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El metabolismo, la energía y la biosíntesis de las bacterias constituyen un sistema integrado que permite a estos organismos crecer, reproducirse y adaptarse a ambientes muy diversos. A diferencia de los organismos pluricelulares, las bacterias realizan todos estos procesos dentro de una sola célula, lo que exige una organización metabólica altamente eficiente y regulada.
El metabolismo bacteriano comprende el conjunto total de reacciones químicas que ocurren en la célula. Estas reacciones se inician, de manera general, con la degradación de moléculas complejas presentes en el entorno. Polímeros como polisacáridos, proteínas y lípidos son fragmentados mediante enzimas específicas en unidades más simples, tales como azúcares simples, aminoácidos y ácidos grasos. Una vez formadas, estas moléculas pequeñas atraviesan la membrana citoplasmática gracias a sistemas de transporte especializados que pueden funcionar por difusión facilitada o mediante gasto de energía metabólica, lo que permite a la bacteria concentrar nutrientes incluso cuando se encuentran en bajas concentraciones externas.
Tras su ingreso al citoplasma, los compuestos son canalizados hacia rutas metabólicas centrales. Muchas de estas rutas convergen en intermediarios universales, entre los cuales destaca el ácido pirúvico, una molécula clave que actúa como punto de ramificación metabólica. A partir de este intermediario, los átomos de carbono pueden dirigirse hacia procesos de obtención de energía o bien servir como precursores para la formación de nuevas biomoléculas.
La producción y conservación de la energía es un aspecto fundamental del metabolismo bacteriano. En lugar de liberar la energía de los nutrientes de manera súbita y desordenada, como ocurre en una combustión, las bacterias la extraen de forma gradual mediante una secuencia de reacciones químicas controladas. Esta estrategia permite capturar la energía en formas utilizables para la célula. Una parte de la energía se conserva en enlaces fosfato de alta energía presentes en nucleótidos trifosfatados, mientras que otra se almacena en coenzimas reducidas que transportan electrones de alta energía. Posteriormente, estos electrones son transferidos a través de cadenas de reacciones de oxidación y reducción asociadas a la membrana citoplasmática, lo que genera gradientes químicos y eléctricos. Dichos gradientes representan una forma de energía potencial que puede aprovecharse para sintetizar nucleótidos energéticos, impulsar el movimiento de estructuras como los flagelos o facilitar el transporte activo de sustancias.
Las bacterias presentan una notable diversidad en sus estrategias para obtener energía. Algunas recurren a la fermentación, un proceso relativamente simple que ocurre en ausencia de oxígeno y produce compuestos orgánicos parcialmente oxidados. Otras realizan respiración anaerobia, utilizando aceptores de electrones distintos del oxígeno. Finalmente, las bacterias aerobias emplean oxígeno como aceptor final de electrones, lo que permite la oxidación completa de los compuestos orgánicos hasta dióxido de carbono y agua, con un rendimiento energético mucho mayor. Esta flexibilidad metabólica explica en gran medida la capacidad de las bacterias para colonizar prácticamente cualquier nicho ecológico.
La biosíntesis bacteriana representa el componente anabólico del metabolismo y depende directamente de la energía y de los intermediarios generados por las rutas catabólicas. A partir de moléculas simples y precursores centrales, las bacterias sintetizan carbohidratos estructurales, aminoácidos, lípidos de membrana y los componentes de los ácidos nucleicos. Estos procesos biosintéticos están finamente regulados para asegurar que la célula produzca únicamente lo necesario según sus condiciones ambientales y su estado fisiológico. De este modo, la biosíntesis no es un proceso aislado, sino la culminación funcional del metabolismo energético, permitiendo el crecimiento celular, la división y la supervivencia bacteriana.
Glicólisis y fermentación
La glicólisis y la fermentación son procesos fundamentales en el metabolismo energético de las bacterias, y aunque se encuentran interrelacionados, cada uno cumple funciones específicas que permiten a los microorganismos extraer energía de los nutrientes y mantener el equilibrio redox celular.
La glicólisis, también conocida como la vía de Embden-Meyerhof-Parnas, es un conjunto de reacciones químicas que degrada la glucosa, un carbohidrato de seis átomos de carbono, en dos moléculas de ácido pirúvico, de tres átomos de carbono cada una. Este proceso ocurre en el citoplasma y puede desarrollarse tanto en presencia como en ausencia de oxígeno, lo que evidencia su carácter universal y central en el metabolismo bacteriano. Durante la glicólisis, la energía contenida en los enlaces de la glucosa se captura parcialmente en forma de moléculas de alta energía y se transfiere a transportadores de electrones. En términos cuantitativos, cada molécula de glucosa procesada por la glicólisis produce dos moléculas de trifosfato de adenosina y dos moléculas de nicotinamida adenina dinucleótido reducido. La glucosa, por tanto, no se oxida de manera abrupta; en cambio, se fragmenta paso a paso, liberando energía de manera controlada y generando precursores metabólicos esenciales para otras rutas biosintéticas.
