Microbiología Medica-semana1 (1)
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MICROBIOLOGÍA Msc. (c) Maribel Denise Riveros Ramirez Microbióloga Invest. asociado de la UPCH Instituto de Medicina Tropical Alexander von Humboltd
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MICROBIOLOGÍA
Msc. (c) Maribel Denise Riveros Ramirez
Microbióloga
Invest. asociado de la UPCH
Instituto de Medicina Tropical Alexander von Humboltd
¿Qué es la microbiología?
• Estudio de los organismos microscópicos • 3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios (vida) y
logos (ciencia)
estudio de la vida microscópica
• Surgió como ciencia tras el descubrimiento y
perfeccionamiento del microscopio.
¿Qué son los microorganismos? • Organismos que no pueden ser observados a
simple vista, al menos en parte de su ciclo.
• Organismos que viven como células aisladas o entidades que contienen ácidos nucleicos capaces de replicarse, por lo menos en parte de su ciclo.
• Incluidos: algas, hongos, protozoarios, bacterias y virus.
¿Cómo afectan nuestra vida?
• causantes de enfermedades y expuestos a un contagio.
• Afectan aspecto económico (enfermedades a los animales y a las plantas dañando las cosechas y las clases de ganados y otros animales domésticos que sirven como fuente de alimento.
¿Cómo afectan nuestra vida?
• M.O. de utilidad industrial: más de cien especies microbianas son usadas en la producción de sustancias que no pueden ser obtenidas de forma más fácil o más barata por otros medios.
• Ventajas: tamaño, alta tasa metabólica, posibilidad de cultivarse a gran escala, estabilidad genética, etc.
¿Cómo afectan nuestra vida? • M.O. en la producción de alimentos:
– yogures y quesos (Roquefort, Brie, etc.)
• Biotecnología – alcohol producido por levaduras – ácido oxálico utilizado en tintes y colorantes. – ácido propenoico (ácido acrílico) utilizado
como intermediario en la producción de plásticos.
– ácido láctico empleado para acidificar alimentos y como anticongelante.
– ácido acético – enzimas utilizadas para aplicaciones tan
diversas, como la eliminación de manchas en los tejidos (incorporación de enzimas a detergentes)
– conversión de harina de maíz en miel utilizada como endulcorante
– Industria farmacéutica: producción de antibióticos, drogas, hormonas (insulina y GH), factores de crecimiento, interferón, eritropoyetina, etc.
Epidemias
• Descritas a lo largo de toda la historia de la humanidad.
• Atribuidas en la antigüedad a hechizos o magia.
• SIN EXPLICACIÓN HASTA EL SIGLO XVII.
1.Generación espontánea La vida surge a partir de la no vida. idea que perduró hasta finales del siglo XIX, la vida podía surgir del lodo, del Agua, del mar o de las combinaciones de los cuatro elementos fundamentales: aire, fuego, agua, y tierra.
Jean-Baptiste de Lamarck publica en 1809 su célebre Filosofía zoológica y coloca a la generación espontánea como el punto de partida de la evolución biológica. Algunas recetas de la Generación espontánea. Biblia: El hombre surge a partir del barro (tierra y agua). Aristóteles (s. IV A.D.C.): Los animales pueden originarse en el suelo. Virgilio (s. II A.D.C): Las abejas se originan a partir de la miel.
Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)
• Pionero en descubrimientos sobre los protozoos, los glóbulos rojos de la
sangre, el sistema de capilares y los ciclos vitales de los insectos. • Construyó como entretenimiento diminutas lentes biconvexas montadas
sobre platinas de latón, que se sostenían muy cerca del ojo. A través de ellos podía observar objetos, que montaba sobre la cabeza de un alfiler, ampliándolos hasta trescientas veces.
• Otros: red de capilares (de Malpighi), glóbulos rojos, protozoos y bacterias en agua “animáculos” y espermatozoides de insectos y humanos.
• Demostró los huevos de gorgojos, pulgas y mejillones y que estos no surgían espontáneamente a partir de granos de trigo y arena.
• Describió el ciclo vital de las hormigas mostrando que las larvas y pupas proceden de huevos, examinó plantas y tejidos musculares, y describió tres tipos de bacterias: bacilos, cocos y espirilos.
• Mantuvo en secreto el arte de construir sus lentes, por lo que no se realizaron nuevas observaciones de bacterias hasta que se desarrolló el microscopio compuesto en el siglo XIX.
Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)
Sus primeros dibujos fueron publicados en 1684
http://www.youtube.com/watch?v=GBIw1qAOBjA
Robert Hooke (1635-1702)
Lazzaro Spallanzani (1729-1799)
Louis Pasteur (1822-1895)
• Químico y biólogo francés que fundó la ciencia de la microbiología.
• fermentación del vino y la cerveza
• introdujo los términos de aeróbico y anaeróbico,
• demostró la teoría de los gérmenes como causantes de las mismas.
• Introdujo el término “virus” sin hacer distinción y “vacuna” en honor a Jenner
• Desarrolló vacunas que consiguieron salvar miles de vidas: cólera aviar, antrax y rabia
”los seres vivos se forman solamente a
partir de seres vivos” .
