fisiologia y metabolismo microbiano - elio espinoza farfan
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Fisiología de los organismos patogenosTRANSCRIPT
UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO
VILLARREAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICA
ESCUELA PROFESIONAL DE BIOLOGÍA
ASIGNATURA: Microbiología I
DOCENTES: Gisela Yupanqui Siccha
Marianella Ayala
PRESENTADO POR: Espinoza Farfan Elio
Cada organismo debe encontrar
en su ambiente todas las
sustancias requeridas para la
generación de energía y la
biosíntesis celular. Los
elementos o sustancias químicas
de este ambiente que son
utilizados para el crecimiento de
las bacterias son denominados
nutrientes o requerimientos
nutricionales. En el laboratorio,
las bacterias crecen en medios de
cultivo que son diseñados para
proveer todos lo nutrientes
esenciales en solución para el
crecimiento bacteriano.
•Una característica clave de un sistema vivo es la
capacidad de dirigir las reacciones químicas y organizar las
moléculas en estructuras específicas: crecimiento.
•Las células microbianas están constituidas de sustancias
químicas de una amplia diversidad de tipos y, cuando una
célula crece, todos sus constituyentes químicos aumentan
en cantidad apropiada.
•Los elementos químicos básicos de una célula, viene del
exterior, pero estos elementos químicos son transformados
por la propia célula en los constituyentes característicos.
Dependiendo de la fuente de energía que utilicen, se
agrupan a los microorganismos en clases metabólicas.
La terminación “trofo” deriva del griego y significa
alimentarse.
Los microorganismos pueden ser agrupados en clases
nutricionales de acuerdo a cómo satisfacen sus
requerimientos de: energía, H+ / e- y carbono.
Existen sólo dos fuentes de energía disponible para los
microorganismos y también dos fuentes de átomos de H+ /
e-
A pesar de la gran diversidad metabólica mostrada por los microorganismos, la mayoría de ellos pueden ser considerados en uno de los cuatro tipos nutricionales de acuerdo a su fuente primaria de obtención de energía, fuente de carbón y de e- / H+.
•Carbono •Nitrógeno •Oxígeno •Azufre •Factores de Crecimiento •Iones Inorgánicos: K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Na+, PO4
3-, Fe2+, Fe3+ y trazas de Cu2+, Co2+ y Zn2+. Los nutrientes pueden ser divididos en dos clases: •Macronutrientes.- Requeridos en grandes cantidades •Micronutrientes.- Requeridos en pequeñas cantidades
La disponibilidad de agua depende de dos factores: •Factores de absorción.- La cantidad de agua disponible a los microorganismos puede ser reducida por adsorción a la superficie de sólidos (efecto mátrico).
•Factores de solución.- Por interacción con moléculas de soluto (efecto osmótico)
Fuente de energía
Fuente de carbono
Fototrofos Luz
Quimiotrofos Química
Autotrófos CO2
Heterótrofos Compuestos orgánicos
Fotoautotrofos Luz CO2
Fotoheterótrofos Luz Compuestos orgánicos
Quimioautótrofos Química CO2
Quimioheterótrofos Química Compuestos orgánicos
•Una característica clave de un sistema vivo es la
capacidad de dirigir las reacciones químicas y organizar las
moléculas en estructuras específicas para su crecimiento.
•Las células microbianas están constituidas de sustancias
químicas de una amplia diversidad de tipos y, cuando una
célula crece, todos sus constituyentes químicos aumentan
en cantidad apropiada.
•Los elementos químicos básicos de una célula, viene del
exterior, pero estos elementos químicos son transformados
por la propia célula en los constituyentes característicos.
La energía química: liberada cuando un compuesto orgánico
o inorgánico es oxidado.
La utilización de energía química en los organismos vivos
está implicada con las reacciones REDOX.
•Oxidación: eliminación de electrones de una sustancia.
•Reducción: adición de electrones a una sustancia.
El ATP "atrapa" una parte de la energía libre que queda
disponible en las reacciones catabólicas e impulsar
reacciones biosintéticas al activar ciertos metabolitos
intermediarios de la biosíntesis.
El metabolismo se refiere a la suma de
reacciones bioquimicas requeridas para la
generacion de energia y el uso de la
energia para sintetizar material celular a
partir de moleculas del medio ambiente.
El metabolismo se divide en:
Catabolismo. Reacciones de generacion
de energia.
Anabolismo. Reacciones de sintesis que
requieren de energia.
Las reacciones catabolicas producen
energia como ATP, el cual es utilizado en las
reacciones anabolicas para sintetizar el
material celular a partir de nutrientes.
