INSTITUTO TECNOLOGICO DE CD. ALTAMIRANO

MICROBIOLOGIA

ALUMNO: EDGAR OMAR ESCALANTE REGALADO

FACILITADORA: ERIKA OROPEZA

ING. AGRONOMIA

III SEMESTRE

FISIOLOGÍA Y METABOLISMO MICROBIANO

4.1 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN CELULARLos Organelos, son estructuras generalmente formadas por membranas cumplen funciones complejas, definidas y especificas, permiten que haya una división de trabajo dentro de la célula. Cada organelo o estructura celular está especializado para llevar a cabo una actividad en particular.

Los organelos, son estructuras generalmente formadas por membranas cumplen funciones complejas, definidas y especificas, permiten que haya una división de trabajo dentro de la célula. Cada organelo o estructura celular está especializado para llevar a cabo una actividad en particular. 

El núcleo celular es la parte central de la célula eucariota. Se rodea de una cubierta propia, llamada envoltura nuclear y contiene el AND, donde se encuentran los genes.

Las mitocondrias: llevan a cabo las reacciones químicas para liberar la energía a partir de la glucosa y el O2 que se usa en las actividades celulares.

El retículo endoplásmico: es un sistema de membranas que se extiende a través del citoplasma, desde la membrana nuclear hasta la membrana celular. Se llama RE liso a las membranas del RE que no tienen ribosomas.

Los ribosomas: son los organelos donde se sintetizan las proteínas.

El aparato de Golgi: Es un conjunto de vesículas y cisternas membranosas aplanadas. Aquí se preparan los materiales para que sean liberados desde la célula hacia el citoplasma.

Las vacuolas Son grandes vesículas, se encuentran llenas de fluido que contienen varias sustancias. Sirven para almacenar sustancias y en  las células vegetales tienen la función de contener o reservar agua y también poseen funciones digestivas.

Los lisosomas son vesículas pequeñas que contienen enzimas digestivas que facilitan el rompimiento de moléculas grandes (almidones, lípidos y proteínas). Participan en la digestión de partículas extrañas y de partes celulares dañadas. 

El cloroplasto es el más común en las células de las plantas verdes. Aquí se sintetizan nutrientes orgánicos principalmente glucosa a partir de sustancias inorgánicas, gracias a la clorofila que utiliza la energía solar para fijar el CO2 atmosférico.

4.2 METABOLISMO CENTRAL El metabolismo central se encarga de procesar azucares y convertirlas en compuestos que luego son redirigidos al resto del metabolismo y, en ultima instancia, a todas las funciones celulares. El metabolismo central se compone de la glucolisis, el ciclo de Krebs (o ciclo de ácidos tricarboxilicos, TCA) y proceso terminal respiratorio.

4.2.1 Glicolisis La glucolisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así entregando energía al organismo.

Las funciones de la glucólisis son:

La generación de moléculas de alta energía (ATP y NADH) como fuente de energía celular en procesos de respiración aeróbica (presencia de oxígeno) y fermentación (ausencia de oxígeno).

La generación de piruvato que pasará al ciclo de Krebs, como parte de la respiración aeróbica.

La producción de intermediarios de 6 y 3 carbonos que pueden ser utilizados en otros procesos celulares

LA GLUCÓLISIS ES UNA DE LAS VÍAS MÁS ESTUDIADAS, Y GENERALMENTE SE ENCUENTRA DIVIDIDA EN DOS FASES: LA PRIMERA, DE GASTO DE ENERGÍA Y LA SEGUNDA FASE, DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA.

La primera fase consiste en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído (una molécula de baja energía) mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtención energética.

En la segunda fase, el gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP.

