crecer en medios deficientes. En cualquier caso lo que se pretende es lograr una regulación anormal del metabolismo tal que la fuente de carbono y energía se derive hacia la formación del producto deseado. En general, y a diferencia de los productos pertenecientes pertenecientes al primer grupo, no existe una relación directa entre la generación de energía y la síntesis de los productos de este grupo. La cinética de formación de estos productos es más compleja que los del grupo 1, y no existe hasta el momento ninguna expresión simple que abarque a todos, si bien Roels y Kossen han propuesto la siguiente ecuación para ser ensayada con este tipo de productos;
La misma posee gran flexibilidad ya que E puede tomar cualquier valor mayor que cero, lo que permite ajustar distintas relaciones entre q p y u.
III. Productos de metabolismo secundario. Pertenecen a este grupo los antibióticos, las toxinas, los alcaloides y las giberelinas. Históricamente Históricamente se ha considerado a los metabolitos secundarios como aquellos que no son indispensables para las funciones vitales del microorganismo, a diferencia de los metabolitos primarios, aunque tal afirmación se encuentre actualmente en revisión. Cualquiera sea el caso, existen algunas características que diferencian a este grupo del anterior. Frecuentemente Frecuentemente los precursores específicos para la biosíntesis de estos productos son obtenidos por modificación de metabolitos primarios. primarios. Por otra parte estos precursores suelen ser limitantes de la biosíntesis. El cultivo continuo y el bath alimentado son sistemas de cultivo que permiten regular la velocidad de crecimiento, y por tanto muy apropiados para obtener este tipo de productos. Los productos de este grupo comparten con el anterior la necesidad de un adecuado suministro de oxígeno para su formación. Cuando este requisito no es satisfecho los rendimientos disminuyen.
CRECIMIENTO CELULAR Crecimiento en términos de masa de bacterias Se estudia la variación de la masa de microorganismos con el tiempo. Se pueden distinguir cuatro fases. 1. Fase de retardo: Fase de ambientación. Es más corta que la fase de retardo de acuerdo al número de bacterias La masa de bacterias aumenta antes que se dé la división celular. 2. Fase de crecimiento exponencial: exponencial: Siempre existe un exceso de alimento alimento alrededor del microorganismo. microorganismo. La tasa de metabolismo y crecimiento solo es función de la capacidad de los microorganismos de procesar el substrato. 3. Fase de crecimiento decreciente: La tasa de crecimiento disminuye por la limitada disponibilidad de alimento. 4. Fase endógena: Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición del mismo, ya que la concentración de alimento disponible se encuentra al mínimo. Se puede presentar lisis.
Cinética de crecimiento microbiano Su manejo permite controlar las características del medio ambiente necesario para el crecimiento celular. Para que los organismos crezcan, se requiere que permanezcan un tiempo suficiente en el sistema para que se reproduzcan y se analiza su Tasa de crecimiento y la velocidad a la que metabolizan. metabolizan. Esto es válido para sistemas de cultivo continuo o discontinuo;
r g = µ X
Ecuación (1)…………………………………
Donde: rg = tasa de crecimiento bacteriano, masa/volumen unitario
-1
μ = μ = tasa de crecimiento específico, tiempo -1 X = X = concentración de microorganismos, masa/volumen unitario. Para cultivos de alimentación discontinua; Ecuación (2)…………………………………
dX dt
= µ X
Crecimiento con limitación de sustrato Si en cultivos de alimentación alimentación discontinua se presentan cantidades limitadas limitadas de un substrato o nutrientes, este se agotará primero y se detendrá el crecimiento. En un cultivo continuo, el anterior hecho tiene el efecto de limitar el crecimiento. Ecuación (3)………………………………… µ = µ m
S K S + S
μm = máxima tasa de crecimiento específico, específico, tiempo -1 S = concentración concentración de substrato limitante del crecimiento, masa/ unidad volumen . Ks = constante de velocidad mitad, concentración de sustrato a la mitad de la máx tasa de crecimiento masa/volumen unitario. Si se sustituye en (1) el valor de la ecuación (3) se tiene: Ecuación (4)……………………………… r g .
=
µ m XS K S
+ S
Efectos de un nutriente limitante sobre la velocidad específica de crecimiento.
Crecimiento celular y utilización del sustrato En los sistemas de cultivo de alimentación continua y discontinua, una parte del substrato se transforma en células nuevas, y otra parte se oxida y forma productos finales orgánicos e inorgánicos. Se ha observado que la cantidad de células nuevas producidas es la misma para un substrato dado. Ecuación (5)………………………………… r = −Yr g Su Y = Y = coeficiente de producción máxima medido durante cualquier periodo finito de la fase de crecimiento exponencial, definido como la relación entre la masa de células formadas y la masa substrato consumido, masa/masa. rSu = tasa de utilización del substrato, masa/volumen tiempo. Según ensayos, la producción depende de: – El estado de oxidación de la fuente de carbono y de los nutrientes. polimerización del substrato. – El grado de polimerización – De las vías de metabolismo. – De la tasa de crecimiento. – Parámetros físicos del cultivo Si se sustituye en (5) el valor rg de (4), se obtiene: Ecuación (6)…………………………………. r Su = −
µ m XS
Y ( K S + S )
El término μm/Y término μm/Y se se sustituye por el término k: tasa máxima de utilización del substrato por unidad de masa de microorganismos, microorganismos, así se tiene: Ecuación (7)………………………………….r Su = −
kXS K S + S
EFECTO DEL METABOLISMO ENDÓGENO La distribución de edades de las células es tal que no todas las células en el sistema están en la fase de crecimiento exponencial. Se presenta muerte y depredación dentro de los sistemas bacterianos utilizados en el tratamiento biológico del agua residual. Todo lo anterior se engloba en la descomposición endógena rd . Ecuación (8)………………………..…… r d
= −k d X
kd = coeficiente coeficien te de descomposición descomposici ón endógena, tiempo
Cuando (8) se combina con (4) y (5), (5), se obtiene:
-1
Ecuación (9)……………………………….... r ′ = g
Ecuacion (10)……………………………….
