Fisiología Bacteriana: Metabolismo, Crecimiento y Desarrollo Celular

Composición Química de las Células

UAX Universidad Alfonso X el Sabio TEMA 3 FISIOLOGÍA BACTERIANA METABOLISMO, CRECIMIENTO Y DESARROLLO Septiembre 2023 @ 2023 UAXUAX 2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS CÉLULAS

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Nutrición Bacteriana

UAX NUTRICIÓN Es el proceso mediante el cual los seres vivos toman del medio en el que habitan, las sustancias químicas que necesitan para obtener energía y para la síntesis de macromoléculas celulares. A estas sustancias se las denomina Nutrientes uax.com Confidential & Proprietary4

Tipos de Nutrientes Necesarios para los Microorganismos

TIPOS DE NUTRIENTES NECESARIOS PARA LOS MICROORGANISMOS

Nutrientes Básicos

NUTRIENTES BÁSICOS. H2O, C, N, P, S, K, Mg, Ca, Na, Fe, Cu, Co, Mn, Si, Zn, ....

Metabolitos Esenciales

METABOLITOS ESENCIALES. Productos formados en los procesos de catabolismo energético bacteriano, que son importantes para la síntesis de estructuras complejas de la bacteria. Ej: PIRÚVICO5

Factores de Crecimiento

TIPOS DE NUTRIENTES NECESARIOS PARA LOS MICROORGANISMOS FACTORES DE CRECIMIENTO. Compuestos que sin ser una fuente de energía ni de carbono para los microorganismos, son necesarios para su crecimiento porque estos no son capaces de sintetizarlos. aas, BASES PÚRICAS Y PIRIMIDÍNICAS, VITAMINAS ...

Factores Estimulantes

FACTORES ESTIMULANTES. Sustancias que, sin ser indispensables para la bacteria, pueden acelerar su multiplicación.6

Categorías Nutricionales de los Microorganismos

CATEGORÍAS NUTRICIONALES DE LOS MICROORGANISMOS7 La clasificación de los microorganismos según su nutrición se basa en dos conceptos:

• Naturaleza de la fuente de energía (E):
• LUZ -> fototrofos
• Compuestos químicos -> quimiotrofos
• Naturaleza de la fuente principal de carbono (C):
• Inorgánica > autótrofos
• Orgánica > heterótrofos8

Clases de Microorganismos por Nutrición

CATEGORIAS DE NUTRICIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Utilizando estos criterios, 4 clases de microorganismos:

1. FOTOAUTÓTROFOS. Utilizan la luz como fuente de E y el CO2 como principal fuente de C. Ej: bacterias fotosintéticas.
2. FOTOHETERÓTROFOS. Utilizan la luz como fuente de E y compuestos orgánicos como principal fuente de C. Ej: algunas bacterias rojas y verdes.

LUZ 02 CO 2 células FOTOAUTÓTROFO LUZ compuestos orgánicos células FOTOHETEROTROFO9

1. QUIMIOAUTÓTROFOS (QUIMIOLITOTROFOS). Utilizan una fuente de E química y el CO2 como principal fuente de C. Obtienen E por oxidación de compuestos inorgánicos reducidos como NH4+, NO2 , H2 y formas reducidas de S (SH2, S, S2O3-2). Ej: bacterias del azufre.

H2S Fe2+ S Fe3 CO2 células QUIMIOAUTOTROFO

1. QUIMIOHETERÓTROFOS. Usan una fuente química de E y un substrato orgánico como principal fuente de carbono. Tanto el C como la E pueden obtenerse normalmente del metabolismo de un único compuesto orgánico. Ej: la gran mayoría de bacterias y entre ellas las de interés clínico.

compuestos orgánicos células QUIMIOHETEROTROFOCATEGORIAS DE NUTRICIÓN DE LOS MICROORGANISMOS LUZ O2 CO 2 células FOTOAUTÓTROFO LUZ compuestos orgánicos células FOTOHETEROTROFO 1011

Modo de Ingestión de Nutrientes

Según el modo de ingestión de nutrientes los microorganismos se clasifican en:

