La disponibilidad de glucosa intracelular le permite a la célula bacteriana metabolizar la glucosa (**glicólisis**) con el propósito de obtener energía (**ATP**) para los diversos procesos celulares, para ser almacenada en forma de polisacáridos de reserva (**glicógeno**) o utilizar el esqueleto carbonado del azúcar para la síntesis de otras moléculas de interés para la célula (por ejemplo, aminoácidos, ácidos grasos). En consecuencia, la glucosa es uno de los metabolitos más importantes usados para el desarrollo y crecimiento de las células procariontes (y también las eucariontes). Así, los mecanismos celulares usados en el transporte de glucosa a través de la membrana citoplasmática son de suma importancia.

Tipos de Sistemas de Transporte de Moléculas a través de la Membrana Celular

Existen dos tipos o sistemas principales:

• Transporte no mediado: ocurre por simple difusión, sin consumo de energía.
• Transporte mediado o facilitado: utiliza proteínas portadoras o transportadoras (también llamadas translocadoras, translocasas, permeasas). Este es el mecanismo de transporte de glucosa utilizado por Streptococcus mutans en la cavidad bucal.

Clasificación del Transporte Mediado o Facilitado

El transporte mediado se clasifica en dos tipos:

• Transporte mediado-pasivo o difusión facilitada: La molécula fluye a favor de la gradiente de concentración, desde el sector de alta concentración al de baja concentración, hasta que se alcanza el equilibrio en las concentraciones. El transporte es mediado por proteínas transportadoras específicas y no hay gasto de energía. Cuando la concentración de azúcar en la cavidad bucal es alta (durante períodos de ingesta alimenticia) se genera una gradiente de concentración entre el exterior e interior celular y las moléculas de glucosa son transportadas al interior por medio de proteínas portadoras, sin consumo energético. El transporte de glucosa al interior de los eritrocitos es otro ejemplo de transporte mediado-pasivo.

Diferencias entre la Difusión Facilitada y el Transporte No Mediado

1. Velocidad y especificidad: el transporte de glucosa es mediado por un sistema que reconoce la molécula de azúcar y la diferencia de otras. Además, el transporte por difusión facilitada presenta una cinética de saturación hiperbólica, indicando que la membrana posee un número fijo o específico de sitios de unión de glucosa que son saturables, lo que permite definir parámetros similares a los de la ecuación de Michaelis-Menten para la cinética de reacciones enzimáticas, esto es, el flujo máximo o Vmax y la KM o concentración de glucosa requerida para alcanzar la mitad del flujo máximo (ver Fig. 3.1.). En el eritrocito se ha determinado que la KM del sistema mediado-pasivo para glucosa es de 0,5 mM. En contraste, el transporte no mediado posee una cinética lineal dependiente de la diferencia de concentración de la molécula a ser transportada (ver Fig. 3.2.).

2. Susceptibilidad a la inhibición competitiva: compuestos químicamente similares a la glucosa (por ejemplo, 6-bencil-galactosa) actúan inhibiendo el sistema de transporte mediado-pasivo, con una cinética de inhibición similar a la de los inhibidores competitivos de enzimas (ver Fig. 3.3.), indicando que el número de sitios disponibles para el transporte es fijo y limitado.

3. Susceptibilidad a la inactivación química: agentes químicos, como el cloruro de mercurio (HgCl2), que reaccionan con los grupos sulfidrilos de las proteínas, inactivan el sistema de transporte de glucosa, indicando que el sistema requiere de proteínas transportadoras.

4. Transporte activo: La molécula es transportada en contra de la gradiente de concentración, desde la zona de baja concentración hasta la zona de alta concentración, mediante proteínas transportadoras específicas. Este es un proceso endergónico, por lo que debe estar acoplado a un proceso exergónico, por ejemplo, la hidrólisis de ATP, que suministre la energía necesaria para el transporte activo de la molécula. Cuando la concentración de glucosa en la cavidad bucal es baja, el transporte selectivo de glucosa se debe realizar en contra de la gradiente de concentración, lo que requiere energía.