Energía para el
movimiento,
transporte de
nutrientes,etc
Catabolismo
Productos de desecho
Componentes
celulares
Nutrientes
Anabolismo
ENERGÍA
para el
desarrollo
FUENTE DE ENERGÍA
TRANSPORTADORES DE ENERGÍA
A los productos metabólicos generados durante el catabolismo y el anabolismo que tiene lugar durante el crecimiento (trofofase) “metabolitos primarios” y su producción es paralela al crecimiento celular. Los productos metabólicos que se acumulan cuando no hay crecimiento sino diferenciación celular (idiofase), “metabolitos secundarios”.
El metabolismo bacteriano puede dividirse en 3 etapas:
METABOLISMO MICROBIANO
1. Moléculas complejas son
hidrolizadas a sus constituyentes.
2. Moléculas obtenidas son
degradadas a moléculas más
simples
Acetil CoA, piruvato e intermediarios del ciclo del ácido
tricarboxílico. Aerobia o anaerobiamente y se produce
ATP, NADH y/o FADH2.
3.Ciclo del ácido tricarboxílico:
Moléculas son
oxidadas a CO2
con la producción
de ATP, NADH y
FADH2.
Aerobiamente y
produce mucha
energía, mucho del
ATP generado es
derivado de la
oxidación de NADH
y FADH2.
La energía es liberada
como resultado de
reacciones de oxido-
reducción en el
catabolismo y luego es
almacenada y transportada
en la forma más común
compuestos de alta
energía que
intervienen en la
conversión de energía
en trabajo útil. El
compuesto de fosfato
de alta energía:
adenosíntrifosfato
(ATP).
La via de la glucolisis
(Embden-Meyerhof- Parnas
EMP), se encuentra en todos
los eucariotes y en muchas
especies de bacterias.
En la primera etapa hay gasto
de 2 moleculas de ATP por
molecula de glucosa.
En la segunda parte se forman
4 moleculas de ATP por
fosforilacion a nivel de sustrato
y 2 de NADH.
GLUCOLISIS
Importancia:
Produce los precursores
de la ribosa,
desoxirribosa en los
acidos nucleicos y provee
de eritrosa fosfato como
precursor de aminoacidos
aromaticos.
Se produce en esta via,
NADPH, la mayor fuente
de electrones de la
biosintesis y varias de
sus reacciones las
comparte con el ciclo de
Calvin.
CICLO DE LAS PENTOSAS FOSFATO
VIA ENTNER-DOUDOROFF
Muchos tipos de bacterias no
poseen la enzima
FOSFOFRUCTOCINASA-1 y no
pueden convertir la GLUCOSA-
6P a FRUCTOSA 1,6-
BIFOSFATO.
Una via alterna es Entner-
Duodoroff, en la cual la
GLUCOSA 6P es convertida a
piruvato y GLICERALDEHIDO-3-
FOSFATO por la deshidratacion
poco usual del
6-FOSFOGLUCONATO para
formar
2-CETO-3-DESOXI-6-
FOSFOGLUCONATO (KDPG).
Los lipidos biologicos constituyen un
grupo quimicamente diversos de
compuestos,
cuya caracteristica comun y definitoria
es su insolubilidad en agua. La mayor
parte de
estos lipidos de los microorganismos
deben formar parte de estructuras
moleculares
mas complejas de la pared celular o
de la membrana protoplasmatica.
En E.coli los lipidos totales contienen
del 10 al 15% del carbono total de la
celula y una
proporcion semejante del peso seco.
Se encuentran repartidos entre la
pared celular y
la membrana protoplasmatica.
Numerosos microorganismos del suelo y de
alimentos producen lipasas, capaces de
hidrolizar los gliceridos dando glicerol y acidos
grasos, asi como fosfolipasas.
El catabolismo posterior de los acidos grasos se
lleva a cabo por una serie de boxidaciones,
pero en el suelo esta degradacion es lenta y limitada.
Muchas levaduras de la filosfera degradan las ceras
de la epidermis vegetal, tambien mohos tales como
Penicillium y Mucorales, y algunas bacterias.
Hidrolisis de Triacilgliceroles.
La oxidacion de los acidos grasos de cadena larga a acetil-CoA es la via
central de aporte de energia en los animales, muchos protistas y algunas
bacterias.
Los electrones removidos durante la oxidacion de los acidos grasos es
donada a la cadena respiratoria en la mitocondria para generar ATP y el
acetil-CoA producido a partir de los acidos grasos es completamente
oxidado a CO2 via el ciclo del acido citrico
La biosíntesis de aminoácidos consiste en
crear nuevos aminoácidos a partir de otros
intermediarios metabólicos. Todos los
aminoácidos pueden ser sintetizados, como en
el caso de plantas leguminosas y la bacteria E.
coli, pero la mayoría de los organismos no
pueden sintetizar todos los aminoácidos.