µ m XS
K S + S
− k d X
r g ′ = −Yr Su − k d X
r’g: tasa neta de crecimiento crecimient o bacteriano, masa/unidad de Ecuación (11)……………………………….. µ ′ = µ m μ’= tasa neta de crecimiento específico, tiempo
-1
S K S
+ S
volumen
− k d
Los efectos de la respiración endógena sobre la producción neta de bacterias se tienen en cuenta al definir una producción observada de la siguiente manera: Ecuación (12)…………………………….…
Y obs = −
METABOLISMO EXOGENO
r g ′ r Su
Los microorganismos requieren aporte continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada en procesos de: biosíntesis (anabolismo), (anabolismo), transporte activo, translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica, movimiento flagelar y bioluminiscencia. En bacterias, al igual que en eucariotas, la conservación intracelular de energía ocurre principalmente principalmente por medio de la síntesis de ATP: ADP3- + H+ + PO4H2- --------> ATP4- + H2O La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre ∆ Go'= -31 kJ (= -7,3 kcal). La síntesis de ATP a partir de ADP y P requiere una ∆ Go' de +31 kJ. Los métodos usados por las bacterias para generar este ATP son principalmente: fosforilación a nivel de sustrato (en las fermentaciones); fermentaciones); fosforilación oxidativa (en las respiraciones); fotofosforilación fotofosforilación (durante la fotosíntesis). Cada uno de estos procesos implica uno o varios pasos de reacciones redox exergónicas, pero la manera en que esas reacciones exergónicas exergónicas se acoplan a la síntesis de ATP varía entre la fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se libera energía libre, cuyo valor viene expresado por la fórmula: ' ∆ G0 ' = - n·F·∆ E 0 0 ' n = nº de electrones transferidos F = cte. de Faraday = 96,6 kJ·volt —1·equivalentes--1 ∆ E 0 0' es la diferencia entre los potenciales de reducción del donador (pareja D/DH 2) y del aceptor (pareja A/AH2).
Una reacción redox exergónica de este tipo se puede acoplar a la consecución de trabajo útil para la formación de un compuesto rico en energía y para la formación de un gradiente de concentración y/o de carga eléctrica a ambos lados de una membrana. Ambos tipos de trabajo se pueden usar en la síntesis de ATP. Por lo tanto, los seres vivos, para poder obtener su moneda energética (principalmente (principalmente ATP), han de captar alguna fuente de energía externa, del medio ambiente.
METABOLISMO ENERGETICO El metabolismo energético es el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un microorganismo microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales. Bajo estas condiciones y en presencia de una única fuente de C y energía los microorganismos toman dicha fuente de C a una velocidad que es proporcional a la de crecimiento :
Ecuación (1)………………………………….
q s =
1
Y x / s
µ
El consumo de sustrato observado cuando la velocidad de crecimiento es nula representaría la fracción de la fuente de C y energía destinada a producir energía no asociada al crecimiento. crecimiento . La misma representa el consumo de sustrato que no redunda en un aumento de biomasa sino en el mantenimiento de otras funciones vitales. vitales. Ecuacion (2)………………………………...
qs = qcrecimie imient nto o + q mant manteenimi nimieento nto Ecuación (3)…………………….……….…..
qs =
µ Y′ x / s
+
ms x
Donde; Y’x/s = rendimiento teórico ms = coeficiente de mantenimiento celular, [g sustrato/g biomasa/h] Los destinos de esta energía de mantenimiento constituyen: el recambio de ARN (se recambia hasta 4 veces en un tg) recambio de enzimas, proteínas, componentes de pared celular, transporte de iones, mantenimiento de gradientes de concentración (pH o presión osmótica), movilidad, etc. Dividiendo la ec. (3) se obtiene: Ecuación (4)…………….……………
1 Yx / s
=
1 Y′ x / s
+
ms
µ
donde Yx/s es el valor del rendimiento medido experimentalmente. De modo que una gráfica de 1/Y x/s Vs. 1/µ (1/D en sistemas de cultivo continuo) debería dar una línea recta de pendiente pendiente m s y ordenada al origen 1/Y’ x/s. Esta es la ecuación conocida como “Ecuación de Pirt”, que fue el primero en proponer el uso de la doble recíproca para el cálculo del mantenimiento mantenimiento celular. El crecimiento microbiano involucra el consumo y la transformación química de unos pocos compuestos y elementos. La energía para este proceso proviene principalmente de la oxidación de la fuente de C y energía. Si consideramos entonces, el rendimiento en el contexto del metabolismo principalmente de la fuente de C, los procesos involucrados en la conversión en biomasa podrían esquematizarse del siguiente modo: O2
H2O
Teniendo Teniendo en cuenta cuenta el balance balance energético energético y la ecuación de Pirt es posible obtener obtener una expresión expresión de ms en función función de mo.
Ecuación (5)………………………………….
mo =
ms 4
γ s
BIBLIOGRAFIA: Principios de Microbiologia Indultrial. A. Rhodes y D.L.Fletcher. Editorial Acribia,1969. http://www.biologia.edu.ar/microind
AIDE CERVANTES PINEDA 8IBT3
