NUTRICIÓN MICROBIANA

Requerimientos Nutricionales de las Células.

Cada organismo debe encontrar en su ambiente todas las sustancias que requiere para la generación de energía y la biosíntesis celular.

Los elementos de este ambiente que se utilizan para el crecimiento celular se llaman nutrientes.

En el laboratorio, las bacterias son crecidas en medios de cultivo diseñados para aportar los nutrientes esenciales para su crecimiento.

Grupos nutricionalesFuentes de energía

fotótrofos - utilizan luzquimiótrofosutilizan compuestos orgánicos: organótrofos

inorgánicos: litótrofosFuentes de carbono

autótrofos - CO2heterótrofos - compuestos orgánicos

Algunas combinaciones son muy comunes

Tipos nutricionales Fuente de energía

Fuente de C Ejemplos

Fotoautótrofos (Productores)

Luz

CO2

Cianobacterias, bacterias púrpuras y verdes Plantas, algas

Fotoheterótrofos

Luz

Compuestos orgánicos

Algunas bacterias púrpuras y verdes

Quimioautótrofos o litótrofos (Productores)

Compuestos inorgánicos ej.: H2, NH3, NO2

-, H2S

CO2

Algunas Eubacterias y muchas Archaea

Quimioheterótrofos o heterótrofos

Compuestos orgánicos

Compuestos orgánicos

La mayoría Eubacterias, algunas Archaea Animales

Mixotrofos Compuestos Inorgánicos H2

Compuesto Orgánico CH3COOH

Algunas bacterias bajo condiciones particulares ( E.coli )

Nutrientes1- Fuente de energía luz

química2- Macronutrientes

H KO MgC NaN 95% CaS FeP

3- Micronutrientes (elementos traza)Co, Zn, Mo, Cu, Mn, Ni, Se, W

4- Factores de crecimiento•Vitaminas•Purinas y pirimidinas•Aminoácidos

Elemento % PS Fuente FunciónCarbono 50 Compuestos

orgánicos o CO2

Principal constituyente del material celular

Oxígeno 20 H2O, compuestos orgánicos, CO2, y O2

Constituyente del material y agua celular; O2 es el aceptador de electrones en la respiración aeróbica

Nitrógeno 14 NH3, NO3, los compuestos orgánicos, N2

Constituyente de aminoácidos, nucleótidos de los ácidos nucleicos, y coenzimas

Hidrógeno 8 H2O,compuestos orgánicos, H2

Constituyente principal de compuestos orgánicos y agua celulares.

Fósforo 3 Fosfato inorgánico (PO4)

Constituyente de ácidos nucleicos, fosfolípidos, LPS, ácidos teicoicos

Azufre 1 SO4, H2S, S, compuestos orgánicos de azufre

Constituyente de cisteína, metionina, glutationa, varias coenzimas

Macroelementos, sus fuentes y funciones en las células bacterianas.

Macroelementos, sus fuentes y funciones en las células bacterianas (continuación).

Elemento % PS Fuente FunciónPotasio 1 Sales de

potasioPrincipal catión inorgánico celular y cofactor para ciertas enzimas

Magnesio 0.5 Sales de magnesio

Catión celular, cofactor de enzimas

Calcio 0.5 Sales de calcio Catión celular, cofactor de enzimas y componente de endosporas

Hierro 0.2 Sales de hierro Componente de citocromos, hierro-proteínas y cofactor de enzimas

% PS Porcentaje en peso seco

Elementos traza o micronutrientes.

Son iones metálicos requeridos por ciertas células en pequeñas cantidades, que son difíciles de descubrir o medir, y no es necesario agregarlos al medio de cultivo como los nutrientes. Los elementos traza están presentes como "contaminantes" del agua u otros componentes del medio de cultivo. Normalmente actúan como cofactores en reacciones enzimáticas esenciales en la célula. Algunos de ellos son Mn, Co, Zn, Cu, y Mo.

Factores de crecimientoLos microorganismos pueden requerir pequeñas cantidades de ciertos compuestos orgánicos que no pueden sintetizar y deben incorporarse en los medios

* bases púricas y pirimídicas→ ADN, ARN

* aminoácidos esenciales → síntesis proteica

* vitaminas → coenzimas

Vitamin Coenzyme form Function p-Aminobenzoic acid (PABA) - Precursor for the biosynthesis of folic acid

Folic acid Tetrahydrofolate Transfer of one-carbon units and required for synthesis of thymine, purine bases, serine, methionine and pantothenate

Biotin Biotin Biosynthetic reactions that require CO2 fixation

Lipoic acid Lipoamide Transfer of acyl groups in oxidation of keto acids

Mercaptoethane-sulfonic acid Coenzyme M CH4 production by methanogens

Nicotinic acid NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADP Electron carrier in dehydrogenation reactions

Pantothenic acid Coenzyme A and the Acyl Carrier Protein (ACP)

