NUTRICION MICROBIANA

Nutrición y factores de crecimiento de microorganismos

Prof. Sandra Rivas Z.Prof. Sandra Rivas Z.

IntroducciónIntroducción La fisiología microbiana comprende el estudio de las La fisiología microbiana comprende el estudio de las

funciones realizadas por los mismos. funciones realizadas por los mismos.

Los microorganismos (m.o) son muy eficientes Los microorganismos (m.o) son muy eficientes fisiológicamente, sintetizan en forma muy rápida sus fisiológicamente, sintetizan en forma muy rápida sus componentes celulares, siendo la mayoría componentes celulares, siendo la mayoría autosuficientes a pesar de su simpleza estructural.autosuficientes a pesar de su simpleza estructural.

En los m.o se desencadenan una serie de procesos En los m.o se desencadenan una serie de procesos químicos que en conjunto constituyen el químicos que en conjunto constituyen el

Metabolismo Microbiano Metabolismo Microbiano

NutrientesNutrientes

Son sustancias que se emplean en la Son sustancias que se emplean en la biosíntesis y producción de energía. biosíntesis y producción de energía.

Son necesarios para el crecimiento Son necesarios para el crecimiento microbianomicrobiano. .

C,O,H,N, S y P C,O,H,N, S y P – Son componentes de carbohidratos, lípidos,

proteínas y ácidos nucleicos. CarbonoCarbono

– Fuente de energía y/o compuestos para biosíntesis. Nitrógeno y azufreNitrógeno y azufre

– Se encuentra en las células en forma reducida como grupos amino y sulfhidrilo. Generalmente en forma reducida, aunque algunos m.o. los asimilan en forma oxidada. Sulfatos, nitratos, peptonas (N y S) y cisteina.

– Fijación de N2 (N2 NH3)

Monómeros Macromoléculas Estructurascelulares

Monosacáridos

Aminoácidos

Ácidos grasos

Bases nitrogenadas

Polisacáridos

Proteínas

Lípidos

Ácidos nucleicos

Pared celularGlicocàlix

MembranaRibosomasFlageloPelos y fimbriasEnzimas

Membranas

CromosomaRibosomasPlásmidos

La nutrición microbiana consiste en aportar a las células los ingredientes químicos necesarios para la síntesis de monómeros, que son los componentes de las macromoléculas, y a su vez construyen las estructuras celulares.

Macronutrientes o macroelementos

Son captados por los m.o. en cantidades relativamente grandes

95% de la célula microbiana esta constituido por C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg y Fe.

Nutrición microbiana

Elemento más abundante en las macromoléculas. Constituye el 50% del peso seco de las células. Muchos procariotas son heterótrofos. Necesitan algún tipo de compuesto orgánico como fuente de carbono para hacer nuevo material celular.

Aminoácidos, ácidos grasos, ácidos orgánicos, azúcares, bases nitrogenadas, compuestos aromáticos y otros compuestos orgánicos pueden ser utilizados por m.o.

Algunos procariotas son autótrofos, capaces de construir todas sus estructuras orgánicas a partir del CO2 con la energía obtenida de la luz o de compuestos inorgánicos.

C

macronutrientes

Nutrición microbiana

En una bacteria típica, alrededor del 12% de su peso seco es N.

Forma parte de las proteínas, ácidos nucleicos y otros constituyentes celulares.

En la naturaleza, se encuentra en forma orgánica e inorgánica. Pero la mayor parte del N natural se encuentra en forma inorgánica ( NH3, NO3

- o N2 ).

La mayoría de las bacterias son capaces de utilizar NH3 como única fuente de N, y otras muchas pueden utilizar NO3

- .

El N2 puede ser usado como fuente de nitrógeno por algunas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno.

 

N

macronutrientes

Nutrición microbiana

macronutrientesEl P se presenta en la naturaleza en forma de fosfatos orgánicos e inorgánicos. La célula necesita P para la síntesis de ácidos nucleícos y fosfolípidos.

El S es un componente de los aminoácidos cis y met y se encuentra en algunas vitaminas, como tiamina, biotina, ácido lipoico y Coenzima A. La mayoría del S celular procede de fuentes inorgánicas, ya sean sulfatos o sulfuros.

El K es necesario para todos los organismos. Es cofactor de muchas enzimas.

