CLASE No 3Metabolismo y Nutrición Bacteriana

Características Metabólicas de la bacteria

1. Metabolismo programado para un rápido crecimiento, bastante activo2. Diversidad de estrategias para mantener energía.

Ej.: pueden ser organismos aeróbicos o anaeróbicos. Obtienen su energía ya sea de compuestos orgánicos o inorgánicos, y pueden tener agentes oxidantes distintos del oxígeno. Las bacterias aeróbicas usan O2 como aceptor de electrones, mientras que las anaeróbicas utilizan otros agentes como sulfatos, nitratos. En la fermentación no se utiliza un sistema transportador de electrones.

3. La síntesis de macromoléculas se da por medios mucho más directos.4. Los procesos de biosíntesis, como la mureína (peptidoglucano), el LPS (lipopolisacárido) y el ácido

teicóico son exclusivos de las bacterias.5. Llevan a cabo un metabolismo secundario, no indispensable para la supervivencia de las bacterias, por

medio del cual elaboran compuestos exclusivos como los antibióticos.

Unidad Bioquímica

La química de la vida es igual tanto para los organismos procarióticos como los eucarióticos. Hay procesos catabólicos a través del cual se lleva a cabo la degradación de macromoléculas para la obtención de energía, que se adquiere a través de una fuerza motriz de protones; dicha energía se utiliza para los procesos de biosíntesis. El anabolismo es la síntesis de otras macromoléculas, en donde hay consumo de energía.

Las bacterias utilizan diferentes mecanismos de transporte (transporte pasivo, difusión facilitada, choque electroquímico) para que las sustancias ingresen al interior de la célula.

Metabolismo y conversión de la energía

El ATP, energía necesaria para la supervivencia celular, se obtiene a partir de la degradación controlada de diversos sustratos orgánicos.

Catabolismo proceso de degradación de los sustratos y de su conversión en energía utilizable.Anabolismo síntesis de los componentes celulares (pared celular, proteínas, ácidos grasos, ácidos nucleicos)Metabolismo intermedio conjunto de los dos procesos anteriores.

El proceso metabólico comienza en el ambiente extracelular con la hidrólisis de grandes macromoléculas. Las moléculas de menos tamaño son transportadas a través de la membrana celular hacia el interior por medio de mecanismos de transporte (activos o pasivos) específicos para cada metabolito. Pueden utilizar:

- Transportador (carrier) específico- Proteínas de transporte de membrana

Los metabolitos se transforman en un producto intermedio universal: ÁCIDO PIRÚVICO.

Clasificación de las bacterias según su fuente de Carbono y Energía

Las necesidades nutricionales y los metabolitos producidos se usan también para la clasificación de bacterias:

a) Metabolismo quimioorganotrofo (heterótrofas – organótrofas)

Bacterias que utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y de C. Pueden ser aeróbicos (O2 como aceptor electrónico) o anaeróbicos (S, NO3, SO4 como aceptores electrónicos). Hay una fuerza motriz de protones para la síntesis de ATP, por lo tanto es necesaria la presencia de esos aceptores.

b) Metabolismo quimiolitotrofo (autótrofas)Bacterias que usan compuestos inorgánicos como fuente de energía y CO2 como fuente de carbono. Realizan sólo respiración anaeróbica, porque no hay O2 como aceptor electrónico.

c) Metabolismo fototróficoBacterias fotosintéticas. No son bacterias patógenas, porque estas no realizan fotosíntesis. Ej.: Las cianobacterias realizan fotosíntesis bacteriana donde no hay liberación de O2, lo que la diferencia de la fotosíntesis vegetal. Pueden ser:

a) Fotoheterotrofía fuente de energía son compuestos orgánicos o la luz.b) Fotoautotrofía fuente de carbono es el CO2.

Vías metabólicas utilizadas por los microorganismos para obtener energía

En cada una de ellas la forma de obtención del ATP es diferente.

1. Fotosíntesis bacterianaMuy parecida a la vegetal. Hay un flujo de electrones a través de una cadena transportadora donde la fuerza motriz de protones genera el ATP. Interviene la bacterioclorofila. Se lleva a cabo en la membrana celular.

2. FermentaciónNo ocurre flujo de electrones.

3. Respiración anaeróbicaHay flujo de electrones debido a la presencia de aceptores electrónicos.

Tanto en la fermentación como en la respiración anaeróbica, la síntesis de ATP ocurre por una fosforilación a nivel de sustrato, la cual ocurre cuando un grupo fosfato de un compuesto con alto poder de transferencia de energía pasa al ADP para generar ATP.