Cuando las bacterias se encuentran en condiciones anaerobias, es decir, cuando el oxígeno no está disponible como aceptor final de electrones, el ácido pirúvico producido por la glicólisis no puede entrar en la respiración aerobia. En su lugar, se somete a un proceso denominado fermentación, en el cual el pirúvico se transforma en productos finales específicos según la especie bacteriana. La fermentación tiene un doble propósito: primero, permite la regeneración de la nicotinamida adenina dinucleótido oxidada, necesaria para que la glicólisis continúe; segundo, genera compuestos orgánicos que, aunque contienen energía parcialmente almacenada, son liberados al medio como subproductos metabólicos. Estos compuestos pueden incluir ácidos orgánicos como lactato, acetato, butirato o propionato, y en algunos casos, alcoholes y dióxido de carbono, dependiendo del tipo de organismo.
La fermentación no solo es un mecanismo de supervivencia; también tiene un papel ecológico y biotecnológico significativo. Por ejemplo, en el intestino de los rumiantes o de los seres humanos, las bacterias fermentativas descomponen carbohidratos complejos en ácidos grasos de cadena corta, los cuales son importantes fuentes de energía para el huésped y contribuyen a la regulación del microbioma gastrointestinal. Asimismo, en la producción de alimentos, la fermentación bacteriana transforma la leche en yogur, el repollo en chucrut y participa en la elaboración de numerosos productos fermentados, demostrando su valor industrial.
Metabolismo de microbios probióticos y gastrointestinales
El metabolismo de los microbios probióticos y de la flora gastrointestinal representa un componente esencial para la salud del huésped, ya que integra funciones nutricionales, metabólicas e inmunológicas en el entorno intestinal. Los microbios probióticos son, en su mayoría, bacterias Grampositivas como especies del género Lactobacillus y Bifidobacterium, así como la levadura Saccharomyces boulardii. Estos organismos pueden ser ingeridos de manera segura y desempeñan un papel activo en la colonización y mantenimiento de un microbioma intestinal equilibrado, modulando a su vez la actividad de las células del sistema inmunológico.
Desde el nacimiento, ciertos microorganismos, como Bifidobacterium infantis, son adquiridos por el recién nacido y seleccionados por los carbohidratos complejos presentes en la leche materna. Este proceso de selección asegura la presencia de bacterias capaces de metabolizar moléculas que el propio ser humano no puede digerir directamente. Por medio de enzimas especializadas, estas bacterias degradan carbohidratos complejos en unidades más simples, y a través de la fermentación producen ácidos grasos de cadena corta, como butirato, propionato, lactato y acetato. Estos metabolitos no solo acidifican el colon, favoreciendo la proliferación de bacterias endógenas beneficiosas productoras de lactato, sino que también son absorbidos por las células intestinales y utilizados como fuente de energía y moduladores de la función celular.
Los ácidos grasos de cadena corta desempeñan múltiples funciones fisiológicas: promueven el crecimiento y la regeneración de las células epiteliales que recubren el intestino, refuerzan la barrera intestinal frente a agentes patógenos y tóxicos, y estimulan la expansión de células T reguladoras, contribuyendo a la limitación de respuestas inflamatorias y autoinmunes. De este modo, los productos metabólicos de los probióticos actúan como mediadores entre la microbiota y la inmunidad del huésped, favoreciendo la homeostasis intestinal.
La flora intestinal normal incluye también bacterias de los filos Bacteroidetes y Firmicutes, que presentan una elevada capacidad para degradar carbohidratos complejos de origen vegetal, como celulosa, pectina y xilan, así como glicoproteínas de la mucosa intestinal, como mucinas y condroitín sulfatos. La eficiencia de estas bacterias en la obtención de energía a partir de moléculas no digeribles por el huésped puede influir en la absorción calórica y en la composición corporal, lo que explica por qué cambios en la proporción de estos grupos bacterianos se asocian con condiciones metabólicas como la obesidad.
Respiración aeróbica
La respiración aeróbica es el proceso mediante el cual los microorganismos y otros organismos convierten la energía contenida en nutrientes en adenosina trifosfato, utilizando oxígeno molecular como aceptor final de electrones. Este mecanismo es la vía metabólica más eficiente para la obtención de energía, superando ampliamente a la fermentación y a la glicólisis sola.
El proceso comienza con el ácido pirúvico generado por la glicólisis o a partir de otros sustratos metabolizables. En presencia de oxígeno, este ácido pirúvico se oxida completamente a dióxido de carbono y agua mediante el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Cada molécula de pirúvico que ingresa al ciclo produce dos moléculas de dióxido de carbono, tres moléculas de nicotinamida adenina dinucleótido reducido, una molécula de flavina adenina dinucleótido reducida y una molécula de guanosina trifosfato. Estos productos no solo representan la captura de energía química, sino que sirven como portadores de electrones para la cadena de transporte de electrones localizada en la membrana plasmática bacteriana.
En la cadena de transporte de electrones, los electrones se transfieren de manera escalonada a través de complejos de aceptores y donadores, incluyendo citocromos, quinonas y proteínas hierro-azufre, hasta llegar al oxígeno, que se reduce finalmente a agua. Este flujo electrónico genera un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana, el cual constituye una forma de energía almacenada. La energía de este gradiente es utilizada por la ATP sintasa para fosforilar adenosina difosfato a adenosina trifosfato y también para impulsar el transporte activo de moléculas y el movimiento de flagelos.
El rendimiento energético de la respiración aeróbica es notable: mientras que la fermentación produce únicamente dos moléculas de ATP por molécula de glucosa, la respiración aeróbica completa, con ciclo de los ácidos tricarboxílicos y cadena de transporte de electrones, puede generar hasta treinta y ocho moléculas de ATP por glucosa, aproximadamente diecinueve veces más que la fermentación.
Además de su función energética, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es un ciclo anfibólico, ya que no solo participa en la degradación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, sino que también genera intermediarios clave —como el α-cetoglutarato, oxalacetato y piruvato— que sirven como precursores para la síntesis de aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas. De este modo, la respiración aeróbica combina eficiencia energética con provisión de metabolitos esenciales para la biosíntesis celular, constituyendo el punto central del metabolismo bacteriano cuando el oxígeno está disponible.
Respiración Anaerobia
La respiración anaerobia es un proceso metabólico que permite a ciertas bacterias, conocidas como anaerobias facultativas, generar energía en ausencia de oxígeno. Estas bacterias, presentes en el tracto gastrointestinal y en otros ambientes carentes de oxígeno, emplean aceptores finales de electrones distintos del oxígeno. Entre estos aceptores se incluyen nitratos, que pueden reducirse a amonio; sulfatos o azufre molecular, que se transforman en sulfuro de hidrógeno; dióxido de carbono, que puede convertirse en metano; iones férricos, que se reducen a iones ferrosos; y fumarato, que se convierte en succinato.
Aunque la respiración anaerobia sigue la misma lógica que la respiración aerobia —transferencia de electrones a través de reacciones redox para generar un gradiente electroquímico—, produce menos adenosina trifosfato por molécula de nicotinamida adenina dinucleótido reducido. Esto se debe a que los aceptores finales alternativos tienen un potencial de reducción-oxidación menor que el oxígeno, lo que limita la cantidad de energía que puede extraerse de cada reacción. Aun así, esta estrategia permite a las bacterias sobrevivir y crecer en entornos donde el oxígeno es escaso o inexistente, manteniendo activo el metabolismo y el crecimiento celular.
Vía de las Pentosas Fosfato
La vía de las pentosas fosfato, también conocida como “derivación de la hexosa monofosfato”, es otra ruta metabólica central de la glucosa, aunque no se orienta principalmente a la obtención de energía en forma de ATP. Su función principal es proporcionar poder reductor y precursores para la biosíntesis. Durante esta vía, la glucosa se transforma en pentosas fosfato, azúcares de cinco carbonos que son esenciales para la síntesis de ácidos nucleicos (purinas y pirimidinas) y coenzimas nucleotídicas.
Simultáneamente, la vía genera nicotinamida adenina dinucleótido fosfato en su forma reducida (NADPH), un portador de electrones que suministra energía química para reacciones biosintéticas, como la síntesis de ácidos grasos y la reducción de compuestos oxidativos. Por tanto, esta vía no solo cumple un papel anabólico crucial, sino que también contribuye al equilibrio redox de la célula, garantizando que los intermediarios metabólicos y la energía química estén disponibles para el crecimiento y la proliferación microbiana.
Fuente y lecturas recomendadas:
- Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2018). Brock biology of microorganisms (15th ed.). Pearson.
- Murray, P. R., Rosenthal, K. S., & Pfaller, M. A. (2025). Medical microbiology (10th ed.). Elsevier.
- Carroll, K. C., & Pfaller, M. A. (2023). Manual of clinical microbiology (13th ed.). American Society for Microbiology Press.
- Riedel, S., Hobden, J. A., Miller, S., Morse, S. A., Mietzner, T. A., Detrick, B., Mitchell, T. G., Sakanari, J. A., Hotez, P., & Mejía, R. (2020). Microbiología médica (28ª ed.). McGraw-Hill Interamericana Editores.
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