Bioquímica y Bioquímica y fisiología microbianafisiología microbiana

Tema 1. IntroducciónTema 1. Introducción

¿Qué es BFM?¿Qué es BFM?

☁ FisiologíaFisiología☁ El estudio de las funciones de los El estudio de las funciones de los

organismos entendiendo que los organismos entendiendo que los procesos de la vida están mediados procesos de la vida están mediados por sus estructuras, relación por sus estructuras, relación estructura-función.estructura-función.

☁ BioquímicaBioquímica☁ El estudio de las reacciones químicas El estudio de las reacciones químicas

que soportan la vida. que soportan la vida. ☁ También están relacionadas la También están relacionadas la

estructura con la posibilidad de llevar estructura con la posibilidad de llevar al cabo reacciones bioquímicas.al cabo reacciones bioquímicas.

ObjetivosObjetivos

☁ Introducir la bioquímica y fisiología Introducir la bioquímica y fisiología microbiana como tema de estudio científico.microbiana como tema de estudio científico.

☁ Describir la importancia de los Describir la importancia de los microorganismos y su diversidad en la microorganismos y su diversidad en la naturaleza.naturaleza.

☁ Describir a Describir a Escherichia coliEscherichia coli como modelo de como modelo de estudio de la composición estructural y estudio de la composición estructural y molecular de las células bacterianas.molecular de las células bacterianas.

☁ Describir las diferencias entre células Gram-Describir las diferencias entre células Gram-positivas y Gram-negativas.positivas y Gram-negativas.

ObjetivosObjetivos

☁ Entender las estructuras celulares, Entender las estructuras celulares, factores de crecimiento, metabolismo y factores de crecimiento, metabolismo y composición genética de los composición genética de los microorganismosmicroorganismos

☁ Presenta las inter-relaciones entre la Presenta las inter-relaciones entre la microbiología, bioquímica y genética en microbiología, bioquímica y genética en el contexto del funcionamiento de las el contexto del funcionamiento de las células bacterianas.células bacterianas.

☁ Tomar a los organismos unicelulares Tomar a los organismos unicelulares como un modelo para tratara de como un modelo para tratara de entender organismos más complejos.entender organismos más complejos.

Metas Metas

☁ Entender:Entender:☁ Cómo una célula funciona en su Cómo una célula funciona en su

ambienteambiente☁ Cómo puede alterarse para contender Cómo puede alterarse para contender

con cambios en el ambientecon cambios en el ambiente☁ Cómo puede reproducirse a partir de Cómo puede reproducirse a partir de

sustratos simples del ambientesustratos simples del ambiente

Palabras clavePalabras clave

Prokaryotic Outer membrane Eubacteria (Bacteria)

Periplasmic spaceArchaebacteria (Archaea) Oxidative phosphorylation Eukaryotic Spheroplast/protoplast

Plasmid Flagella

Chromosome

Chemotaxis Ribosome Axial filament Peptidoglycan (murein, mucopeptide) Periplasmic binding protein Gram stain

Permeases Gram negative

Storage Granules

Gram positive

Pili (fimbriae) Cell envelope

Capsule (slime layer, glycocalyx)

Cell membrane

Endospore (spore) Cell wall

Importancia de los Importancia de los microorganismosmicroorganismos

☁ Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del ambienteambiente☁ Ambientes extremos, temperatura, presión Ambientes extremos, temperatura, presión

salinidad, etc.salinidad, etc.

☁ En procesos del ambienteEn procesos del ambiente☁ Flora bacteriana natural en intestinos de Flora bacteriana natural en intestinos de

rumiantesrumiantes

☁ En procesos industriales, bioremediación, En procesos industriales, bioremediación, fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) producción de antibióticosproducción de antibióticos

☁ Estructura comunitaria de los microorganismos. Los Estructura comunitaria de los microorganismos. Los individuos participan en procesos particulares pero individuos participan en procesos particulares pero la comunidad se requiere para procesos completos. la comunidad se requiere para procesos completos.

Clasificación de los Clasificación de los microorganismosmicroorganismos

☁ Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres DominiosDominios☁ EukaryaEukarya, organismos con núcleo y , organismos con núcleo y

compartamentalizados, todos los compartamentalizados, todos los multicelulares y algunos unicelulares.multicelulares y algunos unicelulares.