4. Respiración aeróbicaLa síntesis de ATP ocurre por fosforilación oxidativa. Ocurre en la membrana celular. Se fosforila el ADP para formar el ATP. Los compuestos que se oxidan son el NADH y el NADPH.

Degradación de glucosa en las bacterias. Metabolismo de la glucosa.

Las bacterias producen energía a partir de la glucosa a través de (en orden creciente de eficiencia):1. Fermentación: en ausencia de O2. Sus productos finales son compuestos de 2 y 3 átomos de carbono.2. Respiración anaerobia: en ausencia de O2

3. Respiración aerobia: convierte los 6 átomos de C de la glucosa en CO2 y H2O además de energía.

Hay 3 vías por las cuales se puede dar la degradación de la glucosa, dependiendo de la actividad metábolica particular de cada bacteria y de las necesidades energéticas de la bacteria:

a) Vía de Embden – Meyerhof – Parnas (vía glucolítica).

Ej.: cuando la bacteria tiene necesidad de ATP, y además necesita monómeros para la biosíntesis de otras moléculas.

Ocurre en condiciones tanto aerobias como anaerobias. Convierte glucosa en piruvato. Comienza con la activación de la glucosa en glucosa 6 – P. Requiere 1 ATP por mol de glucosa en la conversión de glucosa a glucosa 6 – P y en la conversión de

fructosa 6 – P a fructosa – 1,6 – DP La energía se produce de dos formas: química y electroquímica. Química: generación de ATP a partir de ADP, bajo la dirección de una cinasa, con la utilización de un grupo

fosfato de alta energía de uno de los productos intermedios de la ruta.o Fosforilación a nivel de sustrato: ocurre en dos puntos: en la conversión del 3 – fosfoglicerol – fosfato

en 3 – fosfoglicerato y en la conversión del ácido 2 – fosfoenolpirúvico en piruvato.o Se producen 4 ATP.o Se utilizan 2 ATP.o Producción neta de 2 ATP

Electroquímica: forma reducida de la nicotinamida – adenina dinucleótido (NADH) que luego se convierte en ATP en presencia de O2 y tras una serie de reacciones de oxidación.

En ausencia de O2 el principal medio de producción de energía es la fosforilación a nivel de sustrato. Fermentación: el ácido pirúvico producido por la glucólisis es convertido posteriormente en diversos

productos metabólicos.

Ciclo del ácido tricarboxílico- En presencia de O2 el ácido pirúvico puede oxidarse por completo hasta CO2 y H2O.- Comienza con una descarboxilación oxidativa donde el piruvato se convierte en acetil CoA. Esta reacción

produce NADH.- El acetil CoA se condensa con el oxalacetato para formar citrato (6 carbonos).- El citrato se convierte de nuevo en oxalacetato.- Producción teórica por cada molécula de piruvato: 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP

Cadena transportadora de electrones NADH y FADH2 generan ATP. Los electrones transportados por NADH y FADH2 pasan a través de unos pares donantes – aceptores, con la

producción final de O2 (respiración aerobia) u otro aceptor terminal – nitrato, sulfato, CO2, ión férrico – (respiración anaerobia)

La fermentación produce solamente 2 ATP por molécula de glucosa. Metabolismo aerobio puede generar 19 veces más energía (38 ATP). Respiración anaerobia utiliza moléculas inorgánicas como aceptores de electrones, lo que produce menos ATP por cada NADH.

b) Vía de Entner – Douderoff

c) Vía hexosa monofosfato de Warburg – Dickins (vía de las pentosas fosfato)

Ej.: La bacteria necesita nucleótidos o NADPH Proporciona precursores y poder reductor en forma de NADPH, para la biosíntesis. Primera mitad glucosa se transforma en ribulosa 5 – P (consumo de 1 ATP y generación de 2 NADPH) Segunda mitad ribulosa 5 – P se transforma en ribosa 5 – P (precursor en la síntesis de nucleótidos) o

puede convertirse a xilulosa 5 – P. Enzimas utilizadas: transcetolasas y transaldolasas

Generación de diversos tipos de azúcares que pueden ser precursores en la biosíntesis o desviarse de nuevo a la glucólisis.

Fermentación

Se realiza en el citoplasma. No hay flujo de electrones. La glucosa se degrada hasta ácido pirúvico que luego se degrada hasta ciertos compuestos dependiendo del tipo de bacteria.