Categorías de Transporte Activo en Bacterias

Dependiendo del mecanismo usado por las bacterias en el transporte activo de moléculas, se pueden diferenciar dos categorías:

A. Sistema Dependiente de Fuerza Protonmotriz y Potencial Electroquímico de Membrana

Sistema bacteriano usado para el transporte activo de moléculas como glucosa, lactosa, sacarosa, fosfato, etc., aprovechando la energía contenida en la gradiente de protones y el potencial electroquímico de la membrana plasmática, equivalente a la fuerza protonmotriz que se forma en la membrana interna de la mitocondria de células eucariontes. La gradiente de concentración de protones (mayor en el exterior, menor en el citoplasma) se origina en la membrana plasmática bacteriana a consecuencia de la excreción de protones debido a diversos procesos, tales como:

• Transporte de electrones y reoxidación del NADH glicolítico, a nivel de la membrana citoplasmática bacteriana.
• Eliminación al exterior de productos catabólicos ácidos, por ejemplo, ácido láctico.
• La acción de ATPasas que bombean protones al exterior, con consumo de ATP.

La diferencia de concentración de protones entre el exterior e interior celular genera una fuerza protonmotriz y un potencial electroquímico que la bacteria aprovecha para reingresar los protones exteriores con el fin de:

• Sintetizar ATP, paralelo al ingreso de protones.
• Importar moléculas de fosfato inorgánico, paralelo al ingreso de protones.
• Eliminar Na+, paralelo al ingreso de protones.
• Importar glucosa, sacarosa y otros azúcares, en contra de la gradiente de concentración, paralelo al ingreso de protones.

Streptococcus mutans utiliza proteínas transportadoras específicas para sacarosa o glucosa (permeasas), para transportarlas desde el exterior al interior de la célula bacteriana, cuando la concentración exterior es menor que la interior. Así, el proceso de transporte activo depende de la fuerza o energía conductora (gradiente de protones más el potencial electroquímico) disponible durante el flujo de protones que reingresan a la célula.

B. Sistema de Translocación de Grupos

La mayoría de las bacterias usan una variación del transporte activo, el proceso denominado translocación de grupos, para importar ciertos azúcares (glucosa, fructosa, sorbitol, manitol, etc.) al interior de la célula, en contra de la gradiente de concentración, utilizando proteínas transportadoras específicas y con consumo de energía. La translocación de grupos se diferencia del transporte activo en que la molécula a ser importada es simultáneamente transportada y modificada químicamente.

El sistema de translocación de grupo mejor estudiado en bacterias es el llamado sistema fosfotransferasa dependiente de fosfoenolpiruvato (SFF), el que simultáneamente transporta y fosforila monosacáridos. Ya que la membrana plasmática es impermeable a azúcares fosforilados, una vez que el azúcar es transportado y fosforilado, éste queda secuestrado al interior de la célula. Para el transporte de glucosa, el SFF requiere de la participación de 4 proteínas bacterianas: la proteína citoplasmática EI, la proteína citoplasmática HPr (que contiene histidina y transporta fosfato), la proteína transmembrana específica EII que actúa como transportador de glucosa a través de la membrana plasmática y la proteína específica para glucosa EIII, que fosforila a EII.

El sistema involucra un proceso de fosforilación-desfosforilación de estas proteínas, en el que el dador inicial del grupo fosforilo es fosfoenolpiruvato (PEP) y el aceptor final es la molécula de glucosa que es transportada (ver Fig.3.4.), de acuerdo al siguiente esquema: PEP -> EI -> HPr -> EIII -> EII -> glucosa

De este modo, el transporte activo de glucosa por medio del sistema bacteriano SFF utiliza la energía contenida en la molécula de fosfoenolpiruvato (equivalente a una molécula de ATP), la que es fuente de grupos fosforilo. A concentraciones externas relativamente bajas: sistema de transporte por translocación de grupo (proteína permeasa / sistema fosfotransferasa-fosfoenolpiruvato, SFF) / Sistema de mayor afinidad: saturación a [ glucosa ] = 5 uM.

