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metabolismo microbiano
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Metabolismo Microbiano
Ana C. Colarossi
[email protected] Universidad Peruana Cayetano Heredia
Dpto de Ciencias Celulares y Moleculares
Sección Bioquímica Biología Molecular y Farmacología
Objetivos
• Describir los procesos de producción de
energía en microorganismos
• Comparar el rendimiento energético de los
procesos fermentativo y respiratorio
• Importancia de estos procesos en el
aislamiento y la patogenicidad de los
microorganismos
Aspectos Generales del
Metabolismo
MSc. Ana Colarossi Dpto.de Ciencias Celulares y Moleculares
Sección Bioquímica, Biología Molecular y
Farmacología
¿Que es el Metabolismo?
• Transformaciones químicas que se realizan en
una célula u organismo
• Metabolismo celular: Transformaciones
químicas que se realizan mediante una serie de
reacciones que son catalizadas por enzimas de
una vía metabólica.
Función:
o Obtención de energía
o Obtención de precursores para generar
macromoléculas.
Las células necesitan energía para realizar
trabajo. La energía que necesita un organismo heterótrofo proviene
esencialmente de los nutrientes, particularmente de aquellos
que proveen calorías (conocidos también como combustibles
metabólicos), los cuales son:
Carbohidratos,
Lípidos y
Proteínas.
La energía que poseen estos nutrientes se encuentra
almacenada en forma química.
La molécula de ATP
Los seres vivos utilizan la molécula de ATP como
medio principal para almacenar energía potencial
proveniente de la degradación de los alimentos
La manera de utilizarse la energía en la molécula de ATP es
mediante la separación de un grupo fosfato el cual está unido
mediante un enlace covalente de alta energía
Metabolismo celular
Catabolismo: Degradación
Libera energía
Principalmente oxidaciones
Anabolismo: Síntesis
Requiere energía
principalmente reducciones
A B C
D
F
G
I F
ATP
a b
c
d
a'
g
A
H
h
E
e
Degradación
Síntesis
Lehninger. Principles of Biochemistry.
A
↓
B
↓
C
↓
D
↓
E
Las vías metabólicas forman una red compleja que
debe ser finamente regulada
→ F → G
H ←
Lehninger. Principles of Biochemistry.
Acetil CoA
Catabolismo: Convergente
Anabolismo: Divergente
Instrumentos para la regulación metabólica:
Rutas anabólicas y catabólicas son diferentes
Pasos enzimáticos diferentes Compartamentalización
Instrumentos para la regulación metabólica
Mecanismos alostéricos
Instrumentos para la regulación metabólica Enzimas constitutivas, enzimas inducibles Tasa de síntesis y degradación de enzimas
• Instrumentos para la regulación metabólica
•Modificación covalente de enzimas
(acción de hormonas en organismos pluricelulares)
Vías generadoras de Energía
Ana C. Colarossi
[email protected] Universidad Peruana Cayetano Heredia
Dpto de Ciencias Celulares y Moleculares
Sección Bioquímica Biología Molecular y Farmacología
Las bacterias varian ampliamente en la forma que producen la
energía y en los materiales que necesitan para crecer.
Se clasifican en:
1.Autótrofos : No requieren compuestos orgánicos,pueden
sintetizar todos sus componentes a partir de CO2 y nitrógeno
inorgánico en presencia de elementos traza.
2. Heterótrofos: Degradan compuestos orgánicos.
Muchas cepas son autotróficos facultativos (autotróficos o
heterotróficos dependiendo de las condiciones del medio)
Metabolismo bacteriano
Las bacterias heterotróficas pueden dividirse en:
• Heterotróficas aeróbicas: Emplean el oxígeno molecular para
oxidar las moléculas orgánicas que emplean como nutrientes.
• Heterótroficas anaeróbicas:
Anaeróbias estrictas: Viven en ausencia de oxígeno
Anaerobias facultativas: Pueden vivir en presencia o ausencia
de oxígeno
Catabolismo: Generación de la Energía
Aeróbico: O2 es el aceptor final de los electrones. (Respiración
celular)
Anaeróbico:
•- Fermentación: El aceptor final de los electrones es un
compuesto orgánico
•- Respiración Anaeróbica: El aceptor final de los electrones es un
compuesto inorgánico ( no el O2) .Ocurre en bacterias
23
energía energía para
trabajo
degradación
enzimática
sustancias de desecho
ingreso de
nutrientes
a la célula
ATP
ADP + Pi
energía liberada
Catabolismo aeróbico de
carbohidratos, grasas y
proteínas
Catabolismo de Carbohidratos
MSc. Ana Colarossi Dpto. de Ciencias Celulares y Moleculares
Sección Bioquímica, Biología Molecular y
Farmacología
Entrada de azúcares a las células
bacterianas
METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS
En las bacterias se encuentran las tres vías
centrales del metabolismo intermediario de
los hidratos de carbono para generar energía:
• Vía glucolítica o de Embden Meyerhof Parnas
• Vía de las pentosas fosfato o shunt de las
pentosas
• Vía de Entner-Doudoroff.
Vía Glucolítica
La Glucolisis o vía de Embden-Meyerhoff es la
principal vía de degradación de los
carbohidratos.
• Es un proceso por el cual 1 mol de glucosa es
convertida en 2 moles de piruvato, generando 2
moles de ATP.
• Ocurre en el citosol de la célula
• 10 reacciones enzimáticas
Regulación de la glucolisis
Entrada de otros glúcidos a la vía glucolítica
Vía de Entner Doudoroff
• Se encuentra presente en un grupo muy diverso de
microorganismos, en especial microorganismos patógenos para el
hombre.
• Constituye una alternativa a al vía glucolítica en el uso de
carbohidratos
• La función primordial es aportar piruvato a la célula, importante para
los procesos de biosíntesis
• Primera enzima de la vía: gluconato-6-fosfato dehidratasa que
forma 2 ceto-3 deoxi-6 fosfogruconato.
• Luego una aldolasa forma piruvato y gliceraldehido-3- fosfato
Vía de Entner Doudoroff en P.aeruginosa
• Es la ruta central junto con la vía de las pentosa fosfato.
• Esta vía es constitutiva y opera de manera cíclica junto con la vía
de la gluconeogénesis. De manera que el gliceraldehído 3 fosfato
regenera el 6 fosfogluconato.
Vía de Entner Doudoroff en E.coli
• Es inducida por gluconato extracelular
• Opera de manera lineal
• Es inducida por gluconato que es introducido a la célula en simporte
con protones y fosforilado por la enzima gluconato quinasa para
formar gluconato-6 fosfato.
Rol de la vía en E.coli
• El gluconato es una fuente de alimento importante, presente en el
intestino de mamíferos.
• Se considera que esta vía es importante y hace capaz a la bacteria
de colonizar el intestono de mamíferos utilizando como sustratos D-
gluconato, D-glucoronato, D-galacturonato entre otros presentes en
la mucosa intestinal.
• Las enzimas son inducidas rápidamente cuando hay limitaciones de
nitrógeno
Via de las pentosas fosfato
Bajo condiciones anaeróbicas se dará la
fermentación
Ej:
Fermentación láctica
Fermentación alcohólica
Fermentaciones
Fermentación láctica
DESCARBOXILACION OXIDATIVA DEL
PIRUVATO
Y
CICLO DE KREBS
Estructura de la mitocondria, principal sitio de consumo de oxígeno en
Células eucariotas
Descarboxilacion oxidativa del piruvato
Ciclo de Krebs
Naturaleza anfibólica del Ciclo de Krebs:
Intermediarios de la vía sirven de precursores para la biosíntesis de
otros compuestos
Fosforilación Oxidativa
Mecanismo de la Fosforilación oxidativa mitocondrial
Metabolismo de bacterias patógenas
de importancia clínica
MSc Ana Colarossi S.
Departamento de Ciencias Celulares y Moleculares
Sección Bioquímica, Biología Molecular y
Farmacología
Características Generales de las
Bacterias entéricas
• Microorganismos heterogéneo (el contenido de G+C del grupo varía del 40 al 60%)
• Son anaerobios facultativos:
- Desarrollan un metabolismo respiratorio en condiciones aerobias
- Un metabolismo fermentativo en condiciones anaerobias.
• Todos son microorganismos quimioorganotrofos con pocos
requerimientos nutricionales por lo que pueden crecer en medios de
cultivo relativamente simples.
• Morfológicamente son bacilos cortos y cocobacilos Gram-negativos.
Características Generales de las
Bacterias entéricas
• Presentan dos grandes grupos:
- 1 Grupo entérico formado por bacterias que presentan características comunes con las bacterias intestinales (contaminación por alimentos)
- 2 Grupo de bacterias relacionadas cuyos componentes presentan en común con los primeros su metabolismo anaerobio facultativo y la capacidad de colonizar ambientes intestinales en situaciones patológicas (Yersinia, Aeromonas, Vibrio)
Características Generales de las
Bacterias entéricas
• El grupo entérico puede subdividirse, a su vez, en dos:
1 Bacterias coliformes: géneros Escherichia, Enterobacter, klebsiella y Citrobacter
Estas bacterias tienen un tiempo de supervivencia reducido en agua u otros ambientes extracorporales
2 Bacterias no-coliformes cuyo hábitat natural es el agua o el suelo pero que ocasionalmente pueden encontrarse en ambientes intestinales.
Las características metabólicas de las bacterias del grupo de no-coliformes son muy similares a las del grupo de coliformes y la diferenciación se basa principalmente en su hábitat.
Características Generales de las
Bacterias entéricas
• Desarrollan la glucólisis usando la ruta de Embden-Meyerhoff, utilizando el piruvato en el ciclo de Krebs cuando están en condiciones aerobias o por diferentes rutas fermentativas cuando se encuentran en condiciones anaerobias.
• Con excepción de Erwinia no degradan azúcares complejos.
Particularidades metabólicas de las
Bacterias entéricas
Escherichia, Salmonella, Yersinia y Vibrio
- Tienen una fermentación ácido-mixta con formación de cantidades variables de ácido succínico, acético y fórmico; así como compuestos neutros como etanol, CO2 y H2.
- Las cantidades de cada uno de los productos depende de las actividades relativas de los diferentes enzimas de utilización del piruvato
- y la formación de ácido fórmico o de CO2 y H2 depende de la presencia de la hidrogenoliasa fórmica.
Particularidades metabólicas de las
Bacterias entéricas
GLUCOSA
Fermentación butilenglicólica
Acetolactato
Diacetilo KOH + aire
Acido Pirúvico
Embden-Meyerhof
VIA ACIDO MIXTA Y BUTILENGLICÓLICA DE LA GLUCOSA
Fermentación ácido mixta
oxalacetato
Ácido formico
Ácido láctico
Àcido
succinico
+CO2
+4H
-12H
pH< 4,4 convierte al
indicador rojo de metilo
Alcohol
etilico
Ácido acético
+4H
H2 CO2
Color rojo
(prueba positiva de RM)
+4H
3 CO2
Acido
acetico
2,3 -Butilenglicol
Acetil metil carbinol
(Acetoina)
Acido fórmico
3 CO2
Alcohol
etilico
H2 CO2
+6H
Naftol + creatinina
Complejo rojo
(Prueba de VP positiva)
Serie de reacciones
Reacciones de un solo paso
Prueba de Rojo de Metilo (RM)
• E.coli
• Los productos finales son ácidos orgánicos (ácidos fórmico, acético, láctico y succínico)
• Provocan un fuerte descenso del pH inicial del medio.
• Se detecta por el viraje del indicador de rojo de metilo que permanece amarillo por encima de pH 5,1 y rojo por debajo de 4,4.
• Las bacterias del grupo entérico no coliforme: Enterobacter, Klebsiella, Erwinia y Serratia ,realizan fermentación butanodiólica porque se forma éste producto final.
• En el caso de producirse la fermentación butanodiólica se genera, como paso intermedio, acetoína detectable por la reacción de Voges-Proskauer que permite la identificación de bacterias de este grupo
Particularidades metabólicas de las
Bacterias entéricas
Prueba de Voges Proskauer (VP)
Grupo Klebsiella-Enterobacter
• Los productos finales son compuestos neutros como el butanodiol y el etanol, produciéndose acetoína como intermediario
• Se detecta añadiendo al medio KOH y alfa-naftol que reaccionarán con este compuesto produciendo un color rojo característico.
Tiene importancia taxonómica en este grupo la capacidad de
fermentación de lactosa que presenta Escherichia, Citrobacter y
otras bacterias coliformes.
La capacidad de fermentación de lactosa depende de la presencia
de la enzima b -galactosidasa en las bacterias.
Particularidades metabólicas de las
Bacterias entéricas
• Bacterias del suelo y del agua aunque pueden encontrarse en hábitats intestinales y del tracto respiratorio (Klebsiella pneumoniae)
• Algunas como Enterobacter y Klebsiella pueden fijar nitrógeno en condiciones anaerobias.
• Hay algunas patógenas vegetales. Erwinia es una excepción en el grupo de las bacterias entéricas porque es capaz de degradar fermentativamente polisacáridos complejos como la pectina, causando enfermedades en plantas.
Grupo de Enterobacter- Serratia-
Erwinia
Grupo de Proteus-Providencia
• Son habitantes del suelo especializados en la
descomposición de la materia orgánica. Pueden ser
fácilmente identificados por la presencia de la enzima
ureasa.
Grupo de Yersinia
• Patógeno de roedores que puede pasar a humanos causando
enfermedades serias (peste bubónica o peste neumónica causada
por Yersinia pestis) y procesos diarréicos (Yersinia enterocolitica).
Helicobacter pilory
El H. pylori es un patógeno que afecta crónicamente al 50% de la población mundial. La presencia de la bacteria en la mucosa gástrica está asociada con desordenes severos gástricos, tales como gastritis crónica atrófica, ulceración péptica, carcinoma gástrico y linfoma MALT (tejido linfoide asociado a mucosa).
¿Cómo el H. pylori obtiene la energía para
su metabolismo?
• El H. pylori, es una bacteria, espiralada, gram-negativa,
microaerofílica con la extraordinaria capacidad de
establecer una infección en la mucosa gástrica.
• Al no utilizar el oxígeno el ciclo de Krebs tal como lo
describimos, no seria operativo
Bajo condiciones microaerófilas, las enzimas del ciclo de
Krebs funcionaría como un proceso no cíclico, donde la
rama oxidativa y la rama reductora estarían unidas por α-
cetoglutarato oxidasa.
Metabolismo de Bacterias
Intracelulares
Bacterias intracelulares patógenas
• Mycobacterium tuberculosis Tuberculosis
• Mycobacterium leprae Lepra
• Listeria monocytogenes Listeriosis
• Salmonella typhi Fiebre tifoidea
• Shigella dysenteriae Disentería bacilar
• Brucella species Brucellosis
• Legionella pneumophila Pneumonia
• Rickettsiae Typhus
• Chlamydia Trachoma
• Los parásitos intracelulares sobreviven dentro de los fagocitos en
virtud de mecanismos que intervienen con la actividad bactericida
de la célula hospedera.
• Algunos de estos mecanismos son:
Inhibición de la unión de los lisosomas con el fagosoma
Supervivencia dentro del fagolisosoma
Escape desde el fagosoma
Mycobacterium tuberculosis: Ciclo
del Glioxilato como factor de
virulencia
El fagolisosoma
• Presenta un ambiente precario y hostil para el microoganismo
• Tiene compuestos antimicrobianos y pH acido
• Carece de nutrientes necesarios para el metabolismo y división
• Los patógenos intracelulares deben tener habilidades para contra
restar este estrés
• Deben encontrar los nutriente requeridos para la síntesis de
macromoléculas complejas y la energía necesaria para sintetizarlos
Mycobacterium tuberculosis
• Reside por periodos prolongados dentro del macrófago, en el cual
puede proliferar y posteriormente esparcirse por todo el organismo
¿Por qué se induce Ciclo del Glioxalato
en organismos fagocitados?
• Representa una respuesta a la carencia de nutrientes en el fagosoma.
• La fuente de carbono provendría de la degradación de ácidos grasos.
• Se requiere ciclo de glioxalato para la virulencia de organismos patógenos aunque esto no sea suficiente para convertir a un organismo en patógeno.
Metabolismo de Azúcares como
factor de Virulencia en Bacterias
Orales
Las cepas bacterianas encontradas en la placa dental son
aeróbias , anaeróbicas facultativas y anaeróbicas obligadas.
En el catabolismo anaeróbico de los sustratos no hay consumo de
oxígeno, y las transformaciones metabólicas se denominan
fermentaciones.
Numerosas bacterias prefieren los carbohidratos para la
fermentación , pero algunas bacterias pueden utilizar los
aminoácidos como alternativa
PLACA DENTAL
Microscopía electrónica de barrido de microorganismos coadherentes en la placa dental.
Se observa un agregado de organismos, apilados uno sobre el otro.
Barra de escala = 10 micrometros.
•La caries es un proceso patólogico, localizado
caracterizado por una serie de reacciones químicas y
microbiológicas que acaban destruyendo el diente.
•Se acepta que esta destrucción es el resultado de la
acción de ácidos producidos por bacterias en el medio
ambiente de la pieza dental
MECANISMO DE
PRODUCCION DE CARIES
• Estreptococos:
Bacteria Gram positiva,anaerobia facultativa.
Alta capacidad para fermentar carbohidratos
Capacidad de producir reserva de carbohidratos
(glucógeno intracelular)
Producen polisacáridos extracelulares (glucanos)
Principalmente a partir de sacarosa.
Las bacterias de la placa contienen dos enzimas
muy específicas que utilizan la sacarosa para formar
polímeros extracelulares, son:
1. Dextrán sacarasa o glucosiltransferasa: sintetiza
y elonga dextranos según la reacción:
Sacarosa+ (glucosa)n(glucosa)n+1 + fructosa
2. Leván sacarasa o fructosiltransferasa: sintetiza y
elonga levanos :
Sacarosa+ (fructosa)n(fructosa)n+1 + glucosa
Colonización
Streptococo mutans es cariogénico y produce
mutanos insolubles (polimeros de glucosa con
enlaces 13).
Estos polisacaridos proporcionan a la placa
propiedades gelatinosas y adhesivas,
restringiendo el intercambio de materiales entre
la placa y la saliva y favoreciendo las
fermentaciones
Colonización
Glucanos
Insolubles en agua (α-1,3 glycosidic bonds) = “mutan”- --- 70% de
la placa dental -- Agregación o aglutinación de la célula
MEDIO SIN SUCROSA MEDIO CON SUCROSA
MICROBIOLOGICAL REVIEWS, June
1980,
• Glucosa, galactosa y fructosa son metabolizados por
glicolisis y vías análogas en las bacterias. Son equivalentes
como fuente de energía.
•Hay dos destinos alternativos para el piruvato:
-La reducción a lactato
- Formación de formato y Acetil CoA mediante la intervención
de la enzima piruvato formato liasa (PFL), seguida por la
conversión del acetil CoA en acetato y etanol
•En S. Mutans, en ausencia de carbohidratos se produce
menos lactato y mas etanol, formato y acetato
Fermentación de los carbohidratos
El metabolismo en el interior de la célula bacteriana depende de las
condiciones:
Si el suministro es alto, la glicolisis anaeóbica permite que las
concentraciones de F16BP y G3P sean altas
F1,6BP activa LDH
G3P inhibe a la formiato liasa
Aumenta la producción de ácido láctico
El lactato es excretado al exterior bajando el pH.
El lactato puede ser utilizado por Veillonella para transformarlo en acético
y propiónico
Metabolismo de azúcares en
Streptococcus mutans
Si el suministro de azúcar es escaso, se activa la acetato quinasa y
favorece la formación de ácido fórmico.
En abundancia de carbohidratos PFL es inhibida por G3P y
LDH es estimulada por FDP
Es ventajoso desde el punto de vista energético porque obtiene un ATP
extra al hidrolizarse el acetil fosfato.
Metabolismo de Streptococcus
mutans
Condiciones diferentes de Crecimiento: Desviación a partir de la
fermentación homolactica
Acetato + Etanol
Lactato Deshidrogenasa
(LDH)
Piruvato Formato Liasa
(PFL)
METABOLISMO DE LA SACAROSA DEL Streptococcus
mutans
(Maltosa, lactosa, sorbitol, xilitol, manitol y otros)
Glucosa Fructosa
S. mutans es capaz de metabolizar una amplia variedad de carbohidratos, mas que otras bacterias Gram positivas.
Se han encontrado genes para el transporte de glucosa, fructosa, sucrosa, lactosa, galactosa, manosa, celobiosa, maltodextrina, rafinosa, ribulosa, almidón.
Además, es capaz de convertir varios azúcares-alcohol a intermediarios de la glicolisis.
El hallazgo de un sistema de transporte de azúcares de tipo fosfotransferasa para pentosas sugiere que puede utilizar ciertas pentosas.
• S. mutans posee un ciclo de Krebs incompleto. El rol primario de
estas enzimas del ciclo seria la síntesis de precursores para la
síntesis de aminoácidos
• El polisacarido mas común es el glucógeno.
•Se sintetiza cuando la concentración externa de
carbohidratos fermentables es mas abundante de lo que
se requiere en las demandas de energía para el
desarrollo
•El mecanismo de síntesis y degradación es semejante a
los de los mamíferos.
•El sustrato es el ADP-glucosa en vez de UDP-glucosa.
•Capacidad de almacenamento de glucogeno en
Strptococos: 37%
Polisacaridos de Almacenaje
PLACA DENTAL MOSTRANDO TINCION DE POLISACARIDOS (J.D. Ruby y V.F. Gerencser)
• La placa dental fue expuesta a sucrosa 5%in situ por 5 minutos. Luego se aplicó tinción de iodo de
Gram. La solución de sucrosa fue aplicada al incisivo central izquierdo, el derecho sirvió como control.
• El iodo se une selectivamente a los alfa-1,4 glucanos sintetizados por las bacterias de la placa,
dando un color marrón, que puede llegar hasta morado, según la concentración.
PLACA DENTAL MOSTRANDO TINCION DE POLISACARIDOS (J.D. Ruby y V.F. Gerencser)
• Magnificación a 1000X de un
raspado de la misma placa dental
• Las células teñidas son bacterias
que presentan polisacáridos
intracelulares, tipo glucógeno .
Metabolismo de S. mutans,favorece crecimiento
secundario de otras bacterias