• OSMOTROFOS: Ingieren los nutrientes en solución. Ej: las BACTERIAS y HONGOS.
• FAGOTROFOS: Ingieren los nutrientes por fagocitosis. Ej: los PROTOZOOS.12

Condiciones Físico-Químicas para el Desarrollo Microbiano

CONDICIONES FÍSICO-QUÍMICAS PARA EL DESARROLLO DE LOS MICROORGANISMOS

• O2
• CO 2
• PRESIÓN OSMÓTICA
• RADIACIONES
• TEMPERATURA
• PH
• HUMEDAD13

Requerimientos de Oxígeno

O2 Microorganismos AEROBIOS ESTRICTOS. Realizan una respiración aeróbica para cubrir sus necesidades energéticas. El O2 funciona como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria. -MICROAEROFILOS. Requieren oxígeno, pero a presiones parciales más bajas que las atmosféricas.14 ANAEROBIOS. Obtienen Energía mediante reacciones que no implican la utilización de O2. ANAEROBIOS ESTRICTOS. § Solo crecen en ausencia de O2, no pudiéndose desarrollar con una tensión de oxígeno (pO2) mayor a 0.5%. · ANAEROBIOS-AEROTOLERANTES. Anaerobios que pueden tolerar la presencia de O2, pero son incapaces de usarlo metabólicamente. · ANAEROBIOS FACULTATIVOS. No necesitan el O2 para su normal crecimiento, pero si está presente lo usan metabólicamente.15

Anaerobios facultativos Aerobios estrictos Microaerófilos Anaerobios estrictos 1 1 Anaerobios aerotolerantes (a) (b) (c) (d) (e) Crecimiento aeróbico, anaeróbico, facultativo, microaerófilo, y anaerobio aerotolerante, revelado por la posición de las colonias microbianas (puntos negros) en tubos de medio que llevan una pequeña cantidad de agar. Se ha añadido el indicador redox llamado resazurina, que es rosa cuando se oxida e incoloro cuando está reducido. (a) El oxígeno penetra sólo una corta distancia desde lo alto del tubo (manifestado por el color rosa), de modo que los aerobios obligados solo crecen pegados a la parte superficial. (b) Los anaerobios, al ser sensibles al oxígeno, crecen solo lejos de la superficie, hacia el fondo. (c) Los anaerobios facultativos, capaces de crecer en presencia y en ausencia de oxígeno crecen a lo largo del tubo, pero al tener metabolismo aerobio en presencia de oxígeno, crecen mejor cerca de la superficie. (d) Los microaerófilos crecen un poco por debajo de la superficie, en condiciones en las que la concentración de oxígeno es inferior a la atmosférica. (e) Los anaerobios aerotolerantes crecen en todo el tubo, pero su crecimiento no es mejor cerca de la superficie (no tienen metabolismo respiratorio, sino fermentativo).16

Reacción de la Catalasa

Reacción de la catalasa Este sencillo experimento lo vas a realizar tú mismo en la 2ª tanda de prácticas. Es un método para probar si una bacteria posee actividad catalasa. Cada una de las dos gotas de la foto contiene 30% de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). En cada gota se resuspende una carga de bacterias mediante el asa de siembra. La de la izquierda muestra un resultado catalasa negativo. La de la derecha, un resultado catalasa positivo: observa el burbujeo intenso de O2, uno de los productos de la reacción.17

Requerimientos de CO2

CO 2 Casi todas las bacterias lo requieren en pequeñas cantidades, siéndoles suficiente el presente en el aire atmosférico, o el que obtienen de reacciones de oxidación y fermentación de la propia célula. Otras en cambio, necesitan elevadas concentraciones de CO2 (5-10%); estufas de CO2. CAPNÓFILOS: Microorganismos que se desarrollan mejor en presencia de CO2. Ej: bacterias del género Brucella y género Neisseria.18

Presión Osmótica

PRESION OSMÓTICA Según la concentración de sales (fundamentalmente de NaCl) que soporten los microorganismos, estos se clasifican en:

• NO HALÓFILOS: Toleran bajas concentraciones de NaCl.
• HALÓFILOS: Toleran elevadas concentraciones de NaCl.19

Radiaciones

RADIACIONES Tanