Este documento describe los diferentes tipos de nutrientes requeridos por las bacterias, incluyendo nutrientes universales como agua, CO2, fosfatos y sales minerales que son necesarios para todos los microorganismos, nutrientes particulares como nitrógeno, azufre y hierro, y factores de crecimiento. También explica la fijación de nitrógeno atmosférico por bacterias a través de la enzima nitrogenasa, un proceso energéticamente costoso que convierte N2 gaseoso en amoníaco utilizable.

1. Carlos Salameh Borrero
Nutrición microbiana
Conceptos generales
Tipos de nutrientes
Nutrientes universales
Nutrientes particulares
Factores de crecimiento
Conceptos generales
La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las
sustancias químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes,
y se requieren para dos objetivos:
• Reacciones de mantenimiento (Obtención de energía)
• Reacciones plásticas o anabolismo (Biosíntesis celular)
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MICROBIOLOGÍA

2. Carlos Salameh Borrero
En la naturaleza, los nutrientes se encuentran combinados, formando parte de sustancias
orgánicas o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir
macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y
no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer
ambos papeles.
El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso
de nutrientes: desde autotrofos que obtienen su carbono por reducción del CO2 y los
demás elementos a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterotrofos capaces de
usar amplia gama de fuentes orgánicas de carbono.
A su vez, dentro de los heterotrofos, se pueden encontrar muchos y variados tipos de
nutrición, desde bacterias metilotrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de
carbono y energía, hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar
más de 100 tipos de fuentes de C (incluyendo entre ellas sustancias tan “exóticas” como
hidrocarburos alifáticos y cíclicos). De cualquier modo, entre los heterotrofos, una de las
fuentes más típicas de carbono consiste en glucosa. En los heterotrofos-organotrofos, los
sustratos carbonados (con un nivel de oxidación no muy distinto del material celular -
CH2O-) entran simultáneamente a:
Metabolismo energético (donde la fuente de C se transforma en CO2, o en CO2 junto con
otras sustancias no totalmente oxidadas) Metabolismo plástico (anabolismo = biosíntesis de
nuevo material celular).
Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las
bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H2O, CO2,
N2, NO3
--, NH3, SO4
=, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son
muy interesantes. De hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en
procariotas. Como paradigma de esto citaremos los microorganismos quimioautotrofos (o
quimiolitoautotrofos): obtienen su energía de la oxidación de sustancias inorgánicas
sencillas, el carbono procede del CO2, y el resto de elementos a partir de sales inorgánicas,
por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales en ausencia de luz.
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Lo habitual, sin embargo, es que muchas bacterias recurran, siempre que puedan, a tomar
del medio ciertos compuestos más complejos, ya que carecen de ciertas rutas
biosintéticas.
Tipos de nutrientes
Se pueden encontrar microorganismos en todos
los hábitats naturales, no importa lo extremas que
puedan ser las condiciones ambientales
La extraordinaria ubicuidad que se observa en el
mundo microbiano es una consecuencia directa de
su enorme capacidad de adaptación a las
condiciones ambientales y de su versatilidad para la
utilización de una amplísima gama de compuestos
carbonados como fuente de energía
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Los nutrientes se pueden clasificar en las siguientes categorías:
• Universales (es decir, aquellos que son requeridos por todos los procariotas) agua,
CO2, fosfatos y sales minerales.
• Particulares
• Factores de crecimiento
Nutrientes universales
Agua: Se requiere en grandes cantidades
Funciones
• Principal constituyente del Protoplasto
• Medio universal para las reacciones biológicas
Procedencia
• Endógena: Procedente de reacciones Redox
• Exógena: Procedente del medio. Difunde a través de la Membrana
Disponibilidad de agua
• Actividad de Agua o Potencial de Agua: Indica la cantidad de Agua Libre: Aw=Ps/
Pw=HR/100. Los valores de Aw oscilan entre 0 y 1
Algunos Ejemplos :
Bacterias de hábitats oligotróficos (Caulobacter, Spirillum) necesitan A
W cercanos a 1.
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Bacterias como Escherichia y Streptococcus, que viven en sangre y fluidos corporales, A
W de alrededor de
0.995.
Bacterias marinas como ciertos Vibrio y Pseudomonas encuentran valores de 0.980.
Ciertos bacilos Gram-positivos que resisten mejor la sequedad requieren valores por encima de 0.950.
Las bacterias xerófilas son capaces de vivir a AW muy bajos (en torno a 0.75).
Arqueas halófilas extremas como Halobacterium, que habita lagunas hipersalinas.