Metabolismo de la Sacarosa

La molécula de sacarosa es el sustrato bacteriano más importante como agente etiológico de las caries. Su metabolización permite la biosíntesis de polisacáridos intracelulares (glicógeno) y extracelulares (dextrano, mutano, fructano), pero principalmente es usada como fuente energética para la bacteria, mediante la fermentación láctica. La molécula de sacarosa intracelular se encuentra tanto fosforilada como no fosforilada, esto es, como sacarosa-6-P y sacarosa. El catabolismo de estas dos formas es el siguiente:

• SACAROSA -> GLUCOSA + FRUCTOSA -> glicólisis

*Invertasa

• SACAROSA-6-P -> GLUCOSA-6-P + FRUCTOSA -> glicólisis

*Sacarosa-6-P hidrolasa

Glucosa, glucosa-6-P y fructosa son degradadas en la ruta glicolítica (fermentación láctica, en condiciones anaeróbicas), considerando las siguientes transformaciones previas:

• GLUCOSA + ATP -> GLUCOSA-6-P + ADP

– Hexoquinasa

• GLUCOSA-6-P -> FRUCTOSA-6-P -> FRUCTOSA- 1,6-bisP

* Isomerasa * Fosfofructoquinasa

• FRUCTOSA + ATP -> FRUCTOSA-6-P -> FRUCTOSA-1,6-bisP

– Hexoquinasa – Fosfofructoquinasa

En aquellas situaciones en que la alta concentración intracelular de sacarosa y/o glucosa lleva a un peligroso incremento de fructosa-1,6-bisfosfato y otros intermediarios glicolíticos, la bacteria debe resolver con rapidez el destino del exceso de carbohidratos e intermediarios metabólicos, ya que estos son tóxicos a altas concentraciones intracelulares. La fermentación láctica permite eliminar el exceso de intermediarios glicolíticos en la forma de lactato. Además, la ruta de la biosíntesis intracelular de polisacáridos de reserva (glicógeno) se activa, permitiendo que los niveles de glucosa y otros intermediarios disminuyan.

Glicólisis y Fermentación Láctica

La glicólisis permite la degradación enzimática de la glucosa, con una producción neta de 2 moléculas de piruvato, dos moléculas del cofactor reducido NADH y 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa catabolizada (ver Fig. 3.6.). En condiciones aeróbicas (alta presión parcial de O2), las moléculas de piruvato son degradadas completamente hasta CO2 y agua, con la producción extra de ATP por fosforilación oxidativa. En condiciones anaeróbicas (baja presión parcial de O2), las moléculas de piruvato son degradadas por enzimas específicas en un proceso denominado fermentación. El hábitat de las bacterias de la placa bacteriana dental es esencialmente anaeróbico, de modo que el piruvato glicolítico es metabolizado por acción de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH) que cataliza la transformación de piruvato en lactato, en una reacción que permite, además, la reoxidación de las moléculas de NADH producidas durante la glicólisis, de acuerdo a la siguiente reacción:

PIRUVATO + NADH + H -> LACTATO + NAD+

LDH

En consecuencia, la degradación anaeróbica de una molécula de glucosa dará origen a 2 moléculas de ATP y 2 moléculas de lactato. El proceso metabólico que involucra la degradación anaeróbica de la glucosa para dar ácido láctico se denomina fermentación láctica. Así, la fermentación es un proceso catabólico anaeróbico que le permite a ciertos microorganismos (bacterias, hongos, protozoos) crecer en ausencia de oxígeno. La gran mayoría de los microorganismos no poseen la capacidad de metabolizar las moléculas de lactato, por lo que lactato es excretado al medioambiente. Streptococcus mutans es el principal microorganismo que lleva a cabo el proceso metabólico de fermentación láctica y excreción de lactato en la placa bacteriana. El proceso de fermentación bacteriana de carbohidratos, particularmente de la glucosa, no sólo produce ácido láctico como producto, sino que dependerá del tipo de microorganismo en cuestión.