Uno de los trabajos más recordados, con
microbios, es el del químico Louis
Pasteur. En los años 60 del siglo pasado,
los resultados de Pasteur se abrieron
paso con dificultad en medio de
creencias milenarias. Los acompañaba
una idea igualmente reciente y
provocativa, la del biólogo Charles
Darwin, quien aseguraba que la vida,
como la conocemos, es la consecuencia
de un lento proceso evolutivo regido por
la selección
natural.
Robert Koch (1843-1910) • Iniciador de la bacteriología médica moderna. Estudió
botánica, física y matemáticas y MEDICINA. • Otros intereses: arqueología, antropología, las enfermedades
ocupacionales, como el envenenamiento por plomo, y la bacteriología.
Robert Koch (1843-1910) • Demostró que el carbunco infeccioso o ántrax
sólo se desarrollaba en los ratones cuando el material inyectado en su torrente sanguíneo contenía bastones o esporas viables del Bacillus anthracis.
• Mostró cómo trabajar con dichos microorganismos, cómo obtenerlos a partir de animales infectados, cómo cultivarlos artificialmente y cómo destruirlos.
• En 1881 dio a conocer sus estudios sobre la tuberculosis y al año siguiente anunció que había aislado el bacilo responsable de la enfermedad.
• Después se dedicó al estudio del cólera, que en 1883 había alcanzado niveles de epidemia en la India. Identificó al bacilo causante y descubrió que era transmitido a los seres humanos sobre todo a través del agua.
• Más tarde viajó a África, donde estudió las causas de las enfermedades transmitidas por insectos.
• Desde 1891 fue director del Instituto de Enfermedades Infecciosas de Berlín creado para la investigación médica hasta su jubilación en 1904.
• En 1905 obtuvo el Premio Nobel de Fisiología y Medicina. Murió el 27 de mayo de 1910 en el balneario alemán de Baden-Baden.
Postulados de Koch
Otros eventos importantes del siglo XIX
• 1878: Joseph Lister publica sus estudios sobre la fermentación de la leche Bacterium lactis
• 1879: Albert Neisser identifica al agente causal de la gonorrea
• 1880: Alphonse Laverin encuentra al parásito de la malaria en glóbulos rojos.
• 1881: Paul Erlich utiliza el azul de metileno
Siglo XX • Aerobiosis y anaerobiosis • En 1938 se observaron por primera vez los virus
gracias a la invención del microscopio electrónico.
• En las décadas de 1960 y 1970 se descubrieron numerosos virus y se determinaron sus características físicas y químicas.
• Diversas técnicas innovadoras: microscopio electrónico de barrido o las técnicas de secuenciación del ácido desoxirribonucleico (ADN).
• Descubrimiento de los priones por Stanley Prusiner y su equipo en 1982 ha abierto una vía de estudio dentro de la microbiología (simples proteínas desprovistas de material genético)
• En 1988 Kary Mullis utiliza la enzima de Thermus aquaticus para estabilizar la PCR (premio Nobel en 1993)
Alexander Fleming (1881-1955)
• Descubrió que algunas colonias crecidas de S. aureus eran destruidas por el crecimiento del hongo Penicillium
• Realizó la extracción del compuesto activo: penicilina
Karl Woese (1928-
Por análisis de rARN 16S
Ramas de la Microbiología
Microbiología Medica
DEFINICIÓN • Es el estudio de las interacciones
entre los humanos y los microorganismos con los que coexisten.
• Los microorganismos son clasificados de acuerdo a la naturaleza de su interacción en un espectro que va desde los beneficiosos hasta los dañinos.
CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS
• Comensales
Colonizan el cuerpo sin causar daño
Microbiota o flora microbiana normal
• Patógenos
Producen daño en el huésped humano
Invasión directa e injuria
Por la producción de una toxina
• Patógenos oportunistas
INTERACCIÓN HUÉSPED – PARÁSITO
• Defensas del huésped e inmunidad natural
Sistema multifactorial de mecanismos protectivos
Evitan la entrada y limitan la diseminación
Trauma físico directo, medicamentos y toxinas.
• Virulencia microbiana Habilidad intrínseca relativa de un
microorganismo de causar enfermedad.
CLASES DE MICROORGANISMOS PATOGENOS
Por su posibilidad de cultivarse • No exigentes • Exigentes • Parásitos intracelulares obligados Tipo • Priones • Virus • Bacterias • Hongos • Parásitos
Estructura de la célula Procariótica y Eucariótica
Dominio Archae
• Las arqueas o arqueobacterias • Procariontes con organización
interna más sencilla. • Habitan ambientes extremos : • - Ambientes sin oxígeno • - Agua con sales concentradas. • - Agua ácida y caliente. • 3.500 millones de años
antigüedad • Características rna: separación
del reino monera y la creación de archae.
Dominio Bacteria o Eubacterias
• Según la forma de alimentación:
- Heterótrofos
- Autotrófos fotosintéticos
- Autótrofos quimiosintéticos
• Según requerimiento de Oxigeno:
• - Aerobios: desarrollan en presencia de O2
• - Anaerobios: desarrollan en presencia de CO2
• - Microerófilos:Requieren pequeñas cant de O2
Diferencias PROCARIOTAS(Eubacterias y
archaebacterias)
• Información genética esta libre en el citoplasma
• Pared celular, químicamente compleja (peptidoglicano)
• No organelas membranosas pero si RIBOSOMAS pequeños 70s
• Locomoción con flagelos (flajelina) y presencia de filamentos axiales
EUBACTERIAS (todas las otras células)
• Información genética en un núcleo rodeado de membrana DNA asociado con proteínas (Histonas)
• Pared celular en plantas (celulosa) y hongos (quitina) pero ausente en células animales
• Organelas membranosas, mitocondrias y cloroplastos
• Ribosomas 80s
• Locomoción con flagelos (microtubulos,t ubulina y dineina) motilidad contráctil, basado en actina y miosina.
