Objetivos de aprendizaje
- Definir la fermentación y explicar por qué no requiere oxígeno
- Describir las vías de fermentación y sus productos finales y dar ejemplos de microorganismos que utilizan estas vías
- Compare y contraste la fermentación y la respiración anaeróbica
Muchas células son incapaces de llevar a cabo la respiración debido a una o más de las siguientes circunstancias:
- La célula carece de una cantidad suficiente de cualquier aceptor de electrones final, inorgánico y apropiado para llevar a cabo la respiración celular.
- La célula carece de genes para hacer complejos apropiados y portadores de electrones en el sistema de transporte de electrones.
- La célula carece de genes para hacer una o más enzimas en el ciclo de Krebs.
Mientras que la falta de un aceptor final de electrones inorgánico apropiado depende del medio ambiente, las otras dos condiciones están determinadas genéticamente. Así, muchos procariotas, incluidos los miembros del género Streptococcus, de importancia clínica, son permanentemente incapaces de respirar, incluso en presencia de oxígeno. Por el contrario, muchos procariotas son facultativos, lo que significa que, si las condiciones ambientales cambian para proporcionar un aceptor final de electrones inorgánico apropiado para la respiración, los organismos que contienen todos los genes necesarios para hacerlo cambiarán a la respiración celular para el metabolismo de la glucosa porque la respiración permite una producción de ATP mucho mayor por molécula de glucosa.
Si la respiración no ocurre, NADH debe ser reoxidado a NAD+ para la reutilización como un portador de electrones para la glucólisis, el único mecanismo de la célula para producir cualquier ATP, para continuar. Algunos sistemas vivos utilizan una molécula orgánica (comúnmente piruvato) como aceptor final de electrones a través de un proceso llamado fermentación. La fermentación no implica un sistema de transporte de electrones y no produce directamente ningún ATP adicional al producido durante la glucólisis por la fosforilación a nivel de sustrato. Los organismos que llevan a cabo la fermentación, llamados fermentadores, producen un máximo de dos moléculas de ATP por cada glucosa durante la glucólisis. La Tabla 1 compara los aceptores finales de electrones y los métodos de síntesis de ATP en la respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación. Nótese que el número de moléculas de ATP que se muestra para la glucólisis supone la vía de Embden-Meyerhof-Parnas. Se indica el número de moléculas de ATP producidas por la fosforilación a nivel de sustrato (SLP) frente a la fosforilación oxidativa (OP).
| Tabla 1. Comparación de la respiración frente a la fermentación | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tipo de metabolismo | Ejemplo | Aceptor final de electrones | Vías implicadas en la síntesis de ATP (tipo de fosforilación) | Máximo rendimiento de ATP. Moléculas |
| Respiración aeróbica | Pseudomonas aeruginosa | {text{O}_{2} |
EMP glucólisis (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte de electrones y quimiosmosis (OP): |
|
| Total | 38 | |||
| Respiración anaeróbica | Paracoccus denitrificans |
{text{NO}}_{3}^{-},{\text{SO}_{4}^-2},{\text{Fe}}^{3},{\text{CO}_{2}, otros inorgánicos |
EMP glucólisis (SLP) Ciclo de Krebs (SLP) Transporte de electrones y quimiosmosis (OP): |
1-32 |
| Total | 5-36 | |||
| Fermentación | Candida albicans |
Orgánicos (generalmente piruvato) |
Glucólisis del PE (SLP) Fermentación |
|
| Total | 2 | |||
Los procesos de fermentación microbiana han sido manipulados por el ser humano y se utilizan ampliamente en la producción de diversos alimentos y otros productos comerciales, incluidos los productos farmacéuticos. La fermentación microbiana también puede ser útil para identificar microbios con fines de diagnóstico.
La fermentación de algunas bacterias, como las del yogur y otros productos alimenticios agriados, y de los animales en los músculos durante el agotamiento del oxígeno, es la fermentación del ácido láctico. La reacción química de la fermentación del ácido láctico es la siguiente:
{Piruvato + NADH}{texto}{stackrel{}{leftrightarrow}{texto}{ácido láctico + NAD}^{texto{+}
Las bacterias de varios géneros grampositivos, incluyendo Lactobacillus, Leuconostoc y Streptococcus, se conocen colectivamente como bacterias del ácido láctico (BL), y varias cepas son importantes en la producción de alimentos. Durante la producción de yogur y queso, el entorno altamente ácido generado por la fermentación del ácido láctico desnaturaliza las proteínas contenidas en la leche, provocando su solidificación. Cuando el ácido láctico es el único producto de fermentación, se dice que el proceso es una fermentación homoláctica; tal es el caso de Lactobacillus delbrueckii y S. thermophiles utilizados en la producción de yogur. Sin embargo, muchas bacterias realizan la fermentación heteroláctica, produciendo una mezcla de ácido láctico, etanol y/o ácido acético, y CO2 como resultado, debido a que utilizan la vía de la pentosa fosfato ramificada en lugar de la vía de la EMP para la glucólisis. Un importante fermentador heteroláctico es Leuconostoc mesenteroides, que se utiliza para agriar verduras como los pepinos y la col, produciendo encurtidos y chucrut, respectivamente.
