El metabolismo microbiano se refiere a los diversos procesos bioquímicos que utilizan los microorganismos para obtener energía, sintetizar componentes celulares y mantener la viabilidad. Las bacterias y arqueas exhiben una extraordinaria diversidad metabólica, muy superior a la de las plantas y los animales.
Fuentes de energía y clasificación
Los microorganismos se clasifican según sus fuentes de energía y carbono. Los fotótrofos, como las cianobacterias y las bacterias de azufre púrpura, utilizan energía luminosa para realizar la fotosíntesis. Los quimiotrofos obtienen energía de compuestos químicos: los quimiolitotrofos oxidan compuestos inorgánicos (H2, H2S, NH3, Fe2+), mientras que los quimioorganotrofos oxidan compuestos orgánicos (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos). Los autótrofos utilizan CO2 como fuente de carbono (p. ej., cianobacterias, bacterias nitrificantes), mientras que los heterótrofos requieren fuentes de carbono orgánico (p. ej., E. coli, Bacillus, la mayoría de los patógenos).
Respiración aeróbica
La Glucólisis (vía de Embden-Meyerhof-Parnas) convierte la glucosa (6C) en dos moléculas de piruvato (3C), produciendo 2 ATP y 2 NADH por glucosa. El ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo del TCA) oxida el acetil-CoA a CO2, produciendo NADH, FADH2 y GTP. La cadena de transporte de electrones (ETC), ubicada en la membrana citoplasmática, oxida NADH y FADH2 cuando los electrones pasan a través de los complejos I-IV con el O2 como aceptor final de electrones; El ATP se genera mediante la fosforilación oxidativa a través de la fuerza motriz del protón que impulsa la ATP sintasa.
Metabolismo anaeróbico
En la respiración anaeróbica, se utilizan aceptores de electrones alternativos, como nitrato (NO3- → NO2- → N2), sulfato (SO42- → H2S) o carbonato (CO2 → CH4), que se encuentran comúnmente en bacterias desnitrificantes, reductoras de sulfato y metanogénicas. La fermentación utiliza compuestos orgánicos como donadores y aceptores de electrones, sin ETC ni fosforilación oxidativa; El ATP se produce únicamente por fosforilación a nivel de sustrato. Las vías de fermentación comunes incluyen homoláctica (Lactobacillus, Streptococcus → ácido láctico), alcohólica (levadura → etanol + CO2), ácida mixta (E. coli → ácido láctico, ácido acético, etanol, CO2, H2) y butanodiol (Enterobacter). Los productos finales de la fermentación se utilizan industrialmente para producir yogur, queso, pan, cerveza, vino y biocombustibles.
Metabolismo del nitrógeno
La fijación de nitrógeno, la conversión de N2 en NH3 mediante el complejo enzimático nitrogenasa, la llevan a cabo Azotobacter, Rhizobium (simbiótico con leguminosas) y cianobacterias. La nitrificación implica la oxidación de NH3 a NO2- (Nitrosomonas) y de NO2- a NO3- (Nitrobacter). La desnitrificación es la reducción de gas NO3 a N2 en condiciones anaeróbicas (Pseudomonas, Paracoccus). La reducción de nitrato por asimilación convierte el NO3- en NH3 para la biosíntesis de aminoácidos y nucleótidos.
Regulación metabólica
La represión de catabolitos garantiza que la glucosa, como fuente de carbono preferida, reprima los genes para metabolizar azúcares alternativos (p. ej., el operón lac en E. coli). La inhibición por retroalimentación previene la sobreproducción ya que los productos finales de las vías biosintéticas inhiben la primera enzima de la vía. Los sistemas reguladores de dos componentes (p. ej., EnvZ/OmpR) detectan cambios ambientales y ajustan la expresión genética en consecuencia.
