Metabolismo y genética bacteriana

Tema 3

Diversidad metabólica de microorganismos

Fuente de energía (Quimio- Foto- )

Fuente de carbono (Auto- Hetero- ) Compuestos orgánicos Heterótrofos

CO2 Autótrofos

Brock Microbiología de los Microorganismos. 12ª ed.

Fuente de e-

(Órgano- Lito- )

Oxidación de

Tipos de nutrientes:

- Macronutrientes: C, H, O, N

P, S, K, Na, Ca, Mg, Fe

- Micronutrientes o elementos traza: (Co, Cu, Mn, Mo, Zn)

- Factores de crecimiento: vitaminas, aa, purinas, pirimidinas

Nutrición procariota

Adquisición de nutrientes: Sistemas de transporte

Lactosa, Na+, K+, HPO4

2-, HSO4-

Glucosa, manosa, fructosa

Azúcares, a.a., HPO4

2-, HSO4-

BASES DEL CATABOLISMO Quimioorganoheterotrofos

Fosforilación a nivel de sustrato

Fermentación: Glucólisis y otras fermentaciones

Fosforilación oxidativa

Respiración aerobia– Ciclo del ácido cítrico– Sistemas de membrana transportadores de e- – Fuerza motriz de protones

CATABOLISMO

GLUCOLISIS

Tipo Productos finales Bacterias

Homoláctica Ácido lácticoStreptococcus

Lactobacillus (algunos)

HeterolácticaÁcido láctico,etanol, CO2

Leuconostoc, Lactobacillus (algunos)

Ácido mixta

Ácidos láctico, acético, fórmico, succínico,

2-3 butanodiol,H2, CO2

Enterobacterias (algunas)

PropiónicaÁcidos propiónico y acético,

CO2 y H2OPropionibacterium,

Clostridium propionicum

FermentacionesCATABOLISMO

FermentacionesCATABOLISMO

Producción de ácidos y/o alcoholes y/o gases:

- Valor diagnóstico

- Valor industrial

- Implicaciones patológicas (caries)

RESPIRACIÓN

AEROBIA

CATABOLISMO

CICLO DE KREBS

RESPIRACIÓN

AEROBIA

CATABOLISMO

FUERZA

MOTRIZ

DE

H+

TRANSPORTE

DE

e-

• Transporte de electrones en procariotas se realiza en la m. citoplasma (en la mitocondria en eucariotas).

• El NADH es la fuente de los e- , que fluyen desde transportadores que tienen potencial de reducción más negativo a otros con un potencial más positivo, y finalmente se combinan con el O2 y H+ para formar agua.

• La cadena de transporte de e- fragmenta en pequeños pasos la liberación de la gran cantidad de energía Resultando en la expulsión de H+ (espacio periplásmico en procariotas):

- Gradiente de concentración de H+ (energía potencial química)

citoplasma más alcalino, (quedan OH-) que espacio periplásmoco.

- Gradiente de carga eléctrica (energía potencial eléctrica)

citoplasma más negativo que espacio periplásmoco.

FUERZA

MOTRIZ

DE

H+

Fosforilación oxidativa

Foto-Fosforilación

RESPIRACIÓN

AEROBIA

CATABOLISMOATPasa

RotorC12

Eje ε - ϒ

Estator a – b2 - δ

http://2.bp.blogspot.com/_xNwYRlNYED0/Swryxd-A7TI/AAAAAAAAAA8/WvdEX9_eCdk/s1600/pp+atpasa.jpg

BIOSÍNTESIS

Crecimiento microbiano

• Crecimiento microbiano incremento del nº de células.

• Multiplican por fisión binaria o bipartición (mayoría)

• El Nº se duplica en cada generación

• TIEMPO DE GENERACIÓN

Fisión binaria o bipartición

CICLO

CELULAR

ReplicaciónSemiconservativa

del DNA

Procariotas

Eucariotas

Orígenes de replicación

MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN EN BACTERIAS

1ª etapa: Desenrrollamiento y apertura de la doble hélice.en el punto ori-c.