Las bacterias del ácido láctico también son importantes desde el punto de vista médico. La producción de ambientes de bajo pH dentro del cuerpo inhibe el establecimiento y el crecimiento de patógenos en estas áreas. Por ejemplo, la microbiota vaginal está compuesta en gran parte por bacterias lácticas, pero cuando estas bacterias se reducen, las levaduras pueden proliferar, causando una infección por hongos. Además, las bacterias lácticas son importantes para mantener la salud del tracto gastrointestinal y, como tales, son el componente principal de los probióticos.
Otro proceso de fermentación conocido es la fermentación del alcohol, que produce etanol. La reacción de fermentación del etanol se muestra en la figura 1. En la primera reacción, la enzima piruvato descarboxilasa elimina un grupo carboxilo del piruvato, liberando gas CO2 y produciendo la molécula de dos carbonos acetaldehído. La segunda reacción, catalizada por la enzima alcohol deshidrogenasa, transfiere un electrón del NADH al acetaldehído, produciendo etanol y NAD+. La fermentación del piruvato en etanol por parte de la levadura Saccharomyces cerevisiae se utiliza en la producción de bebidas alcohólicas y también hace que los productos de panadería se eleven debido a la producción de CO2. Fuera de la industria alimentaria, la fermentación del etanol de productos vegetales es importante en la producción de biocombustibles.
Figura 1. Se muestran las reacciones químicas de la fermentación del alcohol. La fermentación del etanol es importante en la producción de bebidas alcohólicas y de pan.
Además de la fermentación del ácido láctico y de la fermentación del alcohol, en los procariotas se producen muchos otros métodos de fermentación, todos ellos con el fin de asegurar un suministro adecuado de NAD+ para la glucólisis (Tabla 2). Sin estas vías, la glucólisis no se produciría y no se obtendría ATP de la descomposición de la glucosa. Cabe señalar que la mayoría de las formas de fermentación, además de la fermentación homoláctica, producen gas, comúnmente CO2 y/o gas hidrógeno. Muchos de estos diferentes tipos de vías de fermentación también se utilizan en la producción de alimentos y cada uno de ellos da lugar a la producción de diferentes ácidos orgánicos, lo que contribuye al sabor único de un determinado producto alimenticio fermentado. El ácido propiónico producido durante la fermentación del ácido propiónico contribuye al sabor distintivo del queso suizo, por ejemplo.
Varios productos de la fermentación son importantes comercialmente fuera de la industria alimentaria. Por ejemplo, durante la fermentación de acetona-butanol-etanol se producen disolventes químicos como la acetona y el butanol. Los compuestos farmacéuticos orgánicos complejos utilizados en los antibióticos (por ejemplo, la penicilina), las vacunas y las vitaminas se producen mediante la fermentación de ácidos mixtos. Los productos de fermentación se utilizan en el laboratorio para diferenciar diversas bacterias con fines de diagnóstico. Por ejemplo, las bacterias entéricas son conocidas por su capacidad de realizar una fermentación ácida mixta, reduciendo el pH, lo que puede detectarse utilizando un indicador de pH. Del mismo modo, también se puede detectar la producción bacteriana de acetoína durante la fermentación del butanediol. La producción de gas de la fermentación también puede verse en un tubo Durham invertido que atrapa el gas producido en un cultivo de caldo.
Los microbios también pueden diferenciarse según los sustratos que pueden fermentar. Por ejemplo, E. coli puede fermentar la lactosa, formando gas, mientras que algunos de sus parientes cercanos gramnegativos no pueden hacerlo. La capacidad de fermentar el alcohol de azúcar sorbitol se utiliza para identificar la cepa patógena enterohemorrágica O157:H7 de E. coli porque, a diferencia de otras cepas de E. coli, es incapaz de fermentar el sorbitol. Por último, la fermentación del manitol diferencia al Staphylococcus aureus fermentador de manitol de otros estafilococos no fermentadores de manitol.