Oxidation of keto acids and acyl group carriers in metabolism

Pyridoxine (B6) Pyridoxal phosphate Transamination, deamination, decarboxylation and racemation of amino acids

Riboflavin (B2) FMN (flavin mononucleotide) and FAD (flavin adenine dinucleotide)

Oxidoreduction reactions

Thiamine (B1) Thiamine pyrophosphate (TPP) Decarboxylation of keto acids and transaminase reactions

Vitamin B12 Cobalamine coupled to adenine nucleoside Transfer of methyl groups

Vitamin K Quinones and napthoquinones Electron transport processes

Necesidad de Oxígeno

De acuerdo a la necesidad y capacidad de utilizar el oxígenolos microorganismos se clasifican en:Aerobios, que requieren de oxígeno para llevar a cabo sus

funciones metabólicasAnaerobios, que no requieren de oxígeno y su presencia los

inhibe o mata.

La acción de la superoxido dismutasa, catalasa y peroxidadsapermiten que los radicales libres de oxígeno sean eliminados, lo que permite que las células que las contienen puedan vivir en presencia de oxígeno. Los organismos anaerobios no las contienen.

Relaciones del oxígeno con los microorganismos

Grupo Ambiente aerobio

Ambiente anaerobio

Efecto del oxígeno

Aerobio obligado

Crece No Crece Requiere (se tiliza para la respiración aerobica). Bacillus, hongos, etc.

Microaerobio Crece si el nivel no es muy alto

No Crece Requiere pero en niveles menores a 0.2 atm. Azospirillum

Anaerobio obligado

No Crece Crece Tóxico. Methanobacterium, Clostridium

Facultativo Crece Crece No requiere para el crecimiento, pero lo utiliza cuando estádisponible. Levaduras, E. coli.

Anaerobio aerotolerante

Crece Crece No requiere y no lo utiliza. Enterococcus faecalis, Streptococcus sp.

Microorganismos aerobios

El oxígeno disuelto es un importante sustrato en fermentaciones aeróbicas y puede constituirse en un sustrato limitante.

Cuando el oxígeno es el factor limitante para la velocidad, la velocidad de crecimiento varía con la concentración de oxígeno disuelto de acuerdo a una cinética de saturación, hasta alcanzar una concentración críticaLa concentración crítica de oxígeno disuelto es la

cantidad mínima necesaria para evitar la inhibición del crecimiento de un microorganismo.

Microorganismos aerobios

Fermentaciones aeróbicas de producción de tetraciclinas por Streptomyces auerofacienspresentan problemas de crecimiento y formación de producto a concentraciones de oxígeno disuelto críticas de 10 %.

El oxígeno es usualmente suministrado al medio de fermentación a través de aire inyectado mediante un tubo difusor.

La transferencia de oxígeno a partir de las burbujas de aire es limitada por la película líquida alrededor de las burbujas de aire.

Materias primas fundamentales

Fuentes de carbono1) Hidratos de carbono como glucosa o dextrosa, sacarosa, lactosa, almidón, dextrina; 2) Alcoholes como el glicerol y manitol;3) Hidrocarburos como hexadecano, octadecano y otros.

Otras materias primas importantes por su disponibilidad y costo reducido que contienen hidratos de carbono son granos, melazas, celulosas, suero de queso, etc. También se pueden emplear otros subproductos como las vinazas de destilería y residuos sulfíticos, útiles sólo para producción de biomasa destinada a consumo animal, debido a la cantidad de impurezas, que dificultan y elevan costos de las operaciones de separación y purificación de los productos.

Materias primas fundamentales

Fuentes de nitrógeno1) De naturaleza inorgánica, las más comunes son amoníaco o sales de amonio.

2) Orgánicas:

Materias primas fundamentales

Fuentes de nitrógeno2) Orgánicas: a) Hidrolizados de proteínas (Peptonas) que son obtenidas de carne de diferentes órganos y animales, pescado, caseína, gelatina, harina de soja, algodón, girasol, etc. Las peptonas aportan algunas vitaminas, fosfatos y micronutrientes (Ca, Zn, Fe y Cu). b) Extracto de carne. c) Extracto de levadura, es básicamente una mezcla de aminoácidos, péptidos, vitaminas solubles en agua y carbohidratos. d) Extracto de maltae) Sólidos del cocimiento de maiz (cornsteep liquor), agua de maceraciónde la industria del maíz

Capacidades metabólicas

Algunas bacterias son excepcionalmenteautosuficientes: protótrofo

sintetizan vitaminas, amino ácidos, nucleótidos, lípidoscrecen en un medio mínimo compuesto de sales inorgánicas (MgSO4, NH4Cl, K2HPO4 , FeCl3, CaCl2) con fuente de carbono orgánica

E. coli es un ejemplo de protótrofo Algunos son muy exigentes, lo cual significa quenecesitan muchos factoresLactobacillus requiere purinas, pirimidinas, vitaminas y varios aminoácidos para crecer.

Capacidades metabólicas

Auxotrofía es la incapacidad de un organismo para sintetizar un compuesto orgánico particular para su crecimiento (de acuerdo a la definción de la IUPAC).

En genética, una cepa se dice que es auxótrofa, si una mutación le provoca la incapacidad de sintetizar un compuesto esencial.

Un ejemplo es una cepa de E. coli que requiere triptófano para crecer, entonces se dice que es un auxótrofo de triptófano y se designaría E. coli trp -. Recuerde que una cepa silvestre de E. coli es capaz de crecer sin este requerimiento.

Medios de cultivo para el crecimiento de bacterias.

Para propagar cualquier bacteria es necesario proporcionar el ambiente bioquímico y biofísico apropiado. En el bioquímico (nutritivo) se encuentra el medio de cultivo. Los medios de cultivo son empleados en el aislamiento y mantenimiento de cepas puras y también, para la identificación de bacterias según sus propiedades bioquímicas y fisiológicas.

Clasificación de los medios de cultivo

Según su naturaleza física* líquidos* sólidos - solidificante: agar-agar, gelana, silica-gel* semi-sólidos

Clasificación de los medios de cultivo.

La manera en que las bacterias son cultivadas, y el propósito de los medios de cultivo, varía ampliamente. Se usan los medios de cultivo líquidos para el crecimiento en lote de cepas puras, mientras los medios sólidos son ampliamente utilizados para el aislamiento de cultivos puros, estimar microorganismos viables, y una variedad de otros propósitos.

Clasificación de los medios de cultivo

Según su composición * definidos o sintéticos: composición química conocida

* no definidos o complejos: composición química no definida, enriquecidos con peptonas, extracto de carne, de levadura, de suelo, sangre

Clasificación de los medios de cultivo

Un medio definido es un medio mínimo si proporciona sólo los nutrientes exactos (incluso cualquier factor de crecimiento) que necesita un organismo para su crecimiento. Estos medios ayudan a investigar los requerimientos nutritivos mínimos de los microorganismos.

Los medios de cultivo complejos es útil utilizarlos por ejemplo cuando se quiere cultivar bacterias desconocidas o bacterias cuyo requisito nutritivo es complejo.

Según su uso en el laboratorio

* Selectivos: sólo permiten crecer un cierto tipo de microorganismos, por ejemplo, sólo un género. Son medios que contienen, además de los nutrientes, ciertas sustancias que inhiben el desarrollo de algunos microorganismos permitiendo el crecimiento de otros o cuya composición permite el desarrollo de un grupo determinado

Ej.agar-antibióticos; agua, sales, luz, para algas, medios con NaCl superior a la concentración fisiológica

* Diferenciales: permiten distinguir entre dos o mas bacterias por características coloniales. Son medios que contienen indicadores para diferenciar los distintos tipos de microorganismos que puedan crecer en él.

Ej. azúcar fermentecible: lactosa, indicador:rojo neutro

Componente Cantidad Función del componenteSacarosa 10.0 g Fuente de C y energíaK2HPO4 2.5 g Fuente de P y K, bufferKH2PO4 2.5 g Fuente de P y K, buffer(NH4)2HPO4 1.0 g Fuente de P y N, bufferMgSO4 7H2O 0.20 g Fuente de S y Mg++

FeSO4 7H2O 0.01 g Fuente de Fe++

MnSO4 7H2O 0.007 g Fuente de Mn++

Agua 985 mlpH 7.0

Ejemplo de medio mínimo.

Medio definido para Thiobacillusthiooxidans (litoautótrofo) .

Componente Cantidad Función del componenteNH4Cl 0.52 g Fuente de N KH2PO4 0.28 g Fuente de P and KMgSO4 7H2O 0.25 g Fuente de S and Mg++

CaCl2 2H2O 0.07 g Fuente de Ca++

Azufre elemental

1.56 g Fuente de energía

CO2 5%* Fuente de CAgua 1000 mlpH 3.0

Medio complejo para bacterias fastidiosas.

Componente Cantidad Función del componenteExtracto de carne

1.5 g Fuente de vitaminas y factores de crecimiento

Extracto de levadura

3.0 g Fuente de vitaminas y factores de crecimiento

Peptona 6.0 g Fuente de aminoácidos, N, S, y PGlucosa 1.0 g Fuente de C y energíaAgar 15.0 g Agente solidificanteAgua 1000 mlpH 6.6

Medio selectivo enriquecido para halófilos extremos.

Componente Cantidad Función del componenteCasaminoácidos 7.5 g Fuente de aminoácidos, N, S y P

Extracto de levadura 10.0 g Fuente de factores de crecimiento

Citrato de sodio 3.0 g Fuente de C y energíaKCl 2.0 g Fuente de K+

MgSO4 7 H2O 20.0 g Fuente de S y Mg++

FeCl2 0.023 g Fuente de Fe++

NaCl 250 g Fuente de Na+ para halófilos e inhibidor de no halófilos

Agua 1000 mlpH 7.4