☁ BacteriaBacteria, no compartamentalizados, , no compartamentalizados, unicelulares.unicelulares.

☁ ArchaeaArchaea, unicelulares con , unicelulares con membranas características y genoma membranas características y genoma muy alejado del bacteriano.muy alejado del bacteriano.

☁ Nota:Nota:☁ Bacteria (con mayúscula) se refiere al Bacteria (con mayúscula) se refiere al

dominio,dominio,☁ bacteria, (con minúscula) se refiere a bacteria, (con minúscula) se refiere a

los procariontes, los miembros de los los procariontes, los miembros de los dos dominios, dos dominios, Bacteria Bacteria y y Archaea Archaea son son procariontes.procariontes.

Los microorganismos se definen por su fenotipos o características Los microorganismos se definen por su fenotipos o características físicas.físicas.

Temperatura óptima de crecimientoTemperatura óptima de crecimiento

☁ Psicrófilos: -12 a 20 ºCPsicrófilos: -12 a 20 ºC☁ Mesófilos: 14 a 45 ºCMesófilos: 14 a 45 ºC☁ Termófilos moderados 42 a Termófilos moderados 42 a

69ºC69ºC☁ Termófilos extremos 66 a 105 Termófilos extremos 66 a 105

ºCºC

pHpH

☁ Acidófilos: pH bajo ~ 3Acidófilos: pH bajo ~ 3

☁ Neutrófilos: pH ~7Neutrófilos: pH ~7

☁ Alcalinófilos: pH alto ~10Alcalinófilos: pH alto ~10

Salinidad Salinidad

☁ Halófilos. Alta salinidadHalófilos. Alta salinidad

Oxígeno Oxígeno

☁ Aerobios obligadosAerobios obligados: requieren O: requieren O22

☁ Aerobios facultativosAerobios facultativos: no requieren : no requieren OO22 pero crecen mejor si está presente pero crecen mejor si está presente

☁ MicroaerofílicosMicroaerofílicos: requieren muy : requieren muy pequeñas cantidades de Opequeñas cantidades de O22

☁ AerotolerantesAerotolerantes: no se requiere el O: no se requiere el O22 y y su adición no mejora el crecimiento.su adición no mejora el crecimiento.

☁ Anaerobios obligadosAnaerobios obligados: el O: el O22 inhibe el inhibe el crecimiento.crecimiento.

Nutrición Nutrición

☁ Fuente deFuente de☁ energía: luz vs químicaenergía: luz vs química☁ carbono: orgánica vs inorgánicacarbono: orgánica vs inorgánica

☁ Aceptor de electrones terminalAceptor de electrones terminal

Fuente de Carbono

OrgánicoOrgánicoquimioheterótrofos quimioheterótrofos

COCO22

quimioautótrofosquimioautótrofosOrgánicoOrgánico

FotoheterótrofosFotoheterótrofosVerdes no sulfurosasVerdes no sulfurosas

Púrpuras no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas

COCO22

fotoautótrofafotoautótrofass

Aceptor final de electrones

O2

Animales, protozoarios, hongos,

bacterias

No ONo O22

OrgánicoStreptococcus

InorgánicoClostridium

H2O No HNo H22OO

Fotosíntesis Fotosíntesis OxigenativaOxigenativa

Fotosíntesis Anoxigenica

verdes y púrpuras sulfurosas

EnergíaEnergía

RedoxRedoxquimiótrofosquimiótrofos

LuzLuzfotótrofosfotótrofos

Ejemplo Ejemplo

☁ Coloramator indicusColoramator indicus☁ Bastón Gram positivo inmóvil no Bastón Gram positivo inmóvil no

esporulante.esporulante.☁ Quimiorganotrófico y anaerobio Quimiorganotrófico y anaerobio

obligadoobligado☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede Alcalinotrófico, termófilo que puede

fermentar una gran cantidad de fermentar una gran cantidad de carbohidratoscarbohidratos

Los microorganismos como Los microorganismos como modelo de estudiomodelo de estudio