Estructura de una Célula Procariota
• Procariota (Bacteria) • 0.2 – 2.0 μm de
diámetro • Mo unicelulares • Ausencia de
organelos con membrana o unidades citoplasmáticas funcionales ejm: centriolos
Procariota: Cápsula
• Una cápsula gelatinosa, o glicocálix, formado a partir de polisacáridos, polipéptidos o ambos, rodea una pared celular. Bacterias móviles tienen un flagelo
Procariota: Pili
• Pili. Proyecciones que asisten en la adhesión de dos bacterias para el intercambio genético.
http://www.youtube.com/watch?v=-6PMZZMpVFo
Procariota: ADN
• El ADN bacteriano se encuentra en 2 lugares:
• cromosoma circular el cual puede estar unido
• a la membrana celular
• plásmido circular el cual es un ADN mucho
• más pequeño y libre.
Procariota: Ribosomas
• Ribosomas y los gránulos de inclusión se encuentran en todo el citoplasma.
Estructura de la Bacteria
• Dos componentes:
–Arreglo
–Forma
Forma
• Bacilo: bacillus
• Esferas: coccus
• Espiral: spirillum
Arreglo
• En parejas: diplo
• Formando grupos como racimo: staphylo
• Cadenas: strepto
Ejemplos
• Streptococcus: Cadena de esferas o cocos
• Staphylococcus: Racimo de esferas o cocos
• Lactobacillus:Cadenas de bacilos
Otras formas
• Cocos – Cadena = Streptoccus – Racimo = Staphylococcus • Bacilos – Cadena = Streptobacillus • Coccobacillus • Vibrio = curvos • Espirilos • Espiroquetas
Componentes de la bacteria
• Flagelo • Pili o pelo • Capsula • Membrana plasmática • Citoplasma • Pared celular • Lipopolisacáridos • Ácidos teicoicos • Inclusiones • Esporas
Envoltura celular Cubierta externa del citoplasma • Compuesto de 2 capas: – Pared celular y membrana celular • Mantiene la integridad celular Divide a las bacterias en 2 grupos =
Tinción Gram – Gram-positivos: Pared celular
gruesa compuesta de peptidoglicanos y membrana
celular – Gram-negativos: Membrana
celular externa, capa de peptidoglicanos delgado, y membrana
celular.
Pared celular
• Determina la forma de la bacteria
• Su resistencia previene ruptura por presión osmótica
• Presente sólo en bacterias
• Algunos antibióticos lo afectan directamente. Ejm: Penicilina
Estructura: Pared celular
• Polímero de peptido-glycano (amino acidos +
azúcares) • Azúcares: – N-acetilglucosamina (NAG) – Ácido N-acetilmuramico
(NAM) • Aminoácido en forma D no en
forma L • Aminoácidos se entre cruzan
con NAG & NAM
Formación de la pared celular de Gram positivos por unión de cinco glicinas entre las unidades de
peptidoglicano
Ácidos teicoicos
• Presente sólo en Gram positivos
• Glicerol, fosfatos y ribitol
• Sitio de unión de fagos
Lipopolisacárido (LPS) • Endotoxina
– Causante de fiebre
– Nomenclatura de la toxina
Endo- parte of bacteria
Exo- excretado en el medio externo
• Estructura
– Lipido A
– Polisacárido
Antígeno O de E. coli y Salmonella
• Sólo en Gram negativas
– Puede ser removido con alcohol/acetone
LPS • Funciones
– Tóxico; causa muerte en ratones, cerdos y humanos
G- septicemia; muerte debido a LPS
– Pyrogeno; causa fiebre • Vacunación. Siempre causa fiebre – Adyuvante; estimula inmunidad • Resistente al calor • Característica de las colonias – Mucoide = Cremoso (bastante
LPS) – Seco = Rugoso (poco LPS)
Paredes celulares atípicas
• Algunas bacterias carecen de la estructura típica de la pared celular ejm. Mycobacterium y Nocardia
– Gram-positivos con lípidos (ácidos micólicos)
• Patogenicidad y alto grado de resistancia a
ciertos químicos y colorantes. • Base de la coloración ácido resistente
usado para el diagnóstico de estos
microorganismos. • Algunas bacterias no tienen pared
celular ejm. Mycoplasma – La pared celular estabilizada por
esteroles
Pared Celular de las micobacterias • Factor Cordón
• Acidos Micolicos
• (Ac graso beta-hidroxilo)
• Arabino Galactano
• Peptidoglicano
• Membranacitoplasmática
COLORACIÓN DE ZIELH NELLSEN B.A.A.R.
• Fijar la muestra.
• Agregar fucsina básica.
• Calentar la lamina y colorante hasta tres veces, observar la presencia de humo.
• Lavar con agua de caño.
• Agregar azul de metileno 1 min
• Lavar con agua destilada
Flagelo bacteriano • Los flagelos bacterianos son
simples pero son motores poderosos - Motilidad
• Movimiento rotacional de 360 grados.
• Partes:
- Filamento. Largo, delgado, estruct helicoidal
• compuesto de la proteína flagelina.
