NUTRICION, CRECIMIENTO Y METABOLISMO MICROBIANO Blga. Ms. C. Ana Melva Contreras Contreras

Los requerimientos para el crecimiento bacteriano incluyen fuentes de energa, carbohidratos (por ejemplo; azcares y cidos grasos) e iones metlicos (por ejemplo; fierro).La temperatura ptima, el pH y los requerimientos de la presencia ( ausencia) de oxgeno son importantes.

El crecimiento bacteriano requiere una fuente de energa y materia prima necesaria para fabricar los:Diferentes productos que le son necesarios como: protenas, aminocidos hidratos de carbono y sus lpidos, que son indispensables para la contricin de las clulas bacterianas.La maquinaria estructural y bioqumica de la clula.Las fuentes mnimas para el crecimiento son: carbono y nitrgeno, agua e ionesAlgunas bacterias (quimiotrfas) pueden obtener energa directamente de la oxidacin de iones metlicos como el hierro y otras realizan fotosntesis (cianobacterias).Las bacterias patgenas obtienen su energa a travs de la degradacin de azcares, lpidos y protenas.

Cuando se les suministra nutrientes inorgnicos junto a una fuente simple de carbono (glucosa) , ciertas bacterias Escherichia coli (microflora intestinal) es capaz de sintetizar aminocidos, nucletidos, lpidos e hidratos de carbono necesarios para su crecimiento y la divisin celular.Las necesidades nutricionales de Treponema pallidum (sfilis) son complejas, debido a esto es que no se ha podido desarrollar un medio de cultivo especfico.Las necesidades nutricionales y los productos bacterianos pueden utilizarse como factor de clasificacin bacteriana.Los Lab. de Mic. Cli. diferencian a las bacterias por su capacidad de proliferar en fuentes de carbono especficas (lactosa) y productos metablicos finales (etanol, cido lctico, cido succnico).

METABOLISMO BACTERIANO

METABOLISMO DE LAS BACTERIAS

A travs del metabolismo de las bacterias tambin se puede hacer una identificacin bacteriana.El metabolismo son transformaciones que tienen lugar dentro de la clula. Se produce en dos partes:Anabolismo: procesos de construccin celular, biosntesisCatabolismo: constituido por las reacciones energticas con el fin de obtener energa qumica (ATP ADP + P) , se desprende energa, que se obtiene de los nutrientes, como la luz, etc.Las reacciones metablicas (metabolismo) son comunes a TODAS las clulas de todos los seres vivos. Pero para ello la clula necesita:MacronutrientesMicronutrientes

METABOLISMO BACTERIANO

Catabolismo

MACRONUTRIENTES.CARBONO (C): La mayor parte de las bacterias necesitan una fuente de carbono y de ah que muchas bacterias utilicen una fuente de CO2 como fuente de carbono.NITRGENO (N): lo necesitan para formar aa de las protenas.FSFORO (P): para la sntesis de los c. Nucleicos, fosfolpidos, ATP...AZUFRE (S): ya que forma parte de las molculas de algunos AA como la Cistena, Metionina...POTASIO (K): activador de algunos enzimas.MAGNESIO (Mg): interviene en la estabilizacin de los ribosomas, membrana celular, c. nucleicos...SODIO Y CALCIO (Na, Ca): algunas bacterias los necesitan pero normalmente las patgenas no.HIERRO (Fe): en muchas de las bacterias es importante para el ciclo respiratorio.AGUA (H2O): nutriente muy importante, sin ella las bacterias no pueden completar su ciclo vital. Si no disponen de agua, algunas pueden dar lugar a formas de resistencia y esporular, viviendo de forma latente.

