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El increíble mundo bacteriano (I): flujo de electrones

30 mayo, 2012

En este medio hemos escrito sobre las bacterias en muchas ocasiones. No es nada extraño teniendo en cuenta que la biología de estos organismos constituye la especialidad de algunos de los administradores del blog. Desde esa formación nos sorprende (cuando no nos horroriza) mensajes magufos empleados para explicar terapias inverosímiles: aparatos que sólo matan las bacterias patógenas, variaciones de pH que respetan las bacterias beneficiosas, corrientes energéticas que nos desinfectan.… De todo hemos leídos. Para acercar a los lectores que conocen poco de este grupo biológico inicio una serie donde mostraré, de la manera más sencilla que sea capaz, la gran diversidad y riqueza biológica que podemos encontrar entre las bacterias. Empezaré por introducir lo más sencillo: lo que comen y lo que respiran. En otro capítulo detallaré ejemplos concretos de metabolismos.

Las bacterias llevan habitando nuestro planeta desde hace más de 3.500 millones de años. En ese tiempo han evolucionado hasta tener una diversidad extraordinaria, de tal forma que son capaces de alimentarse de una enorme cantidad de sustancias y de respirar otras tantas (Figura 1). Cuando se habla de alimento y de respiración nos estamos refiriendo un flujo de electrones a través de los seres vivos: los alimentos son las fuentes de electrones que se incorporan al metabolismo de la célula. Mediante una serie de reacciones químicas los constituyentes de los alimentos son degradados a compuestos más simples extrayéndose los electrones que en ellos se encuentran, los cuales van a parar a moléculas encargadas de su transporte, que los trasladan hasta una serie de proteínas que se localiza en la membrana interna de la célula. Estas proteínas forman lo que se denomina cadena de transporte de electrones, ya que las moléculas transportadoras ceden los electrones a las proteínas de la cadena, donde se establece un trasiego de electrones entre ellas hasta un aceptor de final (Figura 2).

Figura 1: El árbol de la vida. Puede observarse cómo las bacterias (color violeta) ocupan el mayor porcentaje de diversidad del árbol. Fuente: Science

La diferencia de potencial es empleada para la síntesis química de ATP. ¿Qué ocurre con las moléculas que transportan electrones una vez que se han liberado de ellos? Ya están preparados para tomar nuevos electrones de las moléculas donadoras de los mismos. El número de estos transportadores es finito en la célula, con lo que se requiere un óptimo balance entre las formas oxidadas y reducidas de dichos transportadores. ¿Qué tipo de moléculas son esos transportadores? Los más abundantes son moléculas que quizás os suenen, como el NAD/NADH, el NADP/NADPH o el FAD/FADH. Los transportadores de electrones de la membrana suelen ser citocromos y quinonas, entre otras. ¿Para qué sirve el ATP? El ATP es la moneda energética de la célula (como también lo son otras moléculas como el GTP o el UTP) y se emplea en procesos que precisan energía. Estos procesos son muy variados, van desde la biosíntesis de moléculas, movilidad de la célula, transporte de determinadas sustancias, reparación del ADN, etc. El número de procesos que precisan energía son innumerables.

¿Los humanos tenemos también ese transporte de electrones? Por supuesto, las características básicas del metabolismo son similares a las de muchas bacterias. Nuestras células, a diferencia de las bacterias, poseen compartimentos. De esa forma el metabolismo se reparte entre el citoplasma y otros orgánulos. El transporte de electrones y la generación de ATP se llevan a cabo en la mitocondria, un orgánulo que deriva evolutivamente de las bacterias. ¿Qué ocurre con los electrones, adonde van a parar? Esa es una de las claves del proceso: los electrones han de ser eliminados del flujo, y se hace mediante la transferencia a moléculas que actúan como aceptores de electrones. A la transferencia electrónica desde la entrada en la cadena de transporte hasta el aceptor final es a lo que se le llama respiración. En la respiración aeróbica el aceptor final es el oxígeno, y es justamente el que opera en las mitocondrias. El oxígeno recibe el electrón y forma agua. Si ese electrón no fuese recogido por una molécula aceptora se pararía el proceso, se interrumpiría el flujo de electrones y la respiración finalizaría. Literalmente, habría un ahogo. También se puede bloquear la respiración con sustancias que inhiban el transporte de electrones, por ejemplo envenenando alguna de las proteínas requeridas para el transporte. Un ejemplo típico es el del cianuro, que inactiva un tipo de citocromo, bloqueando el transporte de electrones a nivel de membrana y “ahoga” a la célula.