- Gancho. Vaina curveada
- Cuerpo basal. Anillos superpuestos fijos en la pared celular.
• Bacterias sin flagelo: “Movimiento Browniano”
Flagelo - Función • Guía a la bacteria en una
dirección en respuesta a un estímulo externo:
- Estímulo químico – quimiotaxis; positivo y negativo
- Estímulo de luz – fototaxis • Genera movimiento
horarios y antihorarios: - Antihorario – resulta en un
movimiento linear suave –corren
- Horario - tumbos
Flagelo bacteriano
http://www.youtube.com/watch?v=Jno9DqbVDdY
Quimiotaxis
Movimiento dirigido hacia atrayentes químicos y lejos de repelentes químicos Sistema molecular sensorial Más de 30 genes en el operón; codifican receptores, comunicadores, transductores, reguladores de tambor, y motores Conseguido por paseos aleatorios sesgados Mecanismo de acción Paseos al azar se logran a partir de alteraciones en la frecuencia de volteo
Fimbria
• Pelos finos de proteína que salen de la superficie celular
• Función: Adhesión a otras células y superficies
Pili • Estructura tubular rígida compuesta de la
proteína pilin
• Sólo en células Gram negativas
• Función: Unión de bacterias para la transferencia de DNA (conjugación)
Glicocalix
• Moléculas que recubren la parte externa de la pared celular, compuesto de azúcares y/o proteínas
• Dos tipos: 1. Capa mucosa – poco
organizado 2. Cápsula – altamente
organizada • Funciones: – Proteger a la célula de
deshidratación y falta de nutrientes – Evita la fagocitosis de los glóbulos
blancos contribuyendo a la patogenicidad
– Unión – formación de biofilms
Biofilm
Cápsula Material compacto alrededor
de la célula
• Algunas bacterias segregan materiales mucosos: polisacáridos, polipéptidos y complejos de polisacáridos y proteínas (glucocálix)
• Capa mucosa: si el material es laxo, de modo que forma solo una capa difusa.
Las bacterias se comunican
Sistemas de quorum sensing en bacterias
Quorum sensing • mecanismos de
cooperatividad entre microorganismos
• desarrollan un comportamiento “multicelular” que les suponga una ventaja selectiva
• “El mecanismo bacteriano de comunicación intercelular que controla la expresión génica en función de la densidad celular”.
• Regulación de la inducción de la patogenicidad mediante quorum sensing en la bacteria simbionte del ser humano S. aureus.
Crecimiento, Nutrición y Metabolismo Bacteriano
NUTRICION
CRECIMIENTO
METABOLISMO
Introducción
• ¿Qué utilidad tiene conocer las condiciones que un microorganismos requiere para crecer?
# Obtenerlo en el laboratorio Cultivo
# Combatirlo o evitar su proliferación
Nutrición Microbiana
• La nutrición es el proceso por el que los microorganismos toman del medio donde habitan las sustancias químicas que necesitan para crecer
• Dichas sustancias se denominan nutrientes
• Los nutrientes se requieren para: – energía – biosíntesis
Nutrientes: Dependiendo de las cantidades que se requieran se habla de macronutrientes y micronutrientes. Existen diferencias en cuanto a los requerimientos nutricionales de cada microorganismo. • MACRO
– Carbono. – Nitrogeno. – Fosforo. – Azufre – Potasio – Magnesio – Sodio – Calcio – Hierro
• MICRO – Cromo – Cobalto – Cobre – Manganeso – Molibdeno – Niquel – Selenio – Tungsteno – Vanadio y Zinc.
Factores de crecimiento
• Se requieren en muy pocas cantidades y solo por algunas células: – Vitaminas,
– Aminoácidos,
– purinas y
– pirimidinas.
La mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizarlos.
Tipos Nutricionales Desde el punto de vista biosintético: • Organotrofas: requieren compuestos orgánicos
(hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes...).
• Litotrofas: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH2 S0, NH3, NO2-, Fe, etc.). • Mixotrofas: son aquellas bacterias con metabolismo energético litotrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético.
Según la fuente de carbono que utilizan:
• autótrofos, fuente de carbono = CO2
• heterótrofos fuente de carbono = materia orgánica.
Según la fuente de energía:
• Fototrofos, fuente de energía = la luz,
• Quimiotrofos, fuente de energía = un compuesto químico que se oxida.
Tipos Nutricionales
Tipo Fuente de
energía
Fuente de
carbono
Ejemplos
Fotoautotrofas Luz CO2 Algas y
cianobacterias
Fotoheterotrofas Luz Compuestos
orgánicos
Algas y bacterias
fotosintéticas
Quimioautotrofas o
Litotrofas
Química Compuesto
inorgánicos: H2,
NH3, NO2, H2S,
CO2
Pocas bacterias
Quimioheterotrofas o
Heterotrofas
Química Compuesto
orgánicos: glucosa
La mayoría de
bacterias
Diversidad metabólica de los microorganismos
El mundo microbiano es de una sorprendente diversidad metabólica.
Algunos metabolismos solo han evolucionado en procariotas. Ejemplos:
– En heterotrofos: desde metilotrofos (usan metano o metanol) hasta los versátiles Pseudomonas, que usan más de 100 tipos de C orgánico, incluyendo hidrocarburos alifáticos y cíclicos
– Los quimiolitoautotrofos crecen en oscuridad en medios a base solamente de sales minerales
– La fijación de N2 solo ha evolucionado en procariotas
Clases de nutrientes
Universales (los requeridos en esta forma por todos los procariotas): H2O, CO2, fosfatos y sales minerales
Particulares: elementos que se pueden captar de diferentes maneras, según especies: N y S.