1- Estreptococos, lacto bacilos, bacilos ácido láctico (fermentación láctica)2- Levadura (hongo) etanol y CO2

3- Propionibacteria ácido propiónico, ácido acético, CO2 y H2O4- Clostridium ácido butírico, butanol, acetona, alcohol isopropílico, CO2

5- Escherichia, Salmonella etanol, ácido láctico, ácido succínico, ácido acético, CO2 y H2O6- Enterobacter etanol, ácido láctico, ácido fórmico, butanodiol, acetoína, CO2 y H2O

Fermentación ácida mixta: producen 4 veces más productos ácidos que neutros, acidificando los medios de incubación, generalmente el pH cae hasta 4.5. Ej.: Escherichia coli. Este tipo de fermentación es la base de la prueba de rojo de metilo donde el color indicador pasa de amarillo a rojo (positiva)Productos típicos (en moles):Ácido 4:1 NeutroCO2 1:1 H2

Fermentación butanodiólica: La bacteria produce acetoína. Es detectada por la prueba de Voges Proskauer, la cual detecta la presencia o síntesis de acetil metil carbinol (acetoína); la prueba positiva se detecta por la formación color rojo. Ej.: Enterobacter.Productos típicos (en moles):Ácido 1:6 NeutroCO2 5:1 H2

Respiración anaeróbica

- Utiliza aceptores de electrones diferentes al O2. Ej.: NO3, Fe+3, sulfatos, carbonatos, etc.- Respiran en un ambiente sin O2.- Utilizan sistemas de transporte de electrones como citocromos, quinonas.- Se lleva a cabo en la membrana celular, y en el citoplasma en el caso de la glucólisis.

Respiración aeróbica

Hay una cadena transportadora de electrones donde el aceptor es el O2. Se lleva a cabo en la membrana celular, y en el citoplasma en el caso de la glucólisis.

Diferencias metabólicas con los hongos y parásitos

- HongosLa mayoría son aerobios. Metabolismo quimioheterótrofo. Obtienen su energía y el carbono de compuestos orgánicos (eucariotas). Los nutrientes complejos son absorbidos, ya que los hongos no pueden sintetizar sus nutrientes. Secretan enzimas que degradan el sustrato del medio exterior para ser incorporado al organismo por medio de absorción. El modo habitual de obtener energía es la respiración aeróbica (la mayoría son aeróbicos estrictos). Puede haber algunos anaerobios, y escasos fermentadores.

- ParásitosGrandes diferencias de hábitat. Metabolismo variado. Los parásitos intestinales son aerobios. La energía la obtienen a partir de la fermentación. Los parásitos tisulares y hemáticos son aerobios y presentan actividad oxidativa para la obtención de energía.

Factores que intervienen en el desarrollo y crecimiento de microorganismos (temperatura, pH, concentración de sales, oxígeno, disponibilidad de nutrientes)

Las bacterias necesitan de factores físicos para su desarrollo y crecimiento.

Grupos de microorganismos de acuerdo a la temperatura

Bacterias necesitan de una temperatura óptima para crecer y desarrollarse.1) Psicrófilas 4 ºC, se encuentran en ríos, lagos, mares, regiones polares; 0 ºC – 10 ó 15 ºC; Ej.:

Polaromonas vacuolata2) Mesófilas 37 ºC; ríos, aguas calientes; bacterias “patógenas” se encuentran en animales de sangre

caliente; Ej.: Escherichia coli3) Termófilas 60 ºC; Ej.: Bacilus stearothermophilus4) Hipertermófilas 88 ºC; Ej.: Thermococcus celer5) Hipertermófilas 106ºC; bacterias adaptadas a erupciones volcánicas; Ej.: Pyrolobus fumarii

Preferencias por el pH de algunas bacterias

Acidófilas : pH <7 Neutrófilas : pH=7 patógenas Alcalófilas : pH>7

Concentraciones de sales

Halófilos requieren altas concentraciones de sal para crecer. Ej.: Archeobacterias Halotolerantes no requieren sal para crecer pero pueden crecer en su presencia.

Clasificación de los microorganismos de acuerdo a las necesidades de oxígeno

Aerobias estrictas requieren presencia de O2 molecular para su crecimiento (Ej. Mycobacterium tuberculosis).