2ª etapa: Síntesis de dos nuevas hebras de ADN.

1

1

1

2

2

2

2

2 sentido 5´-3´

sentido 5´-3´

3ª etapa: Corrección de errores* ADN polimerasas I y III que cortan el error* ADN polimerasa III lo corrige* ADN ligasa une los extremos

2

Cultivo monofásico o sistema cerradoCurva de crecimiento

MEDIDA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO

Medida del nº de células MÉTODOS:

Recuento directo cámaras de recuento

Contadores electrónicos contador Coulter o el citómetro de flujo

Filtración en membrana tinción fluorescente (Naranja de acridina)

Recuento de viables: - Siembra por extensión en superficie

- Siembra por dilución en agar

- Filtración en membrana siembra de m. en agar

Medida de la masa celular: - Peso seco microbiano

- Espectrofotometría (turbidez)

Siembra por extensión en superficie

Siembra por dilución en agar

MEDIDA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO

CRECIMIENTO EXPONENCIAL

11224488

161632326464

128128256256512512

1.0281.0282.0562.0564.1124.1128.2248.224

16.44832.89665.792

131.584263.168

526.336

1.052.672

2.105.344

4.210.688

8.421.376

16.842.752

33.685.504

67.371.008

134.742.016

269.484.032

538.968.064

1.077.936.128

2.155.872.256

4.311.744.512

8.623.489.024

1 hora1 hora

3 horas3 horas

2 horas2 horas

4 horas4 horas

5 horas5 horas

6 horas6 horas

7 horas7 horas

8 horas8 horas

9 horas9 horas

10 horas10 horas

11 horas11 horas ……

9,04238 E+159.042 BILLONES

18 HORAS

Tiempo de generación bacteriana: ejemplo de 20 minutosTiempo de generación bacteriana: ejemplo de 20 minutos

Nº bacteriasNº bacterias Nº bacteriasNº bacterias

Factores que influyen en el crecimiento bacteriano

Temperatura

Máxima, mínima, óptima

Psicrófilas

MesófilasTermófilasHipertermófilas

pHMáximo, mínimo, óptimo

Acidófilas, Basófilas

Oxígeno

AerobiasMicroaerofílicas Anaerobias facultativas Anerobios aerotolerntes Anaerobias estrictas

Clasificación de los procariotas en relación con el oxígenoGrupo

BacterianoRelación con

el oxígenoTipo de

MetabolismoEjemplo

Aerobios:Aerobios:

Obligados

Microaerófilos

Necesario

Necesario a [↓]

Respiración aerobia

Respiración aerobia

Neisseria

Campylobacter

Aerobios- Aerobios- Anaerobios Anaerobios

Facultativos:Facultativos:

No necesario, con O2 mejor

Fermentación o Resp. aerobia o

Resp. AnaerobiaE. coli

AnaerobiosAnaerobios::

Obligados

Aerotolerantes

Dañino o letal

No necesario

Fermentación o Resp. Anaerobia

Fermentación

Methanobacterium formicicum [A.]

Streptococcus pyogenes

Clasificación de los procariotas en relación con el oxígeno

a.- Aerobio estrictob.- Anerobio estrictoc.- Aero-/Anero-

Facultativod.- Microaerófilose.- Anerobios

aerotolerantes

http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/crescimento/aeracao.jpg

Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno

Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno

Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno

Prueba de la CATALASA

Genética Bacteriana

Mutaciones Bacterianas

• Mutación: cambio en la secuencia de nucleótidos del genoma de un organismo (estables y heredables)

• Pueden ser:– Espontáneas o – Inducidas

• Baja frecuencia* (Mutaciones espontáneas) Mutación en un gen 10-6 – 10-7 por generación

• Presión selectiva las favorecen

Tipos de Mutaciones Bacterianas

Tipos de Mutaciones Bacterianas

Efectos de las Mutaciones

1) Mutaciones silenciosas (o neutras) no hay efecto fenotípico.

2) Mutaciones que alteran el fenotipo salvaje:

A) Letales: muerte o pérdida de viabilidad del microorganismo

B) Condicionalmente letales: bajo determinadas condiciones.

C) De alteración fenotípica: pérdida o la merma de alguna función no

esencial para la viabilidad del organismo.

Efectos de las Mutaciones

Tipos de modificaciones en las mutaciones no letales:

- Alteraciones morfológicas: - cápsula

- pared

- fimbrias, flagelos…

- Alt. Bioquímicas: Mut. auxotróficas (NO síntesis de metabolito esencial)

- Alt. de virulencia (cápsula, adhesinas, LPS…)

- Alteraciones de Sensibilidad: - Antibióticos

- Bacteriófagos

- Bacteriocinas

Agentes Mutagénicoshttp://3.bp.blogspot.com/_1zWhg0gVkuI/Sxc7yfqkG9I/AAAAAAAABOA/dPl2awjAMvo/s000/Agentes+mutag%C3%A9nicos.png

Transferencia Genética en BacteriasMecanismos de transferencia genética:

1. Transformación

2. Transducción

3. Conjugación

• Generación de variabilidad genética …• La transferencia genética puede ocurrir:

- Intraespecies - Interespecies

• Unidireccional Donante a receptor

Transformación

– Unión a prot. específicas– Recombinación

• Pasos– Unión a superficie– Penetración del DNA

• Significado biológico:- Antígenos capsulares- Ag superficie

evasión R.I.

• Transferencia de genes por incorporación de ADN exógeno.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Experimento_de_griffith.jpg

Transducción

• Transferencia de genes bacterianos a través de un bacteriófago (fago)

• Tipos de transducción T. especializada T. generalizada

• Importancia– Común en bacterias Gram +– Conversión lisogénica

Unión “Irreversible”- Placa base u otras estructuras

Adsorción (reversible)– Fibras de cola u otra estructura– Receptores Bacterianos Específicos:

Proteínas, LPS( T4), Pili, Lipoproteínas

Inyección acido nucleico

Contracción de la vaina (cola)

Infección de Célula Huésped por Fagos

Ciclo Lítico de Multiplicación del Fago

• Fase de Multiplicación (o Eclipse)• Genes tempranos• Síntesis ADN del fago• Genes tardíos

• Fase de Maduración y ensamblaje

• Fase de Adsorción inyección ADN

• Fase de Lisis de Liberación

Ciclo Lisogénico de Multiplicación del Fago• Adsorción inyección ADN • Integración

– Profago– Represor - Inmunidad

• Replicación simultánea

Corynebacterium diphtheriae

Bacteria lisogénicaFago atemperado

INDUCCIÓNINDUCCIÓN

Transducción Generalizada

• Replicación del fago y degradación del ADN huésped• Ensamblaje partículas virales. Alguna con trozo de donante

• Infección del receptor por un virus con trozo de donante• Recombinación

• Infección del donante

• Liberación del fago

Transducción Especializada-Fago lisogénico

• Liberación de fagos

• Indución del profago ciclo lítico• Activación y ensamblaje de fagos. Alguno con ADN bacteriano

• Infección por fago con ADN de bacteria donante• Recombinación

• Bacteria lisogénica con Fago atemperado

INDUCCIÓN

Transducción

– Generalizada: “cualquier gen” del donante tiene la misma probabilidad de ser transferido.

Ocurre durante el ciclo lítico de fagos virulentos y atemperados

– Especializada: “ciertos genes” tienen mayor probabilidad de ser transferidos.

Realizada durante la inducción de ciertos Fagos atemperados, que incorporan ciertos genes bacterianos.