Especiales: los microorganismos pueden tener necesidades especiales. Ej:
– Las diatomeas necesitan ácido silícico
– Las bacterias halófilas requieren grandes cantidades de Na (mares)
Factores de crecimiento
El Carbono
El C es necesario para construir el esqueleto de todas las moléculas orgánicas
• Autótrofos: pueden usar CO2 como única fuente de C
• Heterótrofos: emplean moléculas orgánicas preformadas y reducidas como fuente de C
Los microorganismos tienen gran flexibilidad con respecto a la fuente de C
Fijación del CO2
• La reducción o incorporación del CO2 requiere una gran cantidad de energía.
• Casi todos los autótrofos microbianos incorporan CO2 mediante el Ciclo de Calvin. Tiene lugar en los cloroplastos (eucariotas) o carboxisomas (procariotas).
• La formación de glucosa a partir de CO2 puede resumirse:
6CO2 + 18 ATP +12NADPH + 12H+ + 12H2O glucosa + 18(ADP+Pi) + 12NADP+
• Los azúcares formados pueden usarse para sintetizar otras moléculas esenciales
El CO2
El CO2 es requerido por todo tipo de bacterias. Los autotrofos lo requieren como fuente de C, y lo
reducen usando como fuente de energía ○ sustancias químicas : quimioautotrofos ○ la luz: fotoautotrofos
Las arqueas metanogénicas lo pueden usar como aceptor final de electrones en la respiración, produciendo CH4. Además, algunas lo usan también como fuente de C
Los heterotrofos necesitan pequeñas cantidades de CO2
para sus carboxilaciones en rutas metabólicas
El CO2
El origen del CO2 puede ser:
Endógeno: procedente de descarboxilaciones que ocurren
al degradar la fuente orgánica de carbono
Exógeno: el CO2 de la atmósfera o disuelto en las
soluciones acuosas
Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO2
atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias (Neisseria,
Brucella), cuando se aislan por primera vez, requieren
atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO2. (capnofilia o
microaerofilia)
Fosfatos
El P suele requerirse en forma de fosfatos Bacterias que usan fosfatos orgánicos poseen fosfatasas
extracelulares (secretadas) en Gram-positivas, periplásmicas en Gram-negativas
Fosfatos inorgánicos Las bacterias que usan fosfatos orgánicos no dependen de ellos, ya que también pueden usar fosfatos inorgánicos
El fósforo se usa principalmente para la síntesis de los ácidos núcleicos y los fosfolípidos, pero aparece también en coenzimas y en proteínas.
Sales minerales: cationes
Ion Potasio K+ en activación de enzimas asociado con Ac. teicoicos de Gram+
Ion Magnesio Mg2+
estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos cofactor en reacciones con ATP en clorofilas y bacterioclorofilas
Ion Calcio Ca2+
cofactor de enzimas como proteinasas
El Hierro como ion Fe2+ en citocromos, FeS-proteínas cofactor en enzimas
Oligoelementos o micronutrientes
Mn2+ (cofactor de ciertas enzimas)
Co2+ (vitamina B12)
Zn2+ (estabiliza ADN-polimerasas y ARN-polimerasas)
Ni (en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H2)
Nitrógeno y azufre
Los elementos N y S son
requeridos por todos los seres
vivos, se encuentran en la célula
en estado reducido:
El -NH2 forma parte de los
aminoácidos y de las bases
nitrogenadas
El radical –SH interviene en
aminoácidos y coenzimas
Factores de crecimiento
• Son moléculas orgánicas, componentes celulares esenciales, que no
pueden ser sintetizados por el microorganismo, los toman del ambiente,
y son requeridos en muy pequeñas cantidades
• Existen 3 clases principales
– Aminoácidos: síntesis de proteínas – Purinas y pirimidinas: síntesis de ácidos nucleicos – Vitaminas: cofactores enzimáticos
Ejemplos: – Brucella requieren biotina, niacina, tiamina y pantoténico
– Haemophilus necesita hemo y piridín-nucleótidos
Factor o vitamina funciones principales
p-aminobenzoico (PABA) precursor del ácido fólico
Acido fólico metabolismo de compuestos C1, transferencia de grupos metilo
Biotina biosíntesis de ácidos grasos; fijación de CO2
Cobalamina (vitamina B12) reducción y transferencia de compuestos C1; síntesis de desoxirribosa
Niacina (ácido nicotínico) precursor del NAD; transferencia de electrones en reacciones redox
Riboflavina precursor de FAD y FMN
ácido pantoténico precursor de la CoA
Tiamina (vitamina B1) descarboxilaciones; transcetolasas.
Complejo B6 (piridoxal, piridoxamina)
transformaciones de aminoácidos y cetoácidos
Grupo Vitamina K, quinonas transportadores de electrones (ubiquinonas, menaquinonas, etc.)
Factores de crecimiento
Captación de Fe • La captación de Fe es difícil debido a la insolubilidad del ion Fe3+
• Los sideróforos son moléculas de bajo PM capaces de formar complejos de Fe3+ y aportarlos a la célula
• Los mo secretan sideróforos cuando hay poco Fe disponible. E complejo Fe-siderof se une a la prot receptora del sideróforo. Dentro de la célula el Fe se reduce a Fe2+
Captación celular de nutrientes
• Los microorganismos utilizan varios sistemas de transporte diferentes.
• Los más importantes son: – Difusión simple – Difusión facilitada – Transporte activo – Traslocación de grupo
Biosíntesis: Ingreso de substancias para transformarse
en compuestos estructurales
Difusión pasiva
Difusión facilitada
Transporte activo
Translocación de grupo
Categorías Nutritivas
Crecimiento Bacteriano
• Se define como el aumento ordenado de todos los constituyentes químicos de la célula.
• Se trata de un proceso complejo, que supone la replicación de todas las estructuras y componentes celulares a partir de los nutrientes exógenos.
Crecimiento Bacteriano
• Aumento de número (no de tamaño)
• Multiplicación bacteriana: fisión simple o binaria 1. Replicación de DNA
2. Elongación
3. Auto duplicación de ADN cromosómico
4. Tabicado central
5. Invaginación membrana celular
6. Síntesis de pared
Tiempo de generación
• Tiempo de generacion: es el tiempo que se requiere para que la poblacion se duplique.
• Los tiempos de generacion varian ampliamente entre las diferentes bacterias.
• Ej. 1 a 3 horas, 10 min, o varios dias.
• Varían de 20 minutos (Escherichia coli) hasta 24 horas
Curva de Crecimiento Bacteriano
•Bacteria en medio
adecuado
•Gráfico de coordenadas:
número de bacterias
(logaritmo) versus lapso de
tiempo.
•Distinta para cada bacteria
•En todas se identifican
cuatro etapas
Fase de Latencia
• El número de microorganismos no varía
• Adaptación al medio, producción de enzimas
• Tiempo variable: entre una hora a días.
• Tamaño relativo aumentado por división
Fase exponencial o de crecimiento logarítmico
• Es la consecuencia del hecho de que cada célula se divide en dos. Las bacterias se encuentran en un estado óptimo.
• Su velocidad esta influenciada por temperatura, nutrientes.
Fase Estacionaria
El medio de cultivo no se renueva, comienzan a acumularse metabolitos tóxicos, se modifica el pH, los nutrientes se agotan, la velocidad de multiplicación se retrasa y hay un equilibrio entre bacterias vivas y muertas.
Fase de Esporogenesis para las especies productoras de esporas.
Fase de declinación o muerte • Cuando continua el crecimiento en el medio
de cultivo viejo se produce una inversión numérica con respecto a la fase exponencial.
• En este periodo son mas las bacterias muertas que las vivas, hasta que se termina con la muerte de todas. Si son bacterias con capacidad de esporular, se produce la esporulación en esta fase.
• Disminución de nutrientes
Técnicas para determinar el número y viabilidad de las células
• Contar al microscopio el número de células en un volumen conocido
• Establecer el número de células por turbidimetria
• Recuento de elementos viables por cultivo (Unidad Formadora de Colonias o UFC)
Efecto de la Temperatura
• Temperatura mínima de crecimiento
• Temperatura óptima de crecimiento
• Temperatura máxima de crecimiento
Sicrófilos • Requieren bajas temperaturas • 15 – 20 ºC • La mínima puede ser muy baja • Bacterias en el fondo del mar y en los
polos Mesófilos • Rango de temperaturas: 25 – 40 ºC • Temperatura óptima: 37 ºC ± 1 ºC • Agentes que afectan al hombre y los
animales Termófilos • Toleran altas temperaturas • Temperatura óptima: 55 ºC • Temperatura máxima: 80 ºC o mas.
Efecto de la Temperatura
Clases de M.O. según la temperatura
Tipo Rango de
Temperatura
Temperatura
Optima M.O
Psicrofilo 0 - 20 15 Algas
Mesofilo 20 - 40 38 E. coli
Termofilo 40 - 70 60 Bacillus
stearothermophillus
Hipertermofilos
90 - 115 106 Thermus acuaticus
Condiciones de pH
• pH : Potencial Hidrógeno. Va desde 0 a 14.
• pH < 6,5 ácido
• pH > 7,5 básico o alcalino
• pH 6,5 – 7,5 neutro Mas adecuado para crecimiento bacteriano
• Bacterias que crecen hasta pH 4 Acidófilas (Por ejemplo: Lactobacillus)
• Vibrio cholerae : medio alcalino
Presión Osmótica
• Los solutos (sales y azúcares) disueltos se desplazan a zonas de menor concentración. El agua se desplaza a zonas de mayor concentración de solutos
• Una presión osmótica alta causa pérdida de agua y plasmólisis de la célula
• Halófilas: bacterias que toleran altas concentraciones salinas
• Halófilas facultativas : toleran hasta un 2 % de sales
Condiciones atmósféricas
• Potencial de óxido-reducción o Redox (Eh)
• Respiración bacteriana : reacciones de óxido-reducción, en cadena
• El aceptor final de electrones o hidrogeniones es variable
Requerimientos de O2 y CO2 • En función de los requerimientos de O2 y CO2, las bacterias pueden
clasificarse en:
• Bacterias aerobios estrictas: necesitan una concentración de alrededor del 21% de oxígeno para poder desarrollar. (Pseudomonas, Mycobacterium, Corynebacterium)
• Bacterias microaerófilas: sólo necesitan alrededor de un 5% de oxígeno para desarrollar. Mayores concentraciones inhiben su desarrollo. (Campylobacter, Helicobacter)
• Bacterias anaerobios obligadas o estrictas: son incapaces de sobrevivir en presencia de oxígeno, es decir requieren un 0% de oxígeno (Fusobacterium, Clostridium)
• Bacterias anaerobias aerotolerantes: pueden sobrevivir, aunque no crecer, en presencia de hasta un 0,5% de oxígeno. (Actinomyces, Propionibacterium)
• Bacterias anaerobias facultativas: son capaces de crecer en una atmósfera tanto con o sin oxígeno. (Streptococcus, Staphylococcus, Enterobacteriaceae)
• Bacterias capnófilas: son bacterias aerobias que necesitan además para crecer un 5-10% de CO2. (Neisseria, Haemophilus)
Metabolismo Microbiano
Producción de Energia y biosíntesis
1. Introducción
• Metabolismo:
Conjunto de procesos mediante los cuales un microorganismo obtiene
la energía y los nutrientes que necesita para crecer.
