El metabolismo microbiano se refiere a los diversos procesos bioquímicos que los microorganismos utilizan para obtener energía, sintetizar componentes celulares y mantener la viabilidad. Las bacterias y arqueas exhiben una extraordinaria diversidad metabólica, superando con creces a la de plantas y animales.

Fuentes de Energía y Clasificación

1. Fotótrofos: Utilizan energía lumínica. Las cianobacterias y las bacterias púrpuras del azufre realizan fotosíntesis.
2. Quimiótrofos: Obtienen energía de compuestos químicos.
   • Quimiolitótrofos: Oxidan compuestos inorgánicos (H2, H2S, NH3, Fe2+).
   • Quimioorganótrofos: Oxidan compuestos orgánicos (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos).
3. Autótrofos: Utilizan CO2 como fuente de carbono (ej., cianobacterias, bacterias nitrificantes).
4. Heterótrofos: Requieren fuentes de carbono orgánico (ej., E. coli, Bacillus, la mayoría de los patógenos).

Respiración Aerobia

1. Glucólisis (ruta de Embden-Meyerhof-Parnas): Convierte glucosa (6C) en dos moléculas de piruvato (3C), produciendo 2 ATP y 2 NADH por glucosa.
2. Ciclo del Ácido Cítrico (ciclo de Krebs, ciclo TCA): Oxida acetil-CoA a CO2, produciendo NADH, FADH2 y GTP en la matriz mitocondrial.
3. Cadena de Transporte de Electrones (ETC): Ubicada en la membrana citoplásmica. NADH y FADH2 se oxidan, los electrones pasan a través de los complejos I-IV, y O2 sirve como aceptor final de electrones. El ATP se genera mediante fosforilación oxidativa (la fuerza protón-motriz impulsa la ATP sintasa).

Metabolismo Anaerobio

1. Respiración Anaerobia: Utiliza aceptores de electrones alternativos como nitrato (NO3- → NO2- → N2), sulfato (SO42- → H2S) o carbonato (CO2 → CH4). Común en bacterias desnitrificantes, reductoras de sulfato y metanogénicas.
2. Fermentación: Utiliza compuestos orgánicos como donantes y aceptores de electrones. No hay ETC ni fosforilación oxidativa; el ATP se produce únicamente por fosforilación a nivel de sustrato.
3. Rutas de fermentación comunes: homoláctica (Lactobacillus, Streptococcus → ácido láctico), alcohólica (levadura → etanol + CO2), ácida mixta (E. coli → ácido láctico, ácido acético, etanol, CO2, H2) y butanodiólica (Enterobacter).
4. Los productos finales de la fermentación se utilizan industrialmente para producir yogur, queso, pan, cerveza, vino y biocombustibles.

Metabolismo del Nitrógeno

1. Fijación de Nitrógeno: Conversión de N2 a NH3 por el complejo enzimático nitrogenasa. Realizada por Azotobacter, Rhizobium (simbiótico con legumbres) y cianobacterias.
2. Nitrificación: Oxidación de NH3 a NO2- (Nitrosomonas) y NO2- a NO3- (Nitrobacter).
3. Desnitrificación: Reducción de NO3- a N2 gaseoso en condiciones anaerobias (Pseudomonas, Paracoccus).
4. La reducción asimilatoria de nitrato convierte NO3- a NH3 para la biosíntesis de aminoácidos y nucleótidos.

Regulación Metabólica

1. Represión catabólica: La glucosa es la fuente de carbono preferida; su presencia reprime los genes para metabolizar azúcares alternativos (ej., operón lac en E. coli).
2. Inhibición por retroalimentación: Los productos finales de las rutas biosintéticas inhiben la primera enzima de la ruta, evitando la sobreproducción.
3. Los sistemas reguladores de dos componentes (ej., EnvZ/OmpR) detectan cambios ambientales y ajustan la expresión génica en consecuencia.