La prolina es otro aminoácido no esencial que
puede ser sintetizado a partir de α-
cetoglutarato, por medio de las reacciones
Involucrada en la producción metabólica de energía, derivada de la vitamina niacina, NAD (Nicotinamide Adenine Dinucleotide). Formas del NAD:
•Oxidada: NAD. •Reducida: NADH, NADH2 or NADH + H+.
COENZYME A
Involucrada en reacciones de producción de energía en algunos organismos fermentadores y en todos los organismos respiradores. La reacción ocurre en asociación con la oxidación de cetoácidos tales como el ácido pirúvico y ácido alfacetoglutárico. Estos substratos son centrales en la glicólisis y en el ciclo tricarboxilico y son precursores directos o indirectos de macromoléculas esenciales en la célula. La oxidación de piruvato y alfacetoglutarato involucra coenzima A, NAD, reacción de deshidrogenación y decarboxilación.
ATP
Bacterium Embden-Meyerhof Phosphoketolase
(heterolactic) Entner-Doudoroff
Acetobacter aceti - + -
Agrobacterium
tumefaciens - - +
Azotobacter
vinelandii - - +
Bacillus subtilis Mayor Menor -
Escherichia coli + - -
Lactobacillus
acidophilus + - -
Leuconostoc
mesenteroides - + -
Pseudomonas
aeruginosa - - +
Vibrio cholerae Menor - Mayor
Zymomonas
mobilis - - +
Ruta Enzima clave Etanol Ácido
láctico CO2 ATP
Embden-
Meyerhof Saccharomyces
fructose 1,6-diP
aldolase 2 0 2 2
Embden-
Meyerhof Lactobacillus
fructose 1,6-diP
aldolase 0 2 0 2
Heterolactic Streptococcus
phosphoketolase 1 1 1 1
Entner-Doudoroff Zymomonas
KDPG aldolase 2 0 2 1
Aceptor final de e-
Producto final
reducido Proceso Microorganismo
O2 H2O Respiración aeróbica Escherichia Streptomyces
NO3 NO2, N2O or N2 Respiración anaeróbica:
denitrificación Bacillus Pseudomonas
SO4 S or H2S Respiración anaeróbica:
sulfato reducción Desulfovibrio
Fumarato Succinato Respiración anaeróbica: Utilizando un aceptor de e-
orgánico Escherichia
CO2 CH4 Metanogenesis Methanococcus
Grupo fisiológico Origen
energético Producto final
oxidado Microorganismo
Bacteria hidrógena H2 H2O Alcaligenes,
Pseudomonas
Metanógena H2 H2O Methanobacterium
Bacteria Carbóxida CO CO2 Rhodospirillum,
Azotobacter
Bacteria nitrificante NH3 NO2 Nitrosomonas
Bacteria nitrificante NO2 NO3 Nitrobacter
Oxidadora de
sulfuros H2S or S SO4 Thiobacillus, Sulfolobus
Bacteria ferrica Fe ++(Ferroso)
Fe+++(Ferrico) Gallionella, Thiobacillus
Dependiendo de la fuente de energía que utilicen, se
agrupan a los microorganismos en clases metabólicas.
La terminación “trofo” deriva del griego y significa
alimentarse.
Los microorganismos pueden ser agrupados en clases
nutricionales de acuerdo a cómo satisfacen sus
requerimientos de: energía, H+ / e- y carbono.
Existen sólo dos fuentes de energía disponible para los
microorganismos y también dos fuentes de átomos de H+ /
e-
A pesar de la gran diversidad metabólica mostrada por los microorganismos, la mayoría de ellos pueden ser considerados en uno de los cuatro tipos nutricionales de acuerdo a su fuente primaria de obtención de energía, fuente de carbón y de e- / H+.
Un microorganismo puede pertenecer a uno de los cuatro grupos metabólicos, sin embargo, se observa en algunas una flexibilidad metabólica, como respuesta a cambios medioambientales marcados.
Ejemplo: Muchas bacterias púrpuras no sulfúreas actúan como fotolitótrofas heterótrofas en ausencia de O2, pero oxidan compuestos orgánicos como quimiótrofos en niveles normales de oxígeno: son las bacterias MIXOTRÓFICAS (Combinación de metabolismo autótrofo y heterótrofo).
•Carbono •Nitrógeno •Oxígeno •Azufre •Factores de Crecimiento •Iones Inorgánicos: K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Na+, PO4
3-, Fe2+, Fe3+ y trazas de Cu2+, Co2+ y Zn2+. Los nutrientes pueden ser divididos en dos clases: •Macronutrientes.- Requeridos en grandes cantidades •Micronutrientes.- Requeridos en pequeñas cantidades
agua
micronutrientes
factores de crecimiento
fuente de energía
macronutrientes
temperatura
aireación
actividad de agua
pH
potencial redox
luz
La encargada de la absorción selectiva de nutrientes es la membrana
citoplasmática ya que la pared es porosa e impide solo el paso de elementos de
gran tamaño insolubles o particulados.