Figura 2: Esquema que resume el flujo de electrones desde moléculas muy energéticas (“alimento”) hasta los aceptores finales de la cadena de transporte de electrones. La caída de energía (variación de E) es empleada en el metabolismo para la cumplir las necesidades de la célula

Las bacterias pueden emplear muchos aceptores de electrones diferentes. Hay bacterias que son anaerobias facultativas y emplean el oxígeno (cuando está presente) u otros como el nitrato (los desnitrificantes), el sulfato (los reductores de sulfato), el ión férrico (los reductores de hierro), y muchos otros como el manganeso, el vanadio, el selenio. Incluso pueden emplear moléculas orgánicas como el fumarato o el DMSO. Los anaerobios estrictos no pueden emplear el oxígeno, y siempre utilizan algún otro aceptor. Esta versatilidad se combina con el hecho de que los dadores de electrones (la “comida”) no tienen por qué ser necesariamente moléculas orgánicas. Hay microorganismos capaces de emplear el azufre o el hierro como dadores de electrones. ¿De dónde sacan el carbono necesario en sus moléculas? Son capaces de fijarlo directamente del dióxido de carbono atmosférico en ciclos similares al ciclo de Calvin que se produce en los cloroplastos de las plantas (orgánulo que deriva evolutivamente de ancestros bacterianos).

Este flujo electrónico y energético, como se puede ver, tiene poco de esotérico, y sus bases moleculares son muy similares en la inmensa mayoría de seres que habitan en el planeta. Hay cosas que la ciencia ya conoce, y otras que desconoce, pero esto último no justifica el uso magufo de términos como energía, electricidad, magnetismo o teoría cuántica para intentar llenarse sus bolsillos a costar de personas que precisan ayuda.

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Seguidamente en CyD: El increíble mundo bacteriano (II): domesticando bacterias »

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Entradas relacionadas:


  1. MR
    30 mayo, 2012 en 12:09

    Gracias por el artículo, me lo guardo para leer con calma después del trabajo.
    ¿Veremos aparecer bacterias capaces de “devorar” el plástico?

  2. 30 mayo, 2012 en 12:25

    MR :

    ¿Veremos aparecer bacterias capaces de “devorar” el plástico?

    Seguramente… 🙄
    https://lacienciaysusdemonios.com/2011/03/30/descubren-bacterias-que-podrian-digerir-el-plastico/

  3. Iván
    30 mayo, 2012 en 15:16

    ¡Gracias! Lo releeré seguro

  4. 30 mayo, 2012 en 18:06

    MR :
    Gracias por el artículo, me lo guardo para leer con calma después del trabajo.
    ¿Veremos aparecer bacterias capaces de “devorar” el plástico?

    En los últimos años se han descrito bacterias capaces de vivir en multitud de entornos previamente considerados demasiados hostiles para la vida y en ellos son capaces de procesar las más variopintas y muchas veces tóxicas sustancias. Así yo pienso que la pregunta más bien es ¿hay algo que no pueda ser utilizado por una bacteria como fuente de energía?

  5. Anónimo
    30 mayo, 2012 en 18:39

    Espero que el siguiente artículo de la serie llegue cuanto antes. ¡¡Esto es divulgación y lo demás tonterías!!