MICRONUTRIENTES-OLIGOELEMENTOSElementos qumicos indispensables para el crecimiento bacteriano, se requieren en cantidades muy pequeas, funcionan como antioxidantes.COBALTO (Co): forma parte de la vitamina B12ZINC (Zn): para varios enzimasCOBRE (Cu): forma parte de los enzimas respiratoriosMAGNESIO (Mg): parte de las enzimasEn algunas bacterias especiales: niquel, tugsteno, selenio...La bacteria tambin necesita para su metabolismo FACTORES DE CRECIMIENTO: compuestos que se requieren en muy pequeas cantidades y que normalmente la clula es capaz de sintetizarlos, pero a veces los necesitan tener en el medio que les rodea, como ej. las vitaminas, que se ponen ms de manifiesto cuando los cultivos son sintticos, ya que en condiciones normales las bacterias los pueden sintetizar o los tienen ya el medio

CLASIFICACIN EN GRUPOS NUTRICIONALESSEGN SUS FUENTES DE ENERGA Y DE CARBONO.Fotoauttrofas (fuente C es CO2 + luz)Fotohetertrofas (fuente de C es un compuesto orgnico + luz)Quimioauttrofas (CO2 + sales orgnicas)Quimihetertrofas (compuestos orgnicos + compuestos orgnicos)Fuente de CarbonoFuente de EnergaFotoauttrofoCO2LUZFotohetertrofoCompuestos orgnicosLUZQuimioauttrofoCO2Sales orgnicasQuimiohetertrofoCompuestos orgnicosCompuestos orgnicos

Requerimientos Nutricionales

Incluyen fuentes de carbono orgnico, nitrgeno, fsforo, azufre e iones metlicos incluyendo el hierro.Las bacterias secretan molculas pequeas que unen el hierro (siderforos, por ejemplo; enterobactina, micobactina).Los siderforos (con el hierro unido) son entonces internalizados va receptores de membrana por la clula bacteriana.El husped humano tambin tiene protenas transportadoras de hierro (por ejemplo: la transferrina).Las bacterias que compiten con el husped por el hierro de forma ineficiente no son patgenos exitosos.

La energa se acumula en forma de ATP y todo se hace mediante reacciones de oxidacin y reduccin ( REDOX), que en muchas de ellas va a haber una participacin de oxgeno, pero en otras no, y dependiendo de ello, el metabolismo bacteriano libera energa mediante:Fermentacin (en ausencia de O2, hay prdida de electrones)Respiracin (en presencia de O2, por adicin de electrones)Fuente de EnergaLiberacin de EnergaFermentacin glucosa, degradada Se libera poca energapor la bacteriaRespiracin Es el O2 el que acta La oxidacin de la glucosa como aceptor de electrones entra en el c. krebs y se (es el que se reduce) produce ms ATPGlucosa+O2--ATP+H2O

Requerimientos de Oxgeno

Los aerobios obligados deben ser capaces de crecer en presencia de oxgeno y no realizan fermentacin. Los anaerobios obligados no realizan fosforilacin oxidativa.Mueren en presencia de oxgeno ya que carecen de ciertas enzimas como la catalasa, la cual rompe el enlace del perxido de hidrgeno (H2O2) a agua y oxgeno.La peroxidasa, por la cual NADH+ H2O2 se convierten a NAD y O2.Y la superxido dismutasa, por la cual el superxido de O2; es convertido a H2O2Estas enzimas de-toxifican los radicales libres producidos a partir del perxido de hidrgeno y del oxgeno producidos durante el metabolismo aerobio (en presencia de oxgeno).

Los anaerbios aerotolerantes (facultativos) son bacterias que respiran anaerbicamentre, pero pueden sobrevivir en presencia de oxgeno.Los anaerobios facultativos pueden llevar cabo tanto la fermentacin como la respiracin aerbica.En presencia de oxgeno, la respiracin anaerbica de estos organismos generalmente se apaga y entonces respiran aerbicamente.Las bacterias micro-aeroflicas crecen bien a bajas concentraciones de oxgeno, pero no resisten altas concentraciones

TemperaturaLas bacterias pueden crecer en una variedad temperaturas, desde aquellas cercanas al punto de congelacin hasta el punto de ebullicin del agua.Las bacterias que crecen mejor a la mitad de este rango se conocen como mesfilos, las cuales incluyen todos los patgenos y oportunistas de humano.Las que viven a temperaturas ptimas altas se conocen como termfilas y las que lo hacen a bajas temperaturas son los psicrfilicos.