Anaerobias estrictas no pueden crecer en presencia de O2 (Ej. Clostridium perfringens) Facultativas crecen en presencia o ausencia de O2

o Aerobia facultativao Anaerobia facultativa

Microaerofilicas crecen con mínimas concentraciones de O2

Anaerobios aerotolerantes

Enzimas que destruyen especies tóxicas del oxígeno

Las bacterias aerobias producen las enzimas superóxido dismutasa y catalasa, que detoxifican el peróxido de hidrógeno y los radicales superóxido (productos tóxicos del metabolismo aerobio).

Cuando una bacteria usa oxígeno, produce compuestos tóxicos que pueden dañar a la célula. Por ello hay enzimas que neutralizan estos compuestos, entre las que se encuentran:

a) Catalasa transforma el peróxido de hidrógeno en agua y oxígenob) Peroxidasa utiliza NADH para neutralizar el efecto del peróxido de hidrógeno.

Catalasas y peroxidasas contienen porfirinas.c) Superóxido dismutasa neutraliza el anión superóxido. Contiene metales, fundamentalmente cobre y

zinc, manganeso o hierro.d) Superóxido dismutasa/catalasa en combinación e) Superóxido reductasa cataliza la reducción de anión superóxido a H2O utilizando citocromo c

reducido como donador de electrones.

Curva de crecimiento

Crecimiento bacteriano: aumento del número de células microbianas en una población (incremento de la masa celular)

Generación de células: intervalo para la formación de dos células a partir de una. Duplicación de una bacteria.

Tiempo de generación: intervalo que transcurre desde que se forman dos células a partir de una. También se conoce como “tiempo de duplicación”.

Tanto el número de células como la masa celular se duplican durante cada generación. Hay tiempos de generación variados: 1 – 3 horas, 10 min, días.

Curva de crecimiento y muerte bacteriana. Dinámica poblacional.

Cuando se inocula una bacteria en un sistema cerrado o en un cultivo, las bacterias pasan por las siguientes 4 fases:

1. Fase de latencia o rezago la bacteria no empieza a crecer de inmediato, debe adaptarse al medio de cultivo, es un período de ajuste metabólico. Tiempo de adaptación a un nuevo ambiente de cultivo.Ej.: Se inocula una bacteria en fase exponencial, por lo tanto tendrá una fase de latencia corta, ya que ha comenzado a crecer, tiene sintetizados muchos de sus nutrientes, metabolitos, etc.Ej.: Se inocula una bacteria en fase estacionaria, tendrá una fase de latencia larga.

2. Fase exponencial o logarítmica Hay aumento del número de bacterias, aumenta la masa. Se están multiplicando activamente. Sintetizan enzimas, electrolitos, etc. Bacterias se dividen y duplican su población a intervalos regulares hasta alcanzar el máximo nivel posible según el tipo de medio y las condiciones imperantes. El número de bacterias aumenta a razón de 2n (“n” número de generaciones, “2” duplicación del número de bacterias)

3. Fase estacionaria Se da porque un nutriente esencial para el crecimiento de la bacteria comienza a escasear (ya no hay reserva de energía), o se acumulan productos tóxicos del metabolismo de la bacteria.

4. Fase de declinación o muerte

Muerte bacteriana pérdida irreversible de la capacidad de dividirse (multiplicarse)

Nutrición. Disponibilidad de Nutrientes.

Macronutrientes C, H, O, N, P, S, K, Mg, Ca, Na, Fe. Forman parte de todas las macromoléculas biológicas.

Micronutrintes Co, Cu, Zn, Mo Factores de crecimiento vitaminas, purinas, aminoácidos

MACRONUTRIENTESELEMENTO FUENTE FUNCIÓNC Compuestos órganicos, CO2,

NaftalenoPrincipal componente del material celular

N NH4, NO3, NO2 Componente de proteínas y ácidos nucléicosS SO4, H2S, compuestos con

azufre orgánicoComponente de aminiácidos azufrados, CoA, biotina

P HPO4 Componente de ácidos nucléicos, fosfolípidos, nucleótidos

Mg Mg Cofactor enzimas, pared celular, membrana y ribosomas

Ca Ca Componente de exoenzimas, pared celular, endosporas

Fe Fe Citocromos, ferredoxina, proteínas

FACTORES DE CRECIMIENTO: VITAMINASVitamina Función

Ácido p-aminobenzóico Precursor del ácido fólicoÁcido fólico Metabolismo de compuestos de un carbono,

transferencia de grupos metiloBiotina Biosíntesis de ácidos grasos; β-

descarboxilaciones, algunas reacciones de fijación de CO2

Cobalamina (B12) Reducción y transferencia de restos monocarbonados; síntesis de desoxirribosa