☁ Tiempo corto de generaciónTiempo corto de generación☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutosPueden reproducirse hasta cada 20 minutos☁ Buenos para estudiar mutacionesBuenos para estudiar mutaciones☁ Se pueden estudiar un gran número de células Se pueden estudiar un gran número de células

idénticasidénticas

☁ Tamaño pequeñoTamaño pequeño☁ Permite estudiar grandes poblacionesPermite estudiar grandes poblaciones

☁ Tamaño pequeño de su genomaTamaño pequeño de su genoma

☁ Diversidad nutricionalDiversidad nutricional

Escherichia coliEscherichia coli como como modelo de estudio en BFMmodelo de estudio en BFM

☁ Escherichia coli es usada como Escherichia coli es usada como paradigma.paradigma.

☁ Paradigma: Paradigma: es —desde fines de la década de 1960— un modelo o patrón en cualquier disciplina científica u otro contexto epistemológico.

☁ Pero no es representativo de todos los microorganismos.

☁ Cada microorganismo tiene sus carácterísticas particulares.

Pregunta

☁ ¿Cómo es el cromosoma bacteriano?☁ Circular☁ Lineal☁ Varios circulares☁ Varios lineales☁ Circular a veces lineal a veces☁ Ninguna de las anteriores

El paradigma de El paradigma de E. coliE. coli

Características Características morfológicas de los morfológicas de los microorganismosmicroorganismos

☁ Forma, bacilos, cocos, espirilosForma, bacilos, cocos, espirilos

☁ TamañoTamaño

☁ Coloración de Gram, positivo o negativoColoración de Gram, positivo o negativo

☁ Formación de esporas, endosporas Formación de esporas, endosporas

Forma

Bacilos: con forma alargada

☁ Cocos: con forma redondeada

☁ Espirilos: con forma helicoidal

☁ Vibrión: con forma de coma ortográfica

Tamaño

☁ http://www.camfilfarr.com/cou_pol/industries/care/microbial_size.cfm

Movilidad Movilidad

☁ Cilios, pequeñosCilios, pequeños

☁ Flagelos, grandesFlagelos, grandes

☁ Fimbriae o pili, estructura tubular rígidaFimbriae o pili, estructura tubular rígida

Diferencias Diferencias entre entre

eucariontes y eucariontes y procariontesprocariontes

Gram PositiveGram Positive Gram NegativeGram Negative

The Cell EnvelopeThe Cell Envelope

CytoplasmCytoplasm Cell membrane

The cell wall is outside of cell membrane – rigid, protecting cell from osmotic lysis.

Cell Wall

Oxidative phosphorylation occurs at cell Oxidative phosphorylation occurs at cell membrane (since there are no mitochondria).membrane (since there are no mitochondria).

Outer MembraneOuter Membrane

☁ Gram negative bacteriaGram negative bacteria

☁ major permeability barrier major permeability barrier

☁ space between inner and outer space between inner and outer membranemembrane☁ periplasmic spaceperiplasmic space

☁ store degradative enzymesstore degradative enzymes

☁ Gram positive bacteria Gram positive bacteria

☁ no periplasmic spaceno periplasmic space

GRAM NEGATIVE GRAM NEGATIVE CELL ENVELOPECELL ENVELOPE

CytoplasmCytoplasm

Inner (cytoplasmic) membrane

Outer Membrane(Major permeability barrier) LipopolysaccharidePorin

Braun lipoprotein

Periplasmic space Degradative enzyme

Periplasmic binding proteinPermease

CytoplasmCytoplasm

Lipoteichoic acid Peptidoglycan-teichoic acid

Cytoplasmic membrane

GRAM POSITIVE CELL GRAM POSITIVE CELL ENVELOPEENVELOPE

Degradative enzyme

Peptidoglicano y ácido Peptidoglicano y ácido teicóicoteicóico

Chapter 20, Figure 1

Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates

Essentials of Glycobiology Second Edition

Chapter 20, Figure 4

Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases

Essentials of Glycobiology Second Edition

Chapter 20, Figure 5

Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid

Essentials of Glycobiology Second Edition

Chapter 20, Figure 8

Structure of the cell wall of mycobacteria

Essentials of Glycobiology Second Edition

FLAGELLAFLAGELLA

☁ Some bacteria are motile Some bacteria are motile

☁ Locomotory organelles- flagellaLocomotory organelles- flagella

☁ Taste environmentTaste environment

☁ Respond to food/poison Respond to food/poison ☁ chemotaxischemotaxis

• Flagella – embedded in cell membraneembedded in cell membrane– project as strandproject as strand– Flagellin (protein) subunitsFlagellin (protein) subunits– move cell by propeller like action move cell by propeller like action