2 tipos:
•liberan E = exergonicas – catabólicas •utilizan E = endergonicas - anabólicas
• E = capacidade de realizar trabajo
química
luminosa E
• Requerimentos de energia:
2. Producción de Energia (E)
Sistema de almacenamiento y transferencia
de E
Componentes celulares como proteínas (enzimas), DNA, RNA, carboidratos,
lipídeos, etc.
Produtos de degradación sirven como unidades para a produción de compuestos celulares
Síntesis
Compuestos y estruturas
Degradación
degradación de sustratos y nutrientes
E liberada E requerida
Crescimento celular, reproduccón, e movimento
3.Tipos de energia
• Energia química – energía contida en enlaces químicas de las moléculas
• Energia radiante (energia da luz) – debe ser convertida en energia química
Quimiotróficos (utilizan sustancias
químicas como fuente de energia)
Quimiolitotróficos C= CO2
Quimiorganotróficos C=orgânico
Clasificación de los MO según la fuente de energía y carbono
Clasificación de los MO según la fuente de energía y carbono
Tipo fisiológico Fonte de Energia Fonte de Carbono
Foto Luz
Quimio Química
Organotrófico/heterotrófico Moléculas orgânicas
Autotrófico/litotrófico Moléculas inorgânicas
Fotoautotrófico = plantas, cianobactérias, algas verdes Fotoorganotrófico/hetero = bactérias púrpuras, exceto as abaixo Fotolitotróficas = bactérias púrpuras metabolizantes do S Quimioautotrófico = Archaea metanogênicas Quimiorganotrófico/hetero = maioria bactérias e fungos Quimiolitotrófico = bactérias nitrificadoras
Clasificación de los MO según la fuente de energía y carbono
COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO
Componentes ricos en energía: almacenamiento y transferencia de energia (inmediata)
• ATP = adenosina trifosfato
• ADP = adenosina difosfato
• Fosfoenolpiruvato
• Glicose-6-fosfato
• Coenzimas: Acetil CoA, NAD, NADH, NADPH
Almacenamiento de energía
(Madigan et al., 2010)
Ligacoes tioéster
• Fermentación
• Respiración
4.Generación de ATP por MO
Síntese de ATP acoplada reacción de óxido-reducción
Ausencia de aceptores exógenos de e-
O2 u otro compuesto como aceptor exógeno de e-
Menos E
Mas E
Oxidación = perdida de e- (liberan energia)
Reducción = ganancia de e- (requiere energia)
Recordemos.....(redox)
- Un compuesto se torna oxidado cuando:
1. Pierde e-
2. Se une a un atomo mas electronegativo
3. Esto generalmente ocurre cuando se une a un O
- Un compuesto se torna reducido cuando:
1. Gana e-
2. Se une a un atomo menos electronegativo
3. Esto generalmente ocurre cuando se une a un H
Formas reducidas de C (carboidratos, metano, lipídios,
alcoholes) son importantes fuentes de energía en sus enlaces.
Formas oxidadas de C (cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos
e CO2) disponen de poco potencial energético en sus enlaces.
Mecanismos para obtener energía (Síntesis de ATP)
Los quimiotróficos presentan 2 mecanismos conocidos:
1. Respiración: obtienen energía de la oxidación (fosforilación oxidativa)
Pudiendo ser:
a) Aeróbia: aceptor externo es O
b) Anaeróbia: aceptores diferentes de oxigeno (nitrato, sulfato, carbonato, ...)
2. Fermentación: ocurre en ausencia de aceptores externos de e- (fosforilación a nível de substrato)
1a) Respiración aeróbia Es el procedimiento mas comum comprende 3 etapas:
1) Piruvato (glucolisis)
2) Ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
3) Cadena transportadora de e-
Características:
1.Oxidacion parcial de la
glucosa a piruvato
2.Pequeña cantidad de ATP
(producción líquida de 2
ATP)
3.Pequeña cantidad de NAD
reducida a NADH
1ª etapa: Piruvato (via glicolítica)
Es considerada la vida metabólica mas primitiva, presente en todas las formas de vida.
Ocurre en el citoplasma de las células.
