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Curso: Lecciones de biología > Unidad 23

Lección 2: Metabolismo y ecología de los procariontes
Ciencia
Lecciones de biología
Bacterias y arqueas
Metabolismo y ecología de los procariontes
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Metabolismo procariota

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De qué manera los procariontes obtienen energía y nutrientes. Quimiótrofos y fotótrofos. Heterótrofos y autótrofos.

Puntos más importantes:

  • Algunos procariontes son fotótrofos, porque obtienen su energía del sol. Otros son quimiótrofos, y obtienen su energía de compuestos químicos.
  • Algunos procariontes son autótrofos, fijan carbono a partir de CO2. Otros son heterótrofos, obtienen carbono de compuestos orgánicos hechos por otros organismos.
  • Los procariontes pueden tener un metabolismo aerobio (que requiere oxígeno) o anaerobio (que no necesita oxígeno), y algunos de ellos pueden cambiar de una modalidad a otra.
  • Algunos procariontes tienen enzimas especiales y rutas que les permiten metabolizar compuestos que contienen nitrógeno o azufre.
  • Los procariontes juegan papeles esenciales en los ciclos de nutrientes en los ecosistemas.

Introducción

En el esquema de las cosas, tu y yo tenemos una gama bastante limitada de formas de alimentarnos. Podemos decidir entre comer vegetales y helado (¡y disfrutar de ambos en cantidades saludables!), pero no es probable que realicemos fotosíntesis. Tampoco es probable que comamos sulfuro de hidrógeno, el compuesto que produce el "olor a huevo podrido", en el desayuno.
Los procariontes (bacterias y arqueas) son mucho más diversos que los humanos en sus estrategias nutricionales, es decir, en las formas en las que obtienen carbono fijado (moléculas de combustible) y energía. Algunas especies consumen materia orgánica como animales y plantas muertos. Otros viven de los compuestos inorgánicos que hay en las rocas. Una bacteria, Thiobacillus concretivorans, ¡consume ácido sulfúrico capaz de fundir el metal!1.
En este artículo, veremos las diferentes formas en las que los procariontes pueden obtener y metabolizar su alimento, así como la manera en la que pueden influir en los ciclos de nutrientes.

Modos de nutrición

Todas las formas de vida de la Tierra necesitan energía y carbono fijado (carbono incorporado en moléculas orgánicas) para sintetizar las macromoléculas que conforman sus células, ya sean humanos, plantas, hongos o procariontes. Es posible clasificar a los organismos con base en cómo obtienen energía y carbono.
Primero, podemos clasificar a los organismos por la fuente de la que obtienen carbono fijado (que pueden utilizar):
  • Los que fijan carbono a partir de dióxido de carbono (CO2) u otros compuestos inorgánicos se llaman autótrofos.
  • Aquellos que obtienen carbono fijado de compuestos orgánicos producidos por otros organismos (ya sea que se los coman o consuman sus productos secundarios) se llaman heterótrofos.
Adicionalmente, podemos clasificar a los organismos por su fuente de energía:
  • Los que usan la luz (solar, principalmente) como fuente de energía se llaman fotótrofos.
  • Aquellos que usan sustancias químicas como fuente de energía se llaman quimiótrofos.
Podemos dividir a los procariontes (y otros organismos) en cuatro categorías diferentes según sus fuentes de carbono y energía:
Modo de nutriciónFuente de energíaFuente de carbono
FotótrofoLuzDióxido de carbono (o compuestos relacionados)
FotoheterótrofoLuzCompuestos orgánicos
QuimioautótrofoCompuestos químicosDióxido de carbono (o compuestos relacionados)
QuimioheterótrofoCompuestos químicosCompuestos orgánicos
Tendemos a estar bastante familiarizados con los fotótrofos, como las plantas, y los quimioheterótrofos, como seres humanos y demás animales. Las especies de procariontes caen en estas dos categorías, así como en dos categorías menos familiares (fotoheterótrofos y quimioautótrofos) a las cuales no pertenecen las plantas y animales2,3.

Respiración aerobia y anaerobia

Otro aspecto metabólico en el que los procariontes se diferencian de los humanos (¡y en el que son mucho más diversos!) es su necesidad de oxígeno. Algunos lo necesitan, a otros los envenena y algunos otros pueden utilizarlo o no, según su disponibilidad.
  • Los procariontes que necesitan O2 para llevar a cabo su metabolismo se llaman aerobios estrictos. Los seres humanos también somos aerobios estrictos (como seguramente habrás notado al intentar contener la respiración por mucho tiempo).
  • Los procariontes que no toleran el O2 y solo pueden llevar a cabo metabolismo anaeróbico se llaman anaerobios estrictos. C. botulinum, la bacteria que provoca el botulismo (una forma de intoxicación por alimentos) cuando crece en los alimentos enlatados, es un anaerobio estricto, lo que explica por qué prolifera en las latas selladas4.
  • Los anaerobios facultativos usan el metabolismo aerobio cuando hay O2 presente, pero cambian al metabolismo anaerobio si está ausente. Las bacterias que producen las infecciones por estafilococos y estreptococos son ejemplos de anaerobios faculativos5.
Crédito de imagen: "Clostridium botulinum", de U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), dominio público

Metabolismo del azufre y el nitrógeno

Algunas bacterias y arqueas tienen rutas metabólicas que les permiten metabolizar el nitrógeno y el azufre de formas que los eucariontes no pueden. En algunos casos, usan moléculas que tienen nitrógeno -o azufre- para obtener energía, pero en otros casos, utilizan energía para convertir estas moléculas de una forma a otra.

Metabolismo del azufre

Algunos ejemplos fascinantes de procariontes que metabolizan azufre los encontramos en los ecosistemas del fondo del mar. Por ejemplo, ciertas especies de procariontes pueden oxidar el sulfuro de hidrógeno (H2S) que sale de las fuentes hidrotermales ardientes. Usan la energía liberada en este proceso para fijar el carbono inorgánico del agua en azúcares y otras moléculas orgánicas en un proceso conocido como quimiosíntesis6.
Los procariontes que metabolizan azufre se encuentran comúnmente en los ecosistemas de respiraderos hidrotermales del fondo marino. Los respiraderos hidrotermales liberan agua calentada por geotermia que es rica en minerales disueltos.
_Imagen: "Fumarolas blancas del respiradero Champagne.jpg", de NOAA (dominio público)_
Los procariontes que metabolizan azufre son la base de las cadenas alimenticias en sus hábitats del fondo marino (donde no llega ni el más mínimo rayo de luz que permita la fotosíntesis). Los procariontes que metabolizan azufre mantienen comunidades enteras de organismos, entre ellos gusanos, cangrejos y camarones a miles de metros bajo la superficie del océano7.

Metabolismo del nitrógeno

Entre los procariontes que metabolizan nitrógeno se encuentran fijadores de nitrógeno, nitrificantes y desnitrificantes. Estos juegan papeles fundamentales en el ciclo del nitrógeno al convertir los compuestos nitrogenados de una forma química a otra.
Algunas especies de la familia de las leguminosas tienen simbiosis con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas albergan a las bacterias dentro de estructuras en sus raíces, llamadas nódulos radicales.
_Imagen modificada de "Nódulos fijadores de nitrógeno en las raíces de leguminosas.JPG", de Terraprima (CC BY-SA 3.0)_
Los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3) que las plantas y otros organismos pueden incorporar en sus moléculas orgánicas. Algunas plantas de la familia de las leguminosas, como los chícharos, forman relaciones mutuamente beneficiosas (mutualistas) con bacterias fijadoras de nitrógeno. Las plantas albergan y brindan alimento a las bacterias en estructuras llamadas nódulos radicales, y las bacterias proveen a las raíces de nitrógeno fijado.
Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, hacen más o menos lo opuesto, convierten los nitratos en gas N2.

Ciclos biogeoquímicos

El reciclado constante de los elementos químicos es vital para el funcionamiento de los ecosistemas. En los ciclos biogeoquímicos de la Tierra, los elementos químicos se convierten entre varias formas químicas distintas en un ciclo repetitivo.
Debido a la diversidad de sus metabolismos, los procariontes tienen funciones importantes en muchos ciclos globales. Aquí veremos con más detalle su papel en dos de estos: los ciclos del carbono y del nitrógeno.

Ciclo del nitrógeno

Como vimos en la última sección, los procariontes fijadores de nitrógeno convierten ("fijan") el nitrógeno atmosférico (N2) en amoniaco (NH3). Las plantas y otros organismos entonces pueden usar el amoniaco para formar moléculas como animoácidos y nucleótidos.
Otros procariontes en el suelo, llamados bacterias nitrificantes, convierten el amoníaco en otros tipos de compuestos (nitratos y nitritos), que también pueden ser absorbidos por las plantas. Los procariontes desnitrificantes, que convierten los nitratos en N2, devuelven los átomos de nitrógeno del suelo a la atmósfera.
La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del nitrógeno, en la que se enfatiza la función de los procariontes.
Los procariontes tienen varias funciones en el ciclo del nitrógeno. Las bacterias fijadoras de nitrógeno (en el suelo y dentro de los nódulos radicales de algunas plantas) convierten el gas nitrógeno de la atmósfera en amoníaco. Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitratos o nitritos. El amoníaco, los nitratos y los nitritos son formas de nitrógeno fijado que las plantas pueden absorber. Las bacterias desnitrificantes convierten los nitratos en gas nitrógeno.
_Imagen modificada de "Ciclo del nitrógeno" de Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada está registrada bajo una licencia CC BY-SA 3.0_

Ciclo del carbono

Los procariontes también son importantes en el ciclo del carbono. Los procariontes fotosintéticos como las cianobacterias, usan la energía luminosa para tomar el CO2 de la atmósfera y fijarlo en moléculas orgánicas. Este es el mismo proceso básico que llevan a cabo las plantas fotosintéticas.
Los procariontes descomponedores, en cambio, mueven el carbono en la dirección contraria. Cuando degradan la materia orgánica muerta (de plantas y animales que anteriormente estaban vivos), regresan el CO2 a la atmósfera por medio de la respiración celular. La descomposición también libera varios otros elementos y moléculas inorgánicas para ser reutilizadas.
La imagen siguiente muestra una versión simplificada del ciclo del carbono en la que se enfatiza la función de los procariontes.
Los procariontes tienen diversas funciones en el ciclo del carbono. Los procariontes descomponedores degradan la materia orgánica muerta y liberan dióxido de carbono por respiración celular. Los procariontes fotosintéticos absorben el dióxido de carbono atmosférico y lo fijan en azúcares.
_Imagen modificada de "Ciclo del nitrógeno" de Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada está registrada bajo una licencia CC BY-SA 3.0_

Comprueba tu comprensión

  1. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones acerca de las estrategias metabólicas de las bacterias son verdaderas?
Verdadero
Falso
Algunas bacterias realizan fotosíntesis y producen oxígeno, de manera similar a las plantas.
Las bacterias son siempre autótrofas pero pueden obtener energía de fuentes luminosas o químicas.
Algunas bacterias quimiosintéticas introducen energía y carbono fijado en comunidades donde la fotosíntesis no es posible (por ejemplo, las fuentes hidrotermales en el fondo del mar).
Algunas bacterias viven en simbiosis dentro de organismos hospederos y les proporcionan nutrientes.

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