    Si mal no recuerdo de las clases de ciencias naturales… ¿no se sintetizaban los plásticos, o al menos los vinilos, a partir del acetileno (C2H2)?. si estoy en lo cierto los componentes básicos del plástico no son otros que carbono e hidrógeno. Así que pensar en una bacteria procesando plástico para obtener energía no me parece tan descabellado. ((lo mismo acabo de decir una enorme burrada, pero, precisamente, para eso ando por este blog: para aprender))

  6. NR
    30 mayo, 2012 en 18:47

    ateo666666 :
    En los últimos años se han descrito bacterias capaces de vivir en multitud de entornos previamente considerados demasiados hostiles para la vida y en ellos son capaces de procesar las más variopintas y muchas veces tóxicas sustancias. Así yo pienso que la pregunta más bien es ¿hay algo que no pueda ser utilizado por una bacteria como fuente de energía?

    Cnidus y ateo, gracias por vuestras respuestas.
    ateo, sobre lo que dices, ya no sólo bacterias sorprenden por desarrollarse en/por entornos hostiles por completo. Hay organismos complejos en las fumarolas submarinas, y en las algo menos hostiles cavidades subterráneas.
    Está claro que la vida sorprende.

  7. Xurxo Xabaril
    31 mayo, 2012 en 2:22

    gracias

  8. 31 mayo, 2012 en 10:49

    NR :

    ateo666666 :
    En los últimos años se han descrito bacterias capaces de vivir en multitud de entornos previamente considerados demasiados hostiles para la vida y en ellos son capaces de procesar las más variopintas y muchas veces tóxicas sustancias. Así yo pienso que la pregunta más bien es ¿hay algo que no pueda ser utilizado por una bacteria como fuente de energía?

    Cnidus y ateo, gracias por vuestras respuestas.
    ateo, sobre lo que dices, ya no sólo bacterias sorprenden por desarrollarse en/por entornos hostiles por completo. Hay organismos complejos en las fumarolas submarinas, y en las algo menos hostiles cavidades subterráneas.
    Está claro que la vida sorprende.

    NR
    Tienes mucha razón, si hasta en las estaciones espaciales que presentan una radiación brutal crecen y proliferan microorganismos que dañan las estructuras metálicas y plásticas de las mismas poniendo en riesgo su funcinamiento.
    http://america.infobae.com/notas/48949-La-Estacin-Espacial-Internacional-amenazada-por-microorganismos-

  9. 31 mayo, 2012 en 10:57

    Mitocondrias y cloroplastos derivan de ancestros bacterianos, una explicación muy elegante. La base de nuestro metabolismo son orgánulos similares a bacterias al servicio de las células eucariotas. Maravilloso.

  10. 31 mayo, 2012 en 15:25

    Muchas gracias por vuestros atinados comentarios, me dan pie a explicarlos en futuros artículos de esta serie. Muy brevemente:

    Sobre los plásticos: Hay plásticos de composición muy diferente. Pueden ser polímeros de ftalatos, de derivados de pimelato, de glicerol, etc. El problema es que se presentan como material sólido polimerizado; las bacterias degradan fácilmente sus constituyentes, pero no poseen enzimas para romper el polímero en fragmentos menores. Un ejemplo ilustrativo: la madera está formada fundamentalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. Pese a los componentes glucosados de su composición, pocos microorganismos la degradan gracias a que la lignina (un polímero de polifenoles) la preserva. Algunos hongos degradan la lignina, cuando esto ocurre se produce un festín por parte de bacterias que empiezan a degradar la celulosa.
    Además muchas industrias del plástico modifican los enlaces, introduciendo azufre, metales, etc, para dar consistencia y evitar su degradación. En resumen, a día de hoy muy pocas bacterias atacan el plástico…., pero demos tiempo a la evolución.

    Sobre lo que no pueden degradar las bacterias: hay algunas sustancias recalcitrantes, que no pueden ser degradadas por microorganismos. En la próxima entrega escribiré sobre dadores de electrones, allí explicaré la versatilidad degradadora de las bacterias.

    Sobre microorganismos de fumarolas: este tema se puede enfocar de dos maneras, o bien estas bacterias se han adaptado a esta condición (u otras extrañas), o bien esas condiciones eran muy abundantes en el planeta hace miles de millones de años, y estas bacterias que hoy llamamos extremófilos no son más que supervivientes de aquella era que se conservar en hábitats poco comunes hoy día.

  1. 4 junio, 2012 en 1:39
Los comentarios están cerrados.
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