Observadas en: - Enterobacterias, Pseudomonas

- Estafilococos y Bacillus

Conjugación

• Transferencia genética entre dos bacterias que requiere contacto celular

• Codificado por un PLÁSMIDO

• Bacterias que intervienen:

– Donante F+

Donor

Recipient– Receptora F-

Plásmidos

• Elemento genético extracromosómico pequeño, capaz de replicación autónoma (replicón)

• Son moléculas bicatenarias de ADN *• Nº de copias (1 en grandes y hasta >100 en pequeños)

• Tipos de plásmidos:– Conjugativos– No conjugativos

Estados fisiológicos del factor F Conjugación

Autónomo F+ Integrado Hfr

Autónomo con genes cromosómicos F´

Mecanismos de conjugación

Cruces F+ F-

- Puente de conjugación

- Transferencia de ADN:– Origen de

transferencia– Replicación

cadenas ADN– Separación

- Bajo nivel de transferencia de genes cromosómicos

Mecanismos de conjugación

Cruces Hrf F-

- Puente de conjugación

- Transferencia ADN

- Recombinación

- Alto nivel de transferencia de genes cromosómicos

Importancia:

Mecanismos de conjugaciónCruces F´ F-

Importancia en G- :•Transferencia de resistencia múltiple a los AB HORIZONTAL

- Puente de conjugación

- Transferencia de ADN:– Origen de

transferencia– Replicación

cadenas ADN– Separación

Conjugación• IMPORTANCIA: Diseminación rápida Horizontal

Bacterias Gram -

• Resistencia antibióticos

• Factores de virulencia (Toxinas, invasinas…)

Bacterias Gram +

• Resistencia antibióticos

• factores de virulencia (adherencia, cápsula, toxinas…)

Elementos Genéticos Transponibles

• Segmentos móviles de ADN capaces de mudarse de una localización a otra (del genoma u otros ADN)

• Propiedades– Movimiento al “azar” (Hay sitios preferentes)– No poseen autorreplicación– Recombinación no homóloga, ilegítima o sitio-específica:

• No requiere homología entre moléculas recombinantes• Mediada por Transposasa (codificada por transposón)

− Mecanismos: Conservativo y Replicativo• Tipos:

1. Secuencias de Inserción2. Transposones

Tipos de Elementos Transponibles1. Secuencias de Inserción (IS)

– Sólo portan los genes de transposición– Denominación - IS1, IS2…– Tamaño: ± 1.000 pb– Estructura

Gen transposasa

– Importancia:• Mutaciones inactivación del gen donde se inserte• Lugar de Inserción de plásmidos en el cromosoma• Expresión de genes flagelares de Salmonella (V. de fase)• Útiles en estudios de epidemiología molecular

TransposasaABCDEFG GFEDCBA

Repeticiones invertidas de 15-25 pb

Tipos de Elementos Transponibles

2. Transposones (Tn)– Elementos que portan otros genes además de

los de transposición– Denominación - Tn1, Tn2…– Estructura

• Tn complejos

– Importancia• Genes de Resistencia a muchos Antibióticos

• Salto a plásmidos plásmidos con “multirresistencias”

Mecanismos de intercambio genético

Transfomación Transducción Conjugación

Requiere:- ADN libre y - estado de competencia

Transferencia de uno a pocos genes

Mediado por bacteriófagosbacteriófagos

Generalalizada (transferencia de cualquier gen)Especializada (transferencia de genes concretos)

Mediado por contacto celular

Transferencia de:- plásmidos- plásmidos e - incluso de genes cromosómicos

DONADORA RECEPTORA

Elementos genéticos móviles

Secuencias de inserción Transposones

Tamaño no superior a 1000 pb, por lo general

Transposasa

Útiles en estudios de epidemiología molecular de enfermedades infecciosas y en estudio de mutaciones

Tamaño de varios genesSecuencias idénticas e invertidas en los extremos (secuencias de inserción)

Transposasa + otros genes (a veces de resistencia a antibióticos)

Resistencia AB