Bacterias (y sobre todo levaduras) sacarófilas, que viven en zumos con altas concentraciones de azúcares
Co2: Es requerido por todos los tipos de bacterias. La mayoría de las bacterias crecen a la
concentración atmosférica de CO2 (0,03%). En algunos casos (Neisseria, Brucella) se
requieren atmósferas enriquecidas (5-10%)
Funciones
• Fuente de carbono en autótrofos
• Aceptor de electrones para la obtención de energía en arqueas metanógenas
• Carboxilaciones en heterótrofos
Procedencia
• Endógena: Procedente de descarboxilaciones durante la degradación de ciertas
fuentes orgánicas de carbono
• Exógena: Procedente de la atmósfera o de soluciones acuosas.
Fósforo: Es requerido en forma de fosfatos (orgánicos o inorgánicos) por todas las bacterias
Las bacterias que usan fosfatos orgánicos, lo hacen gracias a Fosfatasas (extracelulares o
periplásmicas)
Funciones:
• Síntesis de Ácidos Nucleicos
• Síntesis de Fosfolípidos
• Forma parte de ciertas proteínas y coenzimas
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Sales Minerales: Constituyen la fuente de aniones y cationes para la célula.Las bacterias
necesitan minúsculas cantidades de otros elementos (oligoelementos), a los que también se
denomina micronutrientes o elementos traza.
El catión Potasio (K
+
)
• Interviene en la activación de ciertas enzimas
• En Gram positivas está asociado a Ácidos Teicóicos en la pared celular
El catión Magnesio (Mg
++
)
• Estabiliza los ribosomas, las membranas y ácidos nucleicos
• Interviene como cofactor en muchas reacciones enzimáticas (especialmente en las
transferencias de grupos fosfatos)
• Forma parte de las Clorofilas y Bacterioclorofilas de bacterias fotosintéticas
El catión Calcio (Ca
++
)
• Es cofactor de ciertas enzimas (Proteasas)
El catión Ferroso (Fe
++
)
• Es captado por Sideróforos (Hidroxamatos, Enterobactina...) que son moléculas
producidas por las bacterias para solubilizar el hierro
• Forma parte de muchas moléculas que intervienen en el metabolismo respiratorio
(Citocromos y Ferroproteínas)
• Es cofactor de ciertas enzimas
Micronutrientes o elementos traza.
El manganeso (Mn
++
) es un cofactor de ciertas enzimas, y a veces puede sustituir al
Mg
++
.
El cobalto (Co
++
) se requiere casi exclusivamente para la vitamina B
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(de hecho, si se
suministra esta vitamina al medio, las bacterias se vuelven independientes del Co
++
libre).
El zinc (Zn
++
) interviene en la estabilización de complejos enzimáticos como las ADN- y
ARN- polimerasas.
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El molibdeno participa en las llamadas molibdoflavoproteínas, implicadas en la
asimilación de nitratos. Por otro lado, participa como cofactor, junto con el Fe
++
, en el
complejo nitrogenasa de las bacterias fijadoras de N
2
atmosférico.
El níquel participa en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H
2
.
Nutrientes particulares
Nitrógeno y Azufre
Se trata de elementos que pueden ser adquiridos de modo muy distinto, dependiendo del
tipo de bacteria que se considere.
Los elementos N y S (que requieren todos los seres vivos) pueden ser captados por las
bacterias de modos muy distintos, dependiendo de sus capacidades biosintéticas.
Tanto el N como el S se encuentran en la célula en estado reducido:
La mayoría de bacterias fotosintéticas y muchas heterotrofas asimilan estos elementos en
forma combinada inorgánica oxidada:
Muchas bacterias heterotrofas pueden usar alguna forma reducida de:
• N inorgánico: amonio (NH
4
+
)
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• S inorgánico: sulfuros (S
=
, SH
-
)
• N orgánico: aminoácidos, péptidos
• S orgánico: cisteína.
Muchas de las bacterias que pueden usar amonio como única fuente de nitrógeno también
pueden usar nitratos.
Por último, muchos procariotas pueden asimilar el Nitrógeno Molecular, proceso que se
conoce como Fijación del Nitrógeno Atmosférico.
Azotobacter vinelandii
Fijación de nitrógeno atmosférico
En la atmósfera hay un 75% de nitrógeno molecular, una forma extremadamente inerte no
puede ser aprovechada por los seres vivos, excepto por un grupo pequeño de procariotas
que tienen la capacidad de convertir el nitrógeno gaseoso en nitrógeno combinado. Es un
proceso exclusivamente restringido a ciertos procariotas.
La reducción de nitrógeno molecular hasta amoniaco se hace de forma industrial de
acuerdo con un proceso desarrollado por Fritz Haber y Carl Bosch antes de la Primera
Guerra Mundial. El germen del proceso se debe a Haber (1909) y posteriormente fue
complementado con los trabajos de Bosch, de manera que alrededor de 1910-1915 el
proceso completo ya funcionaba industrialmente. Ambos científicos alemanes obtuvieron el
Premio Nobel en 1918 y 1931 respectivamente. Merece la pena destacar que en la
actualidad, que más del 1% del gasto energético mundial está ligado a este proceso de
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obtención de nitrógeno combinado. Se trata de un proceso de Fijación Química del
Nitrógeno Atmosférico.