Clase de bacterias segn su temperatura:Psicrfilas: crecen entre 0C y 20C con una T ptima de 15C, suelen contaminar los alimentos, la sangre refrigerada y las aguas fras de manantiales o lagos.Mesfilas: se desarrollan entre 20C y 45C, son ms numerosas y las que ms interesan en medicina. Se clasifican en dos grupos: con un desarrollo ptimo de 20 a 35C: bacterias saprfitas y parsitas de plantas y animales inferiores y las que viven entre 35 y 45C comprenden las bacterias patgenas y suelen encontrarse en el hombre y animales superiores.Termfilas: se desarrollan en temperaturas ptima sobre los 45C. Son las bacterias que forman la mayor parte de la flora de los suelos calientes y fuentes termales.

pH (concentracin de hidrogenines)Algunas bacterias crecen mejor a pH neutro, sin embargo ciertas bacterias pueden sobrevivir y crecer de forma constante en condiciones cidas o alcalinas.Bacterias halfilas crecen bien en concentraciones alcalinas.Bacterias acidfilas crecen bien en condicones concentracioens cidas.

Las bacterias realizan el proceso de biosntesis como son:Sntesis de cidos nuclecos: se inicia con la ribosa 5-fosfato que se forma en la ruta de las pentosa fosfato. Sintetizando bases nitrogenadas puricas (A,G) y pirimidicas (T, U; C).La accin de los antibiticos es sobre todo en inhibiendo la ruta del tetrahidrofolato, debido a que por esta ruta se sintetiza la Timina.Transcripcin: es formar el ARNm a partir del ADN por medio de una ARN-polimerasa dependiente del ADN.Esta enzima es inhibida por la rifampicina antibitico utilizado para el tratamiento de la tuberculosis.Traduccin: Es el proceso de sntesis de protenas por el ribosoma 70 S.Algunos agentes antimicrobianos actan a este nivel, como son los aminoglucosidos (estreptomicina y gentamicina), tetraciclinas, macrlidos (eritromicina) y lincosamidas (clindamicina) actan unindose a las subunidades del ribosoma.

Sntesis de protenas bacterianas:La unin de las subunidades 30SAl ARNm con la formilmetionina-ARN de transferencia (fmet-ARNt) situado en el con de iniciacin AUG permite el ensamblaje del ribosoma 70S. El femet-ARNt se une al sitio peptidilo (P).El siguiente ARNt se acopla al codn correspondiente en el sitio AEl ARNt acepta la cadena peptdica en formacin. Antes de la translocacin al sitio peptidilo.El proceso se repite hasta llegar a un codon de terminacin en el que la protena se libera.

Divisin de la clula bacteriana: la replicacin requiere una extensin de la pared celular, as como la replicacin del cromosoma y la formacin de un tabique. La fijacin del ADN a la membrana arrastra a cada molcula cromosmica hija hacia el interior de una nueva clula.

Mediciones de masa bacteriana en cultivos lquidosLos mtodos mas comunes incluyen:a) Turbidez: la opacidad del liquido del cultivo bacteriano es una estimacin del total de bacterias (vivas y muertas). Esta se cuantifica usualmente con un espectrofotmetro. b) El nmero de bacterias viables en un cultivo usualmente se determina contando en nmero de colonias que crecen despus de sembrar un volumen conocido sobre una placa (conteo en placa unidades formadoras de colonias).El graficar el logaritmo de la turbidez o el nmero de clulas vivas vs. el tiempo y a este se le llama curva de crecimiento.El tiempo de generacin se define como el tiempo requerido para duplicar la masa bacteriana del cultivo

FASE LAG:Los microorganismos son introducidos a un medio fresco, no ocurre un incremento inmediato en el nmero de clulas o masa celular.No hay divisin la clula se encuentra sintetizando nuevos componentes. Luego de esta fase de sntesis y recuperacin las clulas estn en ptimo estado para replicar su ADN, crecer en masa celular y dividirse.Esta fase puede variar considerablemente dependiendo de la condicin de los microorganismos inoculados y la naturaleza del medio empleado. FASES DEL CRECIMIENTO BACTERIANO

Fases del crecimiento bacteriano a partir de un inoculo de clulas en fase estacionaria

FASE DE CRECIMIENTO EXPONENCIAL O LOG:Los microorganismos se encuentran en la tasa mxima posible de crecimiento y divisin determinada por: potencial gentico, la naturaleza del medio y las condiciones de crecimiento.La tasa de crecimiento es constante, se dividen y doblan en nmero a intervalos regulares. Debido a que cada clula se divide en un momento ligeramente distinto, la curva de crecimiento aumenta progresivamente en vez de hacer saltos.