4.2.2 CICLO DE KREBS El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas.

Reacciones del ciclo de krebs

El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en eucariota

El acetil-CoA (Acetil Coenzima A) es el principal precursor del ciclo. El ácido cítrico (6 carbonos) o citrato se regenera en cada ciclo por condensación de un acetil-CoA (2 carbonos) con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos). El citrato produce en cada ciclo una molécula de oxaloacetato y dos CO2, por lo que el balance neto del ciclo es:

LOS DOS CARBONOS DEL ACETIL-COA SON OXIDADOS A CO2, Y LA ENERGÍA QUE ESTABA ACUMULADA ES LIBERADA EN FORMA DE ENERGÍA QUÍMICA: GTP Y PODER REDUCTOR (ELECTRONES DE ALTO POTENCIAL): NADH Y FADH2. NADH Y FADH2 SON COENZIMAS (MOLÉCULAS QUE SE UNEN A ENZIMAS) CAPACES DE ACUMULAR LA ENERGÍA EN FORMA DE PODER REDUCTOR PARA SU CONVERSIÓN EN ENERGÍA QUÍMICA EN LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

Etapas del ciclo de Krebs

Reacción 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato). Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato) Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato) Reacción 4: a-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-

CoA) Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato) Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato) Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato) Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)

4.2.3 CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES La cadena de transporte de electrones es una serie de

transportadores de electrones que se encuentran en la membrana plasmática de bacterias, en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, que mediante reacciones bioquímicas producen trifosfato de adenosina (ATP), que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos.

Sólo dos fuentes de energía son utilizadas por los organismos vivos: reacciones de óxido-reducción (redox) y la luz solar (fotosíntesis).

Los organismos que utilizan las reacciones redox para producir ATP se les conoce con el nombre de quimioautótrofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fotoautótrofos.

La misión de la cadena transportadora de electrones es la de crear un gradiente electroquímico que se utiliza para la síntesis de ATP. Dicho gradiente electroquímico se consigue mediante el flujo de electrones entre diversas sustancias de esta cadena que favorecen en último caso la translocación de protones que generan el gradiente anteriormente mencionado.

De esta forma podemos deducir la existencia de tres procesos totalmente dependientes:

Un flujo de electrones desde sustancias individuales. Un uso de la energía desprendida de ese flujo de

electrones que se utiliza para la translocación de protones en contra de gradiente, por lo que energéticamente estamos hablando de un proceso desfavorable.

Un uso de ese gradiente electroquímico para la formación de ATP mediante un proceso favorable desde un punto de vista energético.

4.2.4 FOSFORILACION OXIDATIVALa fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH y FADH, obtenidos en la glucólisis y en el ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP.

Este proceso metabólico está formado por un conjunto de enzimas complejas, ubicadas en la membrana interna de las mitocondrias, que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua.

La fosforilación oxidativa es un proceso bioquímico que ocurre en lascélulas. Es el proceso metabólico final (catabolismo) de la respiracióncelular, tras la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.

De una molécula deglucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa.

4.2.5 METABOLISMOS PRIMARIOS Se producen en el curso de las reacciones metabólicas anabólicas

o catabólicas que tiene lugar durante las fases decrecimiento y que contribuyen a la producción de biomasa o energía por las células.

Se producen principalmente en la trofofase o fase de crecimiento.4.2.6 metabolismo secundarios

Se producen por rutas anabólicas especializadas cuando no hay crecimiento. Significado evolutivo controvertido por ser imprescindibles. Pueden ser una estrategia para mantener en funcionamiento los sistemas metabólisis cuando no hay crecimiento; también sirven como indicativos de diferenciación y se producen durante la idiofase de los cultivos. Entre sus características comunes; tienden a producirse cuando el crecimiento está limitado (cultivo continuó); se forman por enzimas específicos a partir del metabolismo central; no son esenciales para el crecimiento o para el metabolismo central y son específicos para cada especie, y a veces, de cada cepa.

4.3 NUTRICION MICROBIANA

La nutricion es el proceso por el que los microorganismos toman del medio donde habitan las sustancias quimicas que necesitan para crecer.

Dichas sustancias se denominan

Nutrientes

Los nutrientes se requieren para:

energía

biosíntesis

Las células están compuestas de:

1. Macromoléculas: polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas

2. Agua. El agua es el solvente ideal

para los organismos vivos debido a su polaridad y a su cohesión

FACTORES DE CRECIMIENTO

Son moléculas orgánicas específicas que, en pequeñas cantidades, algunas bacterias necesitan para crecer.• Ejemplos– Vitaminas,– Aminoácidos,– Purinas,– pirimidinas.La mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizarlos.CAPTACIÓN CELULAR DE

NUTRIENTES

1. Difusión pasiva2. Difusión facilitada3. Transporte activo4. Translocación de grupo

4.3.1 MACRO Y MICRONUTRIENTES Micronutrientes:

Se conocen como ‘micronutrientes a las’ a las sustancias que el organismo de los seres vivos necesitan en pequeñas dosis. Son indispensables para los diferentes procesos metabólicos de los organismos vivos y sin ellos morirían. Desempeñan importantes funciones catalizadoras en el metabolismo como cofactores enzimáticos, al formar parte de la estructura de numerosas enzimas (grupos prostéticos) o al acompañarlas (coenzimas).

Micronutrientes

Hierro (Fe) Zinc (Zn) Manganeso (Mn) Boro (B) Cobre (Cu) Molibdeno (Mo) Cloro (Cl)

Macronutrientes:

Los macronutrientes son aquellos nutrientes que suministran la mayor parte de la energía metabólica del organismo. Los principales son glúcidos, proteínas, y lípidos. Nutrientes requeridos en grandes cantidades por el organismo humano y que además aportan la energía necesaria para las diversas reacciones metabólicas, así como construcción de tejidos, sistemas y mantenimiento de las funciones corporales en general.

Macronutrientes

Nitrógeno (N) Fósforo (P) Potasio (K) Calcio (Ca) Magnesio (Mg) Azufre (S)

4.3.2 TEMPERATURA

Cada microorganismo tiene una temperatura óptima en la cual su crecimiento es más rápido; una temperatura mínima por debajo de la cual no crece y una temperatura máxima por encima de la cual el crecimiento no es posible, estas tres temperaturas se denominan temperaturas cardinales y son características de cada microorganismo.

El rango de temperaturas entre las que un microorganismo puede crecer es variable, hay microorganismos con un rango estrecho llamados ESTENOTERMALES y se encuentran en hábitat de temperatura relativamente constante. Los microorganismos de rangos más amplios se encuentran en medios ambientales donde la temperatura varía considerablemente y éstos son llamados EURITERMALES.

DE ACUERDO CON EL RANGO DE TEMPERATURA A LA QUE CRECEN, LOS MICROORGANISMOS SE DIVIDENEN:

Psicrófilos: Microorganismos capaces de crecer a bajas temperaturas. Existen variasdefiniciones de psicrófilos, en un inicio se definía como Psicrófilo a cualquier microorganismoque podía crecer a 0 ºC.

Mesófilos: Microorganismos cuya temperatura óptima de crecimiento se encuentradentro de un rango de 25 – 40 º C. Dentro de este grupo se encuentran la mayoría delos microorganismos contaminantes de los productos farmacéuticos, alimentos y cosméticosy los microorganismos patógenos para el hombre.

TERMÓFILOS: MICROORGANISMOS CUYA TEMPERATURAS ÓPTIMA ES DE 50 - 60 ºC, HAYALGUNOS CON TEMPERATURAS ÓPTIMAS AÚN MÁS ALTAS 80 - 121 ºC, A ESTOS SE LESDENOMINA HIPERTERMÓFILOS O TERMÓFILOS EXTREMOS.

4.3.3 HUMEDAD El agua influye en el desarrollo de microorganismos, puesto que necesitan del agua para crecer y multiplicarse. Así, los alimentos secos son relativamente duraderos porque dificultan el crecimiento de microorganismos.