| Tabla 2. Vías comunes de fermentación | |||
|---|---|---|---|
| Vía | Productos finales | Microbios de ejemplo | Productos comerciales |
| Acetona-butanol-etanol | Acetona, butanol, etanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Disolventes comerciales, alternativa a la gasolina |
| Alcohol | Etanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Cerveza, pan |
| Butanediol | Ácido fórmico y láctico; etanol; acetoína; 2,3 butanodiol; CO2; gas de hidrógeno | Klebsiella, Enterobacter | Vino de Chardonnay |
| Ácido butírico | Ácido butírico, CO2, gas hidrógeno | Clostridium butyricum | Mantequilla |
| Ácido láctico | Ácido láctico | Streptococcus, Lactobacillus | Chucrut, yogur, queso |
| Ácido mixto | Ácidos acético, fórmico, láctico y succínico; etanol, CO2, gas hidrógeno | Escherichia, Shigella | Vinagre, cosméticos, productos farmacéuticos |
| Ácido propiónico | Ácido acético, ácido propiónico, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Queso suizo |
Piénsalo
- ¿Cuándo un microbio metabólicamente versátil realizaría la fermentación en lugar de la respiración celular?
Identificación de bacterias mediante el uso de paneles de prueba API
La identificación de un aislado microbiano es esencial para el diagnóstico correcto y el tratamiento adecuado de los pacientes. Los científicos han desarrollado técnicas que identifican las bacterias según sus características bioquímicas. Normalmente, examinan el uso de fuentes de carbono específicas como sustratos para la fermentación u otras reacciones metabólicas, o bien identifican productos de fermentación o enzimas específicas presentes en las reacciones. En el pasado, los microbiólogos han utilizado tubos de ensayo y placas individuales para realizar pruebas bioquímicas. Sin embargo, los científicos, especialmente los de los laboratorios clínicos, utilizan ahora con más frecuencia paneles de plástico, desechables y multiprueba que contienen varios tubos de reacción en miniatura, cada uno de los cuales suele incluir un sustrato específico y un indicador de pH. Tras la inoculación del panel de pruebas con una pequeña muestra del microbio en cuestión y la incubación, los científicos pueden comparar los resultados con una base de datos que incluye los resultados esperados para reacciones bioquímicas específicas de microbios conocidos, lo que permite una rápida identificación de un microbio de la muestra. Estos paneles de pruebas han permitido a los científicos reducir los costes y, al mismo tiempo, mejorar la eficacia y la reproducibilidad al realizar un mayor número de pruebas simultáneamente.
Muchos paneles de pruebas bioquímicas comerciales y miniaturizados cubren varios grupos de bacterias y levaduras de importancia clínica. Uno de los paneles de pruebas más antiguos y populares es el panel del Índice de Perfil Analítico (API) inventado en la década de 1970. Una vez que se ha realizado una caracterización básica en el laboratorio de una cepa determinada, como la determinación de la morfología de Gram de la cepa, se puede utilizar una tira de prueba adecuada que contenga de 10 a 20 pruebas bioquímicas diferentes para diferenciar las cepas dentro de ese grupo microbiano. En la actualidad, las distintas tiras API pueden utilizarse para identificar rápida y fácilmente más de 600 especies de bacterias, tanto aerobias como anaerobias, y aproximadamente 100 tipos diferentes de levaduras. Basándose en los colores de las reacciones cuando hay productos finales metabólicos, debido a la presencia de indicadores de pH, se crea un perfil metabólico a partir de los resultados (Figura 2). Los microbiólogos pueden entonces comparar el perfil de la muestra con la base de datos para identificar el microbio específico.
Figura 2. La tira reactiva API 20NE se utiliza para identificar cepas específicas de bacterias gramnegativas fuera de las Enterobacteriaceae. Aquí se muestra un resultado de la tira reactiva API 20NE para Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Enfoque clínico: Alex, Parte 2
Este ejemplo continúa la historia de Alex que comenzó en Materia Energética y Enzimas.
Muchos de los síntomas de Alex son consistentes con varias infecciones diferentes, incluyendo gripe y neumonía. Sin embargo, su lentitud de reflejos junto con su sensibilidad a la luz y su rigidez de cuello sugieren una posible afectación del sistema nervioso central, tal vez indicando una meningitis. La meningitis es una infección del líquido cefalorraquídeo (LCR) que rodea el cerebro y la médula espinal y provoca la inflamación de las meninges, las capas protectoras que cubren el cerebro. La meningitis puede estar causada por virus, bacterias u hongos. Aunque todas las formas de meningitis son graves, la meningitis bacteriana es especialmente seria. La meningitis bacteriana puede estar causada por varias bacterias diferentes, pero la bacteria Neisseria meningitidis, un diplococo gramnegativo con forma de frijol, es una causa común y conduce a la muerte en el plazo de 1 a 2 días en el 5% a 10% de los pacientes.
Dada la gravedad potencial de las condiciones de Alex, su médico aconsejó a sus padres que lo llevaran al hospital de Banjul, la capital de Gambia, para que le hicieran pruebas y lo trataran por posible meningitis. Tras tres horas de viaje hasta el hospital, Alex fue ingresado inmediatamente. Los médicos le tomaron una muestra de sangre y le hicieron una punción lumbar para analizar el LCR. También le administraron inmediatamente un tratamiento con el antibiótico ceftriaxona, el fármaco de elección para el tratamiento de la meningitis causada por N. meningitidis, sin esperar a los resultados de las pruebas de laboratorio.
- ¿Cómo podrían utilizarse las pruebas bioquímicas para confirmar la identidad de N. meningitidis?
- ¿Por qué los médicos de Alex decidieron administrarle antibióticos sin esperar a los resultados de las pruebas?
Volveremos al ejemplo de Alex en páginas posteriores.
Conceptos clave y resumen
- La fermentación utiliza una molécula orgánica como aceptor final de electrones para regenerar NAD+ a partir de NADH para que la glucólisis pueda continuar.
- La fermentación no implica un sistema de transporte de electrones, y no se produce ATP por el proceso de fermentación directamente. Los fermentadores producen muy poco ATP: sólo dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa durante la glucólisis.
- Los procesos de fermentación microbiana se han utilizado para la producción de alimentos y productos farmacéuticos, y para la identificación de microbios.
- Durante la fermentación del ácido láctico, el piruvato acepta electrones del NADH y se reduce a ácido láctico. Los microbios que realizan la fermentación homoláctica producen sólo ácido láctico como producto de la fermentación; los microbios que realizan la fermentación heteroláctica producen una mezcla de ácido láctico, etanol y/o ácido acético, y CO2.
- La producción de ácido láctico por parte de la microbiota normal impide el crecimiento de patógenos en ciertas regiones del cuerpo y es importante para la salud del tracto gastrointestinal.
- Durante la fermentación del etanol, el piruvato se descarboxila primero (liberando CO2) a acetaldehído, que luego acepta electrones del NADH, reduciendo el acetaldehído a etanol. La fermentación del etanol se utiliza para la producción de bebidas alcohólicas, para hacer subir los productos del pan y para la producción de biocombustibles.
- Los productos de fermentación de las vías (por ejemplo, la fermentación del ácido propiónico) proporcionan sabores distintivos a los productos alimenticios. La fermentación se utiliza para producir disolventes químicos (fermentación de acetona-butanol-etanol) y productos farmacéuticos (fermentación de ácidos mixtos).
- Los tipos específicos de microbios pueden distinguirse por sus vías y productos de fermentación. Los microbios también pueden diferenciarse según los sustratos que son capaces de fermentar.
Múltiples opciones
¿Cuál de las siguientes es la finalidad de la fermentación?
- Hacer ATP
- Hacer moléculas intermedias de carbono para el anabolismo
- Hacer NADH
- Hacer NAD+
¿Qué molécula suele servir como aceptor final de electrones durante la fermentación?
- oxígeno
- NAD+
- piruvato
- CO2
¿Qué producto de la fermentación es importante para que el pan suba?
- etanol
- CO2
- ácido láctico
- gas de hidrógeno
¿Cuál de los siguientes no es un producto de fermentación comercialmente importante?
- etanol
- piruvato
- butanol
- penicilina
Fill in the Blank
El microbio responsable de la fermentación del etanol con el fin de producir bebidas alcohólicas es ________.
________ resulta en la producción de una mezcla de productos de fermentación, incluyendo ácido láctico, etanol y/o ácido acético, y CO2.
Los organismos fermentadores producen ATP mediante el proceso de ________.
Emparejar
Emparejar la vía de fermentación con el producto comercial correcto que se utiliza para producir:
| ___fermentación de acetona-butanol-etanol | a. pan |
| ___fermentación del alcohol | b. productos farmacéuticos |
| ___fermentación del ácido láctico | c. Queso suizo |
| ___fermentación de ácido mixto | d. yogur |
| ___fermentación de ácido propiónico | e. disolventes industriales |
Piénsalo
- ¿Por qué algunos microbios, entre ellos Streptococcus spp,
- ¿Por qué algunos microbios, incluidos los Streptococcus spp., son incapaces de realizar la respiración aeróbica, incluso en presencia de oxígeno?
- ¿Cómo puede utilizarse la fermentación para diferenciar varios tipos de microbios?
- La bacteria E. coli es capaz de realizar la respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación. ¿Cuándo realizaría cada proceso y por qué? ¿Cómo se produce el ATP en cada caso?