FASES DEL CRECIMIENTO BACTERIANO

FASE ESTACIONARIA:El crecimiento cesa y la curva se convierte en una lnea horizontal.El tamao de la poblacin depende: disponibilidad de nutrientes y de otros factores como el tipo de microorganismo inoculado.La cantidad total de microorganismos viables se mantiene constante, existe balance entre la divisin y la muerte celular o porque simplemente la poblacin cesa la divisin y se mantiene metablicamente activa.Hay limitacin de nutrientes, disminucin de oxgeno, acumulacin de desechos txicos. FASE DE MUERTE:Los cambios perjudiciales en el ambiente de crecimiento llevan a disminuir la cantidad de clulas viables. La fase de muerte al igual que la fase exponencial del crecimiento es logartmica, una proporcin constante de clulas muere cada hora.

FASES DEL CRECIMIENTO BACTERIANO

Curva de Crecimiento Bacteriano

METABOLISMO DE AZCARES Glicolisis (Ruta de Embden, Meyerhof y Parnas [EMP] )Esta es la ruta ms comn para el catabolismo de azcares en las bacterias. (Tambin se encuentra en la mayora de las clulas de animales y vegetales). Una serie de procesos enzimticos dan como resultado la conversin de azcares para generar ATP (adenosin trifosfato) y NADH (nicotinamida adenina dinucletido). La energa qumica necesaria para propsitos biosintticos se almacena en compuestos formados de novo (ATP y NADH)NAD ---> NADHGlucosa------------------------------------>Piruvato(C6) ADP ---> ATP (C3)*

* referido al nmero de carbonos en la molcula

La ruta glagoltica de Embden Meyerhof - Parmas (EMP) provoca la conversin de glucosa en piruvato. La suma de glucosa + 2 ADP-2Pi+2NAD 2 piruvatos + 4ATP +2NADH +2H+. Las dobles flechas indican la reaccin de dos moles por cada mol de glucosa.

Existen rutas alternativas para el catabolismo de los azcares a fin de producir energa almacenada en forma de ATP.Estos incluyen la ruta de la pentosa fosfato (derivada de la hexosa monofosfato) la cual se encuentra en la mayora de las clulas vegetales y animales.El NADPH se produce usando la ruta de las pentosas.La ruta de Entner Doudoroff, se encuentra en algunas bacterias,

Ciclo de la Pentosa fosfato o ruta de la hexosa monofosfato. En este ciclo es fundamental la participacin de las enzimas trancetolasa y transaldolasa.

Respiracin Anaerbica La respiracin anaerobia incluye la gliclisis y la fermentacin.Durante los ltimos estadios a este proceso, el NADH (generado durante la gliclisis) se reconvierte a NAD por prdida de un hidrgeno.El hidrgeno se adiciona al piruvato y dependiendo de la especie bacteriana, se producen una variedad de productos finales metablicos.

NADH --> NADPiruvato --------------------------->cadena corta de alcoholes o ac. graso (ac. Lctico o etanol) (C2-C4)

Fermentacin del piruvato por diferentes microorganismos produce la aparicin de distintos productos metablicos finales . Esto se utiliza para la diferenciacin bacteriana.

Respiracin AerbicaLa respiracin aerbica incluye la gliclisis y el ciclo del cido tricarboxlico (Ciclo de Krebs).El piruvato se degrada por completo hasta bixido de carbono (C1) y en el proceso el NAD se convierte a NADH.En la fermentacin aerbica, el NADH se genera por dos rutas (glicolisis y ciclo de Krebs).La fosforilacin oxidativa convierte el exceso de NADH a NAD y durante este proceso se genera ms ATP (energa almacenada). Las ubiquinonas y los citocromos son componentes de la cadena de transporte de electrones, involucrada en este ltimo proceso y la conversin de oxgeno hasta formar molculas de agua viene a ser el paso final.Ciclo de Krebs (C4-C6 Compuestos intermediarios).NAD ---> NADH-Piruvato ----------------------------------> 3 CO2 (C3) (C1)

Ciclo de KrebsEl ciclo de Krebs empieza y acaba la acetil Co A y el oxalacetato para formar cido ctrico. El cido tiene 6C y experimenta una serie de reacciones qumicas catalizadas por enzimas que separan 2C.Las enzimas tambin modifican la estructura del compuesto, que se transforma en oxalacetato al final del ciclo.ste se combina a continuacin con la acetil Co A para iniciar de nuevo la cadena de reacciones. Cada ciclo genera una molcula de ATP rico en energa (que se forma por liberacin de cuatro electrones) y otra de GTP.

Ciclo del ATC se da en condiciones aerbicas y es de tipo anfiblico. Tambin se muestran los precursores de la sntesis de aminocidos y los nucletidos. CoA, FADH2, GTP

Ciclo de Krebs

Ejemplo de aminocidos derivados intermediarios del ciclo del ACT

Fosforilacin Oxidativa NADH --> NADO2 ---------------------------------------------> H2OADP --> ATPEl Ciclo de Krebs contiene intermediarios de 4 y 6 carbonos. El piruvato (C3) es la molcula que alimenta el ciclo de Krebs de tal manera que el nmero de intermediarios C4/C6 permanece igual o se incrementa. a) La prdida de CO2 (C1) del piruvato para formar la acetil CoA, se ve seguida de su adicin a un componente C4 del ciclo (oxalacetato) y se produce un componente C6 (cido ctrico).El nmero de molculas C6 producidas iguala el nmero de molculas C4 presentes inicialmente. CO2C3-------------> C2

C2C4 -------------->C6

b) Mediante la adicin del CO2 al piruvato se produce un compuesto de C4.Se generan molculas adicinales de C4 (componentes del ciclo). +CO2C3 ------------->C4Si alguno de los componentes del ciclo, son removidos para usarse en otras rutas biosintticas, estos pueden ser repuestos por la va de esta reaccin.

Cadena de transporte de electrones mostrando los pasos de oxidacin secuencial y generacin de energa. La transferencia de electrones se acompaa con el flujo de protones (H+) desde NADH a travs de CoQ , as como de electrones a travs de CYTO. Por cada molcula NADH reoxidada se forma 3 ATP , por cada molcula FADH2 reoxidada aparecen 2 ATP . FMN.

Metabolismo aerobio de la Glucosa

METABOLISMO DE LOS ACIDOS GRASOS

Los cidos grasos se degradan a grupos acetilo (C2) los cuales alimentan el ciclo de Krebs adicionndose a intermediarios C4 para producir C6.Durante el ciclo, el C2 adicionado se pierde como CO2 y se produce C4.No ocurre ningn incremento en el nmero de molculas intermediarias del ciclo.Si los cidos grasos son la nica fuente de carbono los intermediarios del ciclo de Krebs no pueden ser removidos sin que el ciclo se interrumpa.

+C2C4 ---------->C6

Las bacterias utilizan el ciclo del glioxilato (una modificacin del Ciclo de Krebs) en el cual se saltan los pasos enzimticos en los cuales dos molculas de CO2 son removidas de los intermediarios de C6.El intermediario C6 se convierte en dos compuestos C4 (ambos componentes del ciclo).Por cada grupo acetilo (de los cidos grasos) un intermediario adicional del ciclo se produce.La ruta del glioxalato generalmente no se encuentra en clulas animales, ya que se utilizan cidos grasos preformados y presentes en los alimentos.

C6-->C4++C2 C2------------->C4

Elaborar esquemas, grficos o mapas conceptuales donde explique las principales rutas metablicas utilizadas por los microorganismos.Lo investigado lo expondrn en la clase, la eleccin del equipo a exponer ser por sorteo.El equipo podr emplear ppt o papelotes.GRACIAS

POR

SU

ATENCINPara investigar en equipo:Se trabaja en equipo y se expone en la hora de laboratorio del da 15/04/15

GRACIAS POR SU ATENCIN

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