Ácido lipóico Transferencia de grupos acilo en la descarboxilación del piruvato y α- cetoglutarato

Ácido nicotínico (niacina) Precursor del NAD+; transferencia de electrones en reacciones de oxido-reducción

Ácido pantoténico Precursor de la coenzima A; activación del acetilo y derivados acilados

Riboflavina Precursor del FMN, FAD en flavoproteínas implicadas en el transporte de electrones

Tiamina (B1) α-descarboxilaciones, transcetolasaVitamina B6 (grupo piridoxal – piridoxamina) Transformaciones de aminoácidos y cetoácidosGrupo vitamina K; quinonas Transporte de electrones; síntesis de

esfingolípidosHidroxamatos Compuestos que unen hierro; solubilización y

transporte del hierro al interior celular

Necesidades metabólicas

Las necesidades mínimas para el crecimiento bacteriano son:1) Una fuente de carbono y nitrógeno2) Una fuente de energía3) Agua4) Diversos iones.

Los elementos esenciales son: Los componentes de las proteínas, lípidos y ácidos nucléicos (C, O, N , H, S, P) Iones importantes (K, Na, Mg, Ca, Cl) Componentes de las enzimas ( Fe, Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni)

El hierro es tan importante que muchas bacterias secretan proteínas especiales (sideróforos) para concentrarlo a partir de soluciones diluidas.

El O2 constituye una sustancia tóxica para muchas bacterias.

Medios de cultivo

Solución acuosa o en estado de gel en el que están presentes todas las sustancias necesarias para el crecimiento bacteriano. Son soluciones nutritivas que se usan para cultivo de bacterias en el laboratorio. Hay medios líquidos, sólidos, semisólidos.

Un medio de cultivo líquido se le conoce como “caldo”, y en este medio, el crecimiento se detecta por turbidez.

Cuando una bacteria se inocula en un medio de cultivo sólido, se separa por un método que se llama por estrías para tener colonias aisladas de la bacteria. El crecimiento se detecta por la formación de colonias.

Características de los medios de cultivo:- Medio nutritivo básico: peptona, extracto de carne, dependiendo de la particularidad o exigencia de

cada bacteria.A partir de este medio nutritivo básico se agregan otros componentes para hacer diferentes medios (enriquecidos, selectivos, etc.):

- Solidificarse agar (agente solidificante del medio de cultivo)- Enriquecerse suero, líquido ascítico, sangre y otros factores de crecimiento, para bacterias

exigentes.- Propiedades fermentadoras azúcar, indicador ácido – base- Capacidad de la bacteria de reducir nitritos a nitratos o formar indol se le agrega nitrato, triptófano- Selectivos inhibidores específicos para el crecimiento de algunos microorganismos y elimine otros.

Por su consistencia los medios de cultivo pueden ser: Líquidos

o Nutritivos Crecimiento rápido; todo tipo de bacteria Caldo tripticasa soya Caldo infusión cerebro corazón

o Enriquecimiento aumentar crecimiento de ciertas especies; inhibir microorganismos no deseados

Caldo tioglicolato Caldo selenito

Sólidoso Agar

Agar tripticasa soyao Huevos (de amor) enteros de gallina

Lowenstein Jensen para cultivo de micobacteria tuberculosis Semisólidos

Por su composición, pueden ser: Simples

o Agar con un nutriente Agar tripticasa soya

Enriquecidoo Suero

Suero coagulado de Loffler Orgánicos complejos

o Base, huevos, indicadores, inhibidores, sales, aminoácidos, asparagina Lowenstein Jensen

Otros ejemplos: empíricos, sintéticos, semisintéticos

Por su uso, pueden ser: Aislamiento primario

o No selectivos Agar 5% de sangre carnero

o Selectivos y diferenciales inhibe grampositivas, separan fermentan lactosas y las que no¿? Agar Mac Conkey: Es selectivo porque sólo permite el crecimiento de gram negativas e

inhibe el crecimiento de gram positivas. Es diferencial porque diferencia las bacterias que fermentan o no la lactosa.

Agar eosina Azul de metileno

Enriquecidos Aseguran el crecimiento, bacterias patógenas difíciles Agar sangre Agar chocolate

Resiembra Para obtener cultivo puro Agar tripticasa soya

Diferenciales Lectura de actividad bioquímica Indol, rojo de metilo, urea, TSI

Mantenimiento de cepas Controles investigación Agar tripticasa cistina