A través de la membrana no sólo ingresan sustancias sino que muchas son
eliminadas a través de ellas, tanto en procesos activos como pasivos.
Transporte a través de la membrana plasmática
La absorción de nutrientes se realiza a través de la membrana plasmática
mediante los siguientes mecanismos de transporte:
‰ Difusión pasiva: se produce por diferencia de concentraciones de los
nutrientes entre el interior celular y el medio ambiente (glicerol, agua, O2, CO2)
Difusión facilitada: participan aquí ciertas proteínas de la membrana
denominadas permeasas que permiten el paso de moléculas desde el exterior
al interior celular (aminoácidos, azúcares).
Ciertas moléculas de gran tamaño
deben ser previamente digeridas
mediante enzimas que libera la
bacteria (exoenzimas) para que
recién puedan ser absorbidas las
moléculas más pequeñas. Se
mencionan ejemplos de moléculas de
gran tamaño y las exoenzimas que
las digieren: Almidón - amilasas,
Proteínas - proteasas, ADN -
Desoxirribonucleasas, Gelatina -
gelatinasas, Lípidos - lipasas y
fosfolipasas.
No todas las especies bacterianas
son capaces de producir todas las
exoenzimas, por lo que el estudio de
la producción de algunas de ellas es
útil en la identificación de los géneros
y espe- cies.
En función de los requerimientos de O2 y CO2, las
bacterias pueden clasificarse en:
‰ Bacterias aerobios estrictas: necesitan una
concentración de alrededor del 21% de oxígeno para poder
desarrollar. (Pseudomonas, Mycobacterium,
Corynebacterium)
Bacterias microaerófilas: sólo necesitan alrededor de
un 5% de oxígeno para desarrollar. Mayores
concentraciones inhiben su desarrollo. (Campylobacter,
Helicobacter)
‰ Bacterias anaerobios obligadas o estrictas: son
incapaces de sobrevivir en presencia de oxígeno, es decir
requieren un 0% de oxígeno (Fusobacterium, Clostridium)
Bacterias anaerobias aerotolerantes:
pueden sobrevivir, aunque no crecer, en
presencia de hasta un 0,5% de oxígeno.
(Actinomyces, Propionibacterium)
‰ Bacterias anaerobias facultativas:
son capaces de crecer en una atmósfera
tanto con o sin oxígeno. (Streptococcus,
Staphylococcus, Enterobacteriaceae)
Bacterias capnófilas: son bacterias
aerobias que necesitan además para
crecer un 5-10% de CO2. (Neisseria,
Haemophilus)
La concentración de iones hidrógeno en el medio condiciona el crecimiento
de las bacterias. En función de su capacidad para desarrollar a diferentes pH,
las bacterias pueden clasificarse en:
•‰ Neutrófilas: entre 5,5 - 8,0 (Staphylococcus, enterobacterias)
•‰ Acidófilas: entre 0,0 - 5,5 (Lactobacillus)
•‰ Alcalófilas: entre 8,0 - 11,5 (Vibrio)
El conocimiento del pH óptimo para el desarrollo de las bacterias permite
conocer los equilibrios y cambios posibles dentro de los diferentes
ecosistemas bacterianos existentes en el organis- mo, ya que existen
bacterias que se aseguran un ambiente ácido para impedir el desarrollo de
bacterias neutrófilas y alcalófilas.
Uno de los sistemas más importantes para la identificación de microorganismos
es observar su crecimiento en sustancias alimenticias artificiales preparadas en
el laboratorio. El material alimenticio en el que crecen los microorganismos es
el Medio de Cultivo y el crecimiento de los microorganismos es el Cultivo. Se
han preparado más de 10.000 medios de cultivo diferentes.
Para que las bacterias crezcan adecuadamente en un medio de cultivo artificial
debe reunir una serie de condiciones como son: temperatura, grado de
humedad y presión de oxígeno adecuadas, así como un grado correcto de
acidez o alcalinidad. Un medio de cultivo debe contener los nutrientes y
factores de crecimiento necesarios y debe estar exento de todo
microorganismo contaminante.
La mayoría de las bacterias patógenas requieren nutrientes complejos similares
en composición a los líquidos orgánicos del cuerpo humano. Por eso, la base
de muchos medios de cultivo es una infusión de extractos de carne y Peptona a
la que se añadirán otros ingredientes.
