Definición: ¿Qué son los anaerobios?
Básicamente, los anaerobios son organismos que no requieren energía oxígeno para su metabolismo. Como tal, son diferentes de otros tipos de organismos (aerobios) que necesitan oxígeno para sus necesidades energéticas.
En comparación con los aerobios que necesitan oxígeno para crecer, los anaerobios son capaces de utilizar varias otras sustancias durante el metabolismo.
Ejemplos de organismos anaerobios son:
- Actinomyces
- Clostridium
- Propionibacterium
- Bifidobacterium
- Bacteroides
- Fusobacterium
- Prevotella
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Bacterias anaerobias
Al igual que otros organismos anaerobios, las bacterias anaerobias no necesitan oxígeno para respirar. Más bien pueden utilizar diversos materiales orgánicos e incluso inorgánicos como aceptores de electrones durante este proceso.
Aquí cabe destacar que algunos de los anaerobios pueden tolerar el oxígeno e incluso utilizarlo para la respiración. Para otros, sin embargo, el oxígeno no puede ser tolerado e incluso es venenoso para las bacterias.
Aquí están las principales clasificaciones de las bacterias anaerobias:
En base a las características metabólicas, las bacterias anaerobias se dividen en los siguientes grupos:
- Bacterias anaerobias facultativas
- Bacterias aerotolerantes
- Bacterias anaerobias oblongas
Bacterias anaerobias diferentes se comportan de forma distinta cuando crecen en cultivo líquido:
- Las bacterias aerobias blandas se reúnen en la parte superior del tubo de ensayo para absorber la máxima cantidad de oxígeno.
- Las bacterias anaerobias blandas se reúnen en la parte inferior para evitar el oxígeno.
- Las bacterias facultativas se reúnen sobre todo en la parte superior, ya que la respiración aeróbica es ventajosa (es decir, energéticamente favorable); pero como la falta de oxígeno no les perjudica, pueden encontrarse a lo largo de todo el tubo de ensayo.
- Las microaerófilas se reúnen en la parte superior del tubo de ensayo pero no en la parte superior. Requieren oxígeno, pero en una concentración menor.
- Las bacterias aerotolerantes no se ven afectadas en absoluto por el oxígeno, y se reparten uniformemente a lo largo del tubo de ensayo.
Anaerobios facultativos
Las bacterias descritas como anaerobios facultativos crecen bien en oxígeno, pero también pueden seguir creciendo en su ausencia. Aunque prosperan especialmente en presencia de oxígeno, estos anaerobios también pueden utilizar procesos como la fermentación para seguir creciendo cuando el oxígeno no está disponible.
Por lo tanto, los anaerobios facultativos pueden describirse con las siguientes tres características principales:
Pueden crecer de forma aeróbica o anaeróbica
Debido a su capacidad de respirar y fermentar sustancias orgánicas, este tipo de bacterias (anaerobios facultativos), pueden seguir creciendo en presencia o en ausencia de oxígeno. Para algunos de estos organismos, particularmente aquellos que dependen del oxígeno para algunas de las reacciones biosintéticas, el crecimiento se ve significativamente afectado en ausencia de oxígeno.
Respiración aeróbica y anaeróbica en bacterias anaerobias facultativas
El metabolismo se refiere a un conjunto de reacciones químicas que convierten la materia alimenticia en energía. En el caso de los anaerobios facultativos, las vías de respiración cambian dependiendo de la presencia o ausencia de oxígeno.
Los siguientes son los pasos para los dos procesos:
Glicólisis
Tanto para la respiración aeróbica como para la fermentación de las bacterias anaerobias facultativas como los lactobacilos, la glucólisis (descomposición de la glucosa para producir 2 piruvato) es el primer paso del metabolismo.
* El azúcar simple se convierte primero en fosfoenolpiruvato antes de seguir descomponiéndose en piruvato.
Producción de energía
En presencia de oxígeno:
La respiración anaeróbica pasa por dos fases más que incluyen el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y la cadena de transporte de electrones. El piruvato, que todavía contiene altas cantidades de energía química, es entonces actuado por la enzima piruvato deshidrogenasa para producir acetil-CoA (acetil-coenzima A).
En el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), el acetil (acetil-CoA) es oxidado en ocho pasos enzimáticos para producir moléculas conocidas como NADH (nicotinamida adenina dinucleótido). Aquí, cada una de las moléculas de piruvato se descompone para liberar cuatro de estas moléculas.
El NADH desempeña un importante papel como agente reductor en el sentido de que opera como donante de electrones al oxígeno, que actúa como aceptor terminal de electrones. En el proceso, el oxígeno se reduce a agua.
Al final, el proceso de descomposición completa de la glucosa en la respiración aeróbica da lugar a la producción de 36 moléculas de ATP por cada unidad de glucosa.
* El TCA también se conoce como el ciclo de Krebs del ciclo del ácido cítrico.
* El ciclo del TCA tiene lugar en la mitocondria.
La respiración aeróbica puede presentarse como: 6 CO2+ 6 H2O + 36 ATPàC6H12O6+ 6 O2
En ausencia de oxígeno:
En ausencia de oxígeno, las bacterias como E. coli tienen que utilizar otro proceso para fabricar energía. Esto implica la transformación del piruvato para regenerar el NAD+.
* Se pueden utilizar tales aceptores de electrones como el sulfato, los nitratos y el fumarato entre otros.
Aquí, el NADH dona electrones a estos compuestos dado que el oxígeno como aceptor de electrones está ausente. Sin embargo, debido al hecho de que estos aceptores de electrones tienen menos afinidad por los electrones en comparación con el oxígeno, se produce menos cantidad de energía durante la respiración anaeróbica.
En algunos casos, las alternativas mencionadas (nitrato, sulfato, azufre y fumarato) y el oxígeno están totalmente ausentes. Por esta razón, los anaerobios facultativos como los lactobacilos utilizan la fermentación como medio de producción de energía.
Después de la glucólisis, que descompone el azúcar en piruvato, las moléculas de piruvato producidas pueden ser descompuestas aún más por determinadas enzimas dando lugar a la producción de determinados productos. La presencia de la lactato deshidrogenasa puede dar lugar a la producción de lactato, mientras que la presencia de la piruvato formato liasa puede descomponer el piruvato en formiato.
También la piruvato deshidrogenasa descompone el piruvato en acetil-CoA. Estos productos se descomponen posteriormente por una acción enzimática determinada dependiendo del organismo. El acetil-CoA se descompone a su vez en acetato por la fosfato acetil-transferasa o puede acabar siendo descompuesto en etanol por la alcohol deshidrogenasa y la acetaldehído deshidrogenasa.
La acción de otras enzimas produce succinato que se convierte en ácidos y acaba siendo eliminado de la célula como residuo. Mientras que el etanol se excreta directamente, el formiato se descompone en dióxido de carbono e hidrógeno que tienen que ser eliminados de la célula.
Aunque el proceso de fermentación produce energía, la cantidad de energía es significativamente menor en comparación con la producida durante la respiración aeróbica.
* En la fermentación se producen dos moléculas de ATP por cada unidad de glucosa.
La fermentación puede presentarse como:
Ácido pirúvico + NADH ↔ ácido láctico + NAD+
Además de esta característica (capacidad de crecer de forma aeróbica y anaeróbica), los anaerobios facultativos tienen las dos características siguientes:
Uso preferente de la respiración – Aunque se ha demostrado que algunos de los anaerobios facultativos desactivan las enzimas respiratorias para utilizar la fermentación, a pesar del bajo rendimiento energético, la respiración es preferida por una mayoría de estos organismos dado que proporciona un alto rendimiento energético.
Descomposición de azúcares – Por último, debido a las cantidades de energía producidas por los diferentes mecanismos, hay una menor tasa de descomposición de azúcares en la aerobiosis en comparación con la anaerobiosis.
Anaerobios obligados
A diferencia de los anaerobios facultativos, los obligados viven en ambientes que no tienen oxígeno. Como tales, no pueden sobrevivir en presencia de oxígeno debido a la toxicidad del mismo. Por esta razón, los anaerobios obligados dependen de una variedad de otras sustancias como aceptores terminales de electrones.
Algunas de las bacterias clasificadas como anaerobios obligados incluyen:
- Peptostreptococcus
- Clostridium e.g. Clostridium tetani
- Actinomyces
- Propionibacterium
- No pueden llevar a cabo la fosforilación oxidativa
- Carecen de enzimas como la catalasa, la peroxidasa y la superóxido dismutasa que pueden convertir diversas moléculas para producir oxígeno entre otras moléculas
- Sólo pueden obtener su energía de la glucólisis
- El proceso metabólico en los anaerobios obligados implica el uso de componentes que son muy sensibles a la oxidación – aquí, tales moléculas inorgánicas como los sulfatos pueden utilizarse como aceptores terminales de electrones
- Streptococcus spp
- Clostridium spp como C. perfringens
- Son de naturaleza anaeróbica
- Utilizan la fermentación (en presencia o ausencia de oxígeno)
- Tienen enzimas superóxido dismutasa (que evita la acumulación de superóxido) y perixidasa
Aunque los anaerobios obligados viven en entornos desprovistos de oxígeno (barro o intestino de animales, etc.), algunos pueden tolerar muy poca concentración de oxígeno (entre el 0,5 y el 8 por ciento de oxígeno), dependiendo del organismo. Cuando se exponen a concentraciones más altas, algunas de estas bacterias forman endosporas que son capaces de sobrevivir en esas condiciones extremas.
Algunas otras características de los anaerobios obligados son:
El metabolismo en los anaerobios obligados puede, por tanto, representarse de la siguiente manera:
SO42-+2C+2H2O→SRBH2S+2HCO3-
Bacterias aerotolerantes
Aunque pueden tolerar la presencia de oxígeno, los anaerobios aerotolerantes no pueden crecer ni realizar procesos de metabolismo en su presencia. Mediante la fermentación, estas bacterias son capaces de satisfacer sus necesidades energéticas.
Ejemplos de bacterias aerotolerantes son:
Las características de las bacterias aerotolerantes incluyen:
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Hiroko E. Kikuchi y Takeshi Suzuki. (1986). Quantitative Method for Measurement of Aerotolerance of Bacteria and Its Application to Oral Indigenous Anaerobes. Applied And Environmental Microbiology, Oct. 1986, p. 971-973.
Dr. Alvin Fox. (2016). Bacteriología – Capítulo tres. Nutrición, crecimiento y metabolismo energético.
Thomas Finn. (2014). Entendiendo la adaptación bacteriana a ambientes aeróbicos y anaeróbicos a través de la evolución experimental y el análisis del genoma completo.