La Fijación BIOLÓGICA del Nitrógeno Atmosférico ocurre gracias a una enzima bacteriana
que trabaja a temperatura ambiente y a la presión atmosférica. Esta enzima se denomina
Nitrogenasa y cataliza la siguiente reacción:
N
2
+ 8H
+
+ 8e
-
+ 18 ATP 2NH
3
+ H
2
↑ + 18 ADP +18 Pi
La enzima está constituida por dos componentes proteicos:
• Componente I (nitrogenasa):
Es una molibdoferroproteína formada por un (å2ß2 ) proteico unido a 2 unidades de cada
uno de los dos siguientes grupos (clústeres) metálicos: Clúster-P (Fe6S) y el cofactor FeMo
(con la estructura Fe7MoS9 unido a homocitrato).
• Componente II (nitrogenasa reductasa):
Es una ferroproteína formada por un homodímero ( å2) unido a un clúster Fe4S4.
Ambos componentes son extremadamente sensibles al oxígeno (se destruyen en presencia
de O2, pero especialmente el Componente II).
Los electrones para la reducción llegan al complejo por medio de una ferredoxina o una
flavodixina (una clase de proteínas FeS no hémicas), que los transfiere al componente II,
que queda reducido. El componente II reducido se une a dos moléculas de ATP, y cambia
su conformación, lo que le permite unirse al componente I. Entonces se produce la
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10. Carlos Salameh Borrero
transferencia de electrones desde el componente II al componente I, con hidrólisis de ATP,
lo que a su vez provoca la separación del componente II respecto del I. Una vez reducido el
componente I (la molibdoferroproteína), éste transfiere los electrones (y los protones) al N2,
hasta convertirlo en dos moléculas de amoniaco. (El centro activo es FeMoCo). El amoniaco
entra entonces en las rutas biosintéticas para convertirlo en N orgánico, incorporable a las
macromoléculas.
Mecanismo de acción de la Nitrogenasa
La reacción requiere enormes cantidades de energía (al menos 18 ATP y a veces hasta 24
ATP por molécula de N2 reducida). Esto se debe a que el triple enlace que mantiene unidos
a los dos átomos de nitrógeno (N≡N) requiere 940 kJ para que se disocie. Además, se
requiere gran cantidad de energía de activación para transferir los 6 electrones necesarios
para su reducción.
Resulta curioso que una parte de esta energía se emplee en reducir 2 H+ hasta H2. No se
sabe por que ocurre este “despilfarro energético”, pero el efecto es intrínseco al
funcionamiento de la enzima.
Quizás el aspecto más importante de este proceso radica en la extremada sensibilidad de
los componentes de la nitrogenasa al oxígeno. Obviamente, esto no supone un problema
en fijadores de nitrógeno anaerobios, sin embargo, sí que lo es para aquéllos que son
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aeróbicos. Hay diversas estrategias que emplean los fijadores de nitrógeno aeróbicos para
proteger a sus nitrogenasas.
La información genética destinada a controlar el proceso de fijación de nitrógeno es
elevada. Los genes nif son los principalmente implicados. Además existe un control muy
preciso para evitar que se fije nitrógeno en presencia de fuentes de nitrógeno combinado
asequibles, como amonio, nitrato, etc.
Por último, se trata de un proceso muy bien conservado desde el punto de vista evolutivo.
Todas las nitrogenasas de diferentes fijadores de nitrógeno son extraordinariamente
parecidas o iguales. De hecho, se pueden combinar in vitro el Componente I de una
bacteria con el Componente II de otra, y producir una nitrogenasa completamente
funcional.
La capacidad de la Nitrogenasa para reducir el N2 es bastante inespecífica. De hecho, la
enzima lo que realmente hace es reducir triples enlaces. Así, la nitrogenasa reduce el triple
enlace en moléculas como HC≡N, HC≡CH, etc.
La capacidad de reducir el acetileno a etileno es la base de la técnica que actualmente se
usa para cuantificar la actividad enzimática (por cromatografía gaseosa): el test de
reducción de acetileno.
Genes nif
Conjunto de genes responsables de codificar proteínas relacionadas y asociadas con la
fijación de nitrógeno en forma disponible por las plantas. Se encuentran en bacterias
fijadoras de nitrógeno.
Factores de crecimiento
Los factores de crecimiento son moléculas orgánicas específicas que algunas bacterias
necesitan para crecer.
Normalmente no intervienen en procesos biosintéticos o de obtención de energía Suelen
ser vitaminas, coenzimas o sus precursores, que determinadas bacterias no pueden
sintetizar por carecer total o parcialmente de la correspondiente ruta biosintética.
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Algunos ejemplos: las bacterias del género Brucella requieren como factores de crecimiento
en sus medios de cultivo la biotina, niacina, tiamina y ácido pantoténico. Haemophilus
necesita suplementos de grupos hemo y piridín-nucleótidos.
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