ELEMENTOS CLAVES PARA REACCIONES
CATABOLICAS E IMPORTANTES
REACCIONES BIOSINTETICAS
Los intemediarios son desviados para vias
biosinteticas cuando es necesario:
Ejemplos:
Oxalacetato: precursor de aminoácidos
Succinil-CoA: formacion de citocromos y
clorofila, entre otros
Acetil-CoA: biosintesis de ácidos graxos
2ª etapa: Ciclo de Krebs Ocurre en el citoplasma (procariotos) y en las mitocondrias (eucariotos).
Reacciones preparatorias:
formación de compuestos
clave del proceso
3ª etapa: Cadena respiratoria (sistema de transporte de e-)
Ocurre en la membrana de las mitocondias(eucariotas) y em la membrana citoplasmatica (procariotas)
Los protones y electrones obtenidos en la glucolisis por
el NAD y en el Ciclo de Krebs por el NAD y FAD son
transportados a una larga cadena de citocromos en
niveles sucesivamente mas bajos de energia de modo
que sea mejor aprovechada en forma de de ATP.
Genera la gradiente de Protones
Fosforilación oxidativa
Las 3 etapas de la via respiratoria
Síntesis de la respiración aeróbia
• Reaccion de oxido y reduccion en presencia de un aceptor de e- externo, u O2
• A molécula entera de sustrado es oxidada hasta CO2
• Alto potencial de energía
• Gran cantidad de ATP puede ser generada: teoricamente 38 ATPs
Producción de ATP:
En la cadena respiratoria:
4 NADH formados em la glucolisis 12 ATP
6 NADH formados en ciclo de Krebs 18 ATP
2 FADH formados en ciclo de Krebs 4 ATP
Formación directa en la glucolisis 2 ATP
Formación directa en el Ciclo de Krebs 2 GTP
Total de até .................................................... 38 ATP
1b) Respiración anaeróbia
aceptores diferentes de oxigeno
Rendimento energético inferior: Ningun aceptor alternativo apresenta
potencial oxidante cuanto O2.
• El uso de aceptores alternativos permite a los microrganismos respirar en
ambientes sin oxigeno, siendo de extrema importancia ecológica.
• Oxidación de substratos orgánicos e inorgânicos:
C6H12O6 + 12 NO3- 6CO2 + 6H2O + 12NO2
-
2 lactato + SO4= + 4H+ 2 acetato + 2CO2 + S= + H2O
• Cantidad de energía producida es menor
2. Fermentación (tambien es una forma de respiracion anaerobia. Ocurre en el citosol)
Reaccion de oxido-reduccion internamente balanceada. Ausencia de aceptores
externos.
La concentración de NAD + en las
células es baja, necesita ser re-
oxidado a no dejar la vía
glucolítica.
Una reducción del piruvato a
etanol u otros productos
establece un NAD y permite la
continuidad de la glucolisis.
Producción líquida de apenas
2 ATP.
Características de la Fermentación:
Ácido pirúvico es reducido a ac.organicos y alcoholes
NADH es oxidado a NAD: esencial para la continuidad de la via
glicolítica
O2 no es necesario
No se obtiene ATP adicional.
Gases (CO2 y/o H2) pueden ser producidos
Espécie microbiana Principal produto da fermentação
Acetivibrio cellulolyticus Ácido acético
Actinomyces bovis Ácidos acético, fórmico, láctico, etc.
Clostridium acetobutylicum Acetona, butanol, etanol, ácido fórmico, etc.
Enterobacter aerogenes Etanol, ácido fórmico, CO2, etc.
Escherichia coli Etanol, ácidos láctico, acético, fórmico, succínico, etc.
Lactobacillus brevis Etanol, glicerol, CO2, ácidos láctico, acético, etc.
Streptococcus lactis Ácido láctico
Succinimonas amylolytica Ácidos acético e succínico
Produtos da fermentación
Biosíntesis (anabolismo)
• Energia para síntesis de compuestos celulares: ácidos nucléicos (DNA, RNA), sustancias nitrogenadas (aa, enzimas, proteínas), carbohidratos (peptidoglicano), lipídeos, etc.
• ATP para procesos como division celular, motilidad, transporte activo de nutrientes, etc.
Utilización de energía
Biosíntesis de Compuestos Nitrogenados
N2 N inorgânico (NH3+)
Aminoácidos
Arranjo de aminoácidos
Proteínas/enzimas Purinas e pirimidinas
Nucleotídeos
Ácidos nucléicos (DNA, RNA)
Formación de precursores de aminoácidos
(Madigan et al., 2004)
Biosíntesis de nucleotídos y ácidos nucleicos
Nucleotídeo = base nitrogenada-pentose-fosfato
ribose = ribonucleotídeos (RNA) desoxirribose = desoxirribonucleotídeos (DNA) Activación de dos nucleotídeos (ATP)
Síntese de ácidos nucléicos a partir de nucleotidos activados
(Madigan et al., 2004)
Biosintesis de nucleotidos y ácidos
nucléicos
Biosíntesis de carbohidratos
Triose
Pentoses e hexoses
Nucleotídeos Polissacarídeos (peptidoglicano,
celulose, amido, etc.)
CO2
RNA e DNA
Biosintesis de ácidos grasos
Ácido pirúvico
Acetil CoA e Malonil CoA
Ácidos grasos de cadena larga
Glicose
Fosfolipídios
Glicólise
Glicerol fosfato
Otros usos de energía
Transporte
Motilidade Reparos
Produccion de estruturas de resistencia
(endosporos)