flagelosflagelos

Axial filamentsAxial filaments

☁ spirochetes spirochetes ☁ similar function to flagellasimilar function to flagella☁ run lengthwise along cellrun lengthwise along cell☁ snake-like movement snake-like movement

Making Wall-less formsMaking Wall-less forms

☁ Result from action of:Result from action of:☁ enzymes lytic for cell wall enzymes lytic for cell wall ☁ antibiotics inhibiting peptidoglycan antibiotics inhibiting peptidoglycan

biosynthesisbiosynthesis

☁ Usually non-viable Usually non-viable

☁ Wall-less bacteria that don’t replicate:Wall-less bacteria that don’t replicate:☁ spheroplasts (with outer membrane)spheroplasts (with outer membrane)☁ protoplasts (no outer membrane). protoplasts (no outer membrane).

☁ Wall-less bacteria that replicateWall-less bacteria that replicate☁ L formsL forms

Naturally Wall-less Naturally Wall-less GenusGenus

☁ MycloplasmaMycloplasma

☁ Membrana celular mas gruesa pueden Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos.tener esteroles y lipoglicanos.

☁ PleiomPleiomóórrficosficos

Pili (fimbriae)Pili (fimbriae)

☁ hair-like projections of the cellhair-like projections of the cell

☁ sexual conjugation sexual conjugation

☁ adhesion to host epitheliumadhesion to host epithelium

Capsules and slime Capsules and slime layerslayers

☁ outside cell envelopeoutside cell envelope

☁ well defined: capsule well defined: capsule

☁ not defined: slime layer or glycocalyx not defined: slime layer or glycocalyx

☁ usually polysaccharideusually polysaccharide

☁ often lost on in vitro cultureoften lost on in vitro culture

☁ protective in vivoprotective in vivo

Colonies of Colonies of Bacillus Bacillus anthracisanthracis. CDC.. CDC.

☁ The slimy or mucoid The slimy or mucoid appearance of a bacterial appearance of a bacterial colony is usually evidence colony is usually evidence of capsule production.of capsule production.

☁ In the case of In the case of B. B. anthracis,anthracis, the capsule is the capsule is composed of poly-D-composed of poly-D-glutamate. glutamate.

☁ The capsule is an The capsule is an essential determinant of essential determinant of virulence to the virulence to the bacterium. bacterium.

☁ In the early stages of In the early stages of colonization and infection colonization and infection the capsule protects the the capsule protects the bacteria from assaults by bacteria from assaults by the immune and the immune and phagocytic systems.phagocytic systems.

http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/structure.html

Endospores (spores)Endospores (spores)

☁ Dormant cell Dormant cell

☁ Produced when starvedProduced when starved

☁ Resistant to adverse Resistant to adverse conditions conditions ☁ high temperatureshigh temperatures☁ organic solventsorganic solvents

☁ contain calcium contain calcium dipicolinatedipicolinate

☁ Bacillus Bacillus and and ClostridiumClostridium

Pared celular de Pared celular de ArchaeaArchaea

☁ No contiene peptidoglicanoNo contiene peptidoglicano

☁ Puede ser dePuede ser de☁ pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+☁ pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+☁ monocapa superficial de proteina o monocapa superficial de proteina o

glicoproteina, sin pseudomureina (algunos glicoproteina, sin pseudomureina (algunos halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G-tiñe G-

☁ Existen Existen Archaea Archaea sin paredsin pared

Pseudopeptidoglicano de Pseudopeptidoglicano de Archaea Archaea

Funciones de la paredFunciones de la pared

☁ Rigidez y resistencia osmótica Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis).(mantener la forma, evitar la lisis).

☁ Comunicación con el medio exterior.Comunicación con el medio exterior.