El Mg funciona como estabilizador de los ribosomas, las membranas celulares y los ácidos nucleícos. También se necesita para la actividad de muchas enzimas.

El Ca ayuda a estabilizar la pared celular bacteriana y tiene una función importante en la termorresistencia de las endoesporas.

El Na es requerido por algunos microorganismos (halófilos),

P

S

K

Mg

Ca

Na

K, Ca, Mg y Fe.

– Se encuentran en la célula en forma de cationes necesarios para actividades enzimáticas, síntesis de proteínas (K+), termoresistencia de endosporas (Ca2+), cofactores de enzimas.

– Forma complejos con el ATP y estabiliza los ribosomas y las membranas celulares (Mg2+).

– Forma parte de los citocromos, cofactor de enzimas y de proteínas transportadoras de electrones (Fe2+ y Fe3+).

Es fundamental en la respiración celular.

Forma parte de los citocromos y de proteínas que contienen Fe y S implicados en el transporte de electrones.

En condiciones anaeróbicas, el Fe se encuentra en el estado de oxidación +2 (Fe+2) y es soluble.

En condiciones aeróbicas suele estar en el estado de oxidación +3 ( Fe+3) y forma varios minerales insolubles.

Para obtener el Fe de minerales, las células producen agentes quelantes llamados sideróforos que solubilizan el Fe y lo introducen en la célula.

Es necesario en mayores cantidades que otros metales y no se considera un elemento traza.

Nutrición microbiana

Fe

Micronutrientes o microelementos u oligoelementos

Mn, Zn, Co, Mo, Ni y Cu

Son aquellos que se requieren en cantidades tan pequeñas que contaminantes presentes en agua, y otros componentes del medio de cultivo son suficientes.

Son normalmente parte de enzimas y cofactores, facilitan la catálisis de reacciones y mantenimiento de la estructura de proteínas.

Nutrición microbiana

Micronutrientes (elementos traza)

Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn.

Se requieren en muy pequeñas cantidades.

Son tan importantes para el funcionamiento celular como los macronutrientes.

Muchos son metales que actúan como cofactores de enzimas.

A menudo no es necesario añadirlos a los medios de cultivo.

Si el agua utilizada para elaborar el medio es ultrapura se añade al medio una pequeña cantidad de una solución de metales traza. 

Nutrición microbiana

Son compuestos orgánicos que se necesitan en muy pequeñas cantidades y sólo por algunas células.

Son vitaminas, aminoácidos, purinas y pirimidinas.

La mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizar estos compuestos, pero en algunos casos es necesario añadirlos al medio.

Las vitaminas son los factores de crecimiento que se necesitan con mayor frecuencia, funcionan formando parte de coenzimas.

Las principales vitaminas requeridas por los microorganismos son: tiamina (vitamina B1), biotina, piridoxina (vitamina B6) y covalamina (vitamina B12)

Factores de crecimiento

Factores de crecimiento

Son sustancias precursoras de ciertos constituyentes orgánicos de la célula que el m.o. es incapaz de sintetizar, generalmente se requieren en pequeñas concentraciones.– Aas , proteínasAas , proteínas– purinas y pirimidinas, ácidos nucleicospurinas y pirimidinas, ácidos nucleicos– Vitaminas, grupos prosteticos o centros activos de ciertas Vitaminas, grupos prosteticos o centros activos de ciertas

enzimas.enzimas.

Crecimiento microbiano

Factores físicos:

a) pH: Es un parámetro crítico en el crecimiento de microorganismos ya que cada tipo de microorganismo tiene un rango de pH en el que puede vivir adecuadamente, fuera de este rango muere.

Acidófilos: < de 5.4 ej: Lactobacillus, ThiobacillusNeutrófilos: 5.4 – 8.5 ej: Escherichia coliAlcalinófilos: 7 – 11.5 ej: V. cholerae, Agrobacterium

b) Temperatura

Temperaturas cardinales: T mínima, T óptima, T máxima

Termófilos extremos: >80°C

M.O. SEGÚN LA TEMPERATURA

c) Oxígeno

Aerobios Obligados ej: Pseudomonas Facultativos ej: Escherichia coli Microaerófilos ej: Campylobacter

Anaerobios Obligados ej: Bacteroides Facultativos ej: Lactobacillus

Formas Tóxicas Enzimas• Anión superóxido: O-

2 Superóxido dismutasa• Peróxido de H: H2O2 catalasa, peroxidasa• Radical hidroxilo: HO-

Crecimiento microbiano

aerobios estrictos

Microaero-filico

anaerobios estrictos

anaerobios facultativos

anaerobios aerotolerantes

Crecimiento microbianoEnzimas bacterianas relacionadas con el oxígeno

Tipo de Tipo de microorganismomicroorganismo

catalasacatalasa Superoxido Superoxido dismutasadismutasa

comentarioscomentarios

Aerobios y Aerobios y anaerobios anaerobios facultativosfacultativos

presentepresente presentepresente Toleran el OToleran el O22 neutralizando neutralizando todas sus formas todas sus formas tóxicastóxicas

Anaerobios Anaerobios aerotolerantesaerotolerantes

ausenteausente presentepresente Toleran el OToleran el O22 neutralizando neutralizando parcialmente sus parcialmente sus formas tóxicasformas tóxicas

Anaerobios Anaerobios estrictosestrictos

ausenteausente ausenteausente No toleran el ONo toleran el O22, , no neutralizan no neutralizan sus formas sus formas tóxicastóxicas

Crecimiento microbiano

d) HumedadMohos 70%Bacterias 100%

Levaduras 85%

e) Presión osmótica e hidrostáticaPlasmolisis: retracción del contenido celular cuando el ambiente es hiperosmótico

ej: uso de sal como preservativoBacterias halófilas: NaCl >3.5%

Crecimiento microbiano

Clasificación microbiana según:a. Fuente de energía

Fototrofos: energía solarQuimiotrofos: compuestos químicos

b. Fuente de carbono Autotrofos: CO2

Si utilizan CO2 + Luz solar = fotoautotrofos Si utilizan CO2 + compuestos químicos = quimioautotrofos

Heterotrofos: Compuestos orgánicos preelaborados Si utilizan compuestos orgánicos + Luz solar = fotoheterotrofos Si utilizan cptos orgánicos + cptos químicos = quimioheterotrofos

Auxotrofos: M.O. que han perdido la habilidad de sintetizar una enzima particular, por mutaciones, requieren sustancias especiales.

Prototrofos: Son formas no mutantes, normales o de tipo salvaje

Curva de crecimiento de un m.o. en medio de cultivo líquido

Crecimiento de poblaciones

Crecimiento exponencial: es el tipo de crecimiento de una población donde el número de células se duplica cada cierto tiempo

Cultivo y crecimiento de Microorganismos

Medios de Cultivo: Composición y preparación

Cultivo de microorganismos

En la naturaleza:

a)biofilmsb) consorcios

Cultivo de microorganismosEn el laboratorio: Se estudian como cultivos puros crecidos con abundancia de nutrientes a muy altas densidades (cultivo estático o continuo)

Quimiostato

Cultivos continuosCULTIVO SINCRONICO

Cultivos en los que todos los individuos de una poblaciónestán en la misma etapa del ciclo celular.

Se utiliza el método de Helmstetter-Cummings

Medios de cultivoEl material alimenticio en el que crecen los microorganismos es el Medio de Cultivo y el crecimiento de los microorg. es el Cultivo.

Medios de cultivoMedios de cultivoClasificaciónClasificación

1. COMPOSICIÓN: Definido

Son medios en que se conocen todos los componentes.

Los medios definidos se emplean ampliamente en investigación dado que con frecuencia se requiere conocer que está metabolizando el m.o.

Medio BG-11 para cianobacteriasMedio BG-11 para cianobacterias

Cantidad (g/l)

NaNO3 1.5

K2HPO4.3H2O 0.04

MgSO4.7H2O 0.075

CaCl2.2H2O 0.036

Ácido cítrico 0.006

Citrato amónico férrico 0.006

Na2CO3 0.02

EDTA 0.001

Solución de metales traza 1 ml/l

1. COMPOSICIÓN: Complejo

Son medios suficientemente ricos para satisfacer las necesidades nutricionales de diversos microorganismos.

De gran utilidad cuando se desconoce los requerimientos nutricionales de un m.o. en particular.

2. CONSISTENCIA: Sólidos Líquidos Semisólidos

3. Uso:• Enriquecidos

• Selectivos

• Diferenciales

• Mantenimiento