La mayoría de los alimentos son altamente perecederos, pues contienen nutrimentos requeridos para el crecimiento microbiano. Para reducir la descomposición de los alimentos y para prevenir las enfermedades de origen alimentario, la proliferación de microorganismos debe ser controlada. El deterioro del alimento debe ser minimizado para prolongar el tiempo durante el cual un nivel aceptable de características fisicoquímicas y organolépticas puede ser mantenido.

4.3.4 REQUERIMIENTOS DE OXIGENO

Según sus requerimientos de oxígeno los microorganismos pueden ser:

Aerobios estrictos: requieren oxígeno para crecer. Ej. Mycobacterium tuberculosis.

Anaerobios facultativos: pueden crecer en presencia o en ausencia de oxígeno.

Ej. Levaduras, enterobacterias.

Anaerobios estrictos: crecen en ausencia de oxígeno. En presencia de oxígeno su crecimiento cesa, algunos mueren rápidamente. Ej. Especies del género Clostridium.

Anaerobios aerotolerantes: crecen en ausencia de oxígeno, pero la presencia de oxígeno no perjudica su crecimiento. Ej.: Especies del género Lactobacillus.

Microaerofílicos: requieren pequeñas concentraciones de oxígeno para crecer.

Ej.: Especies del género Spirillum.

4.3.5 PH

La acidez o alcalinidad de un medio de cultivo se expresa por su pH. Para la mayoría de las bacterias el pH óptimo de crecimiento está entre 6,5 y 7,5 aun cuando algunas pocas especies pueden crecer en los extremos del rango de pH. Las levaduras y los mohos pueden crecer a valores de pH más bajos.

El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones hidronio [H3O+] presentes en determinadas sustancias.

Cuando se cultivan los microorganismos en un medio de cultivo originalmente ajustado a un pH dado, 7 por ejemplo, es probable que este pH cambie como resultado del metabolismo de esos microorganismos, el cambio de pH puede ser tan grande que eventualmente podría inhibir el crecimiento de esos microorganismos.

Para mantener un pH relativamente constante durante el crecimiento microbiano, se le añaden sustancias buffer a muchos medios de cultivo.

La neutralidad es necesaria porque existen en las células muchos componentes sensibles a ácidos y a álcalis, por ejemplo el ADN y el ATP son destruidos a pH ácido y el ARN y los fosfolípidos son sensibles a pH alcalino.

El pH óptimo de las enzimas intracelulares es usualmente cercano a la neutralidad.

Los diferentes microorganismos a menudo requieren de ambientes distintos, con variadas temperaturas, niveles de oxígeno, luz y acidez o nivel de pH.

AcidófilosLos microorganismos que tienen un crecimiento óptimo en niveles de pH inferiores a 5 se llaman acidófilos. Estos microbios se encuentran en varios entornos, incluyendo los géiseres y las piscinas sulfúricas, así como en el estómago humano.

Alcalófilas

Los microorganismos alcalófilos tienen un crecimiento óptimo en valores de pH entre 9 y 12. Estos microorganismos crecen en lagos, suelos alcalinos y otros entornos de pH alto.

NeutrófilosLos valores de pH neutro, entre 6 y 8, son más comunes en la naturaleza. A lo largo de su evolución, la mayoría de los microorganismos se han adaptado para tener crecimientos óptimos en entornos de acidez neutra.

4.3.6 PRESIÓN OSMÓTICALos microorganismos requieren agua para su crecimiento, además para obtener nutrientes de ésta. Una presión osmótica alta causa pérdida de agua y plasmólisis de la célula, por lo que se utiliza este fenómeno para conservar los alimentos ya sea añadiendo sal o azúcar, lo que previene el crecimiento bacterial.

Algunas bacterias se han adaptado a altas concentraciones de sal, a éstas se les conoce como halófilos extremos. Por otro lado, los halófilos facultativos no requieren una alta concentración de sal, pero pueden crecer hasta una concentración de 2%. Otras bacterias pueden tolerar hasta un 15% de sal.