☁ Puede estar involucrada en Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS)patogenicidad (LPS)

☁ Barrera para algunas moléculas (porinas Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). en gram negativos).

☁ Espacio periplásmico (enzimas de Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)transporte, hidrolíticas, etc.)

La membrana celularLa membrana celular

☁ Estructura:Estructura:

☁ Bicapa fosfolipídica con proteínas Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al hopanoides de estructura similar al colesterolcolesterol

☁ En Archaea, éteres de alcohol En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman isoprenoide, algunas forman monocapas. monocapas.

Estructura de la Membrana Estructura de la Membrana CitoplasmáticaCitoplasmática

Los lípidos en Bacteria y Archaea Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces tienen diferentes enlaces

químicosquímicosEster - Bacteria Eter - Archea

Isopreno

Funciones de Membrana Funciones de Membrana CitoplasmáticaCitoplasmática

☁ Barrera de PermeabilidadBarrera de Permeabilidad☁ sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas,

pueden atravesar la membrana por difusión.pueden atravesar la membrana por difusión.

☁ Ancla de Proteínas Ancla de Proteínas ☁ transporte, generación de energía, quimiotaxistransporte, generación de energía, quimiotaxis

☁ Generación de fuerza proton motrizGeneración de fuerza proton motriz

En fotEn fotóótrofas: trofas: Estructuras iEstructuras intracitoplasmáticas, ntracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintéticosoportan el aparato fotosintético

(Vesículas, túbulos, tipo tilacoides)(Vesículas, túbulos, tipo tilacoides)

☁ Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.

Membrana Membrana citoplasmática de citoplasmática de E. E.

colicoli

Nutrición Nutrición

☁ Fuente deFuente de☁ energía: luz vs químicaenergía: luz vs química☁ carbono: orgánica vs inorgánicacarbono: orgánica vs inorgánica

☁ Aceptor de electrones terminalAceptor de electrones terminal

Propiedad Bacteria Eucarya Archaea

Membrana nuclear

NO SI NO

Organelos NO SI NO

Tamaño ribosoma

70S 80S 70S

Peptidoglicano en la pared

SI NO NO

Esteroles en membrana

NO (hopanoide

s)

SI SI

Lípidos de membrana

Ester unidos a glicerol

Ester unido a glicerol

Eter, ramificados

Diferencia entre la estructura celular Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya de Bacteria, Archaea y Eucarya

Ejemplo Ejemplo

☁ Coloramator indicusColoramator indicus☁ Bastón Gram positivo inmóvil no Bastón Gram positivo inmóvil no

esporulante.esporulante.☁ Quimiorganotrófico y anaerobio Quimiorganotrófico y anaerobio

obligadoobligado☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede Alcalinotrófico, termófilo que puede

fermentar una gran cantidad de fermentar una gran cantidad de carbohidratoscarbohidratos

Los microorganismos como modelo de Los microorganismos como modelo de estudioestudio

☁ Tiempo corto de generaciónTiempo corto de generación☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutosPueden reproducirse hasta cada 20 minutos☁ Buenos para estudiar mutacionesBuenos para estudiar mutaciones☁ Se pueden estudiar un gran número de células Se pueden estudiar un gran número de células

idénticasidénticas

☁ Tamaño pequeñoTamaño pequeño☁ Permite estudiar grandes poblacionesPermite estudiar grandes poblaciones

☁ Tamaño pequeño de su genomaTamaño pequeño de su genoma

☁ Diversidad nutricionalDiversidad nutricional

Clasificación por la Clasificación por la nutrición y la fuente de nutrición y la fuente de

energíaenergía

Energía

Redoxquimiótrofos

Carbono

Luzfotótrofo

s

Orgánicoquimioheterótrofos

COCO22

quimioautótrofoquimioautótrofoss

OrgánicoFotoheterótrofos

Verdes no sulfurosasPúrpuras no sulfurosas

COCO22

fotoautótrofafotoautótrofass

Aceptor final de electronesO2

Animales, protozoarios, hongos,

bacteriasNo ONo O22

OrgánicoStreptococcu

s

InorgánicoClostridiu

m

H2O No HNo H22OO

Fotosíntesis Oxigenativa

Fotosíntesis Anoxigenica

verdes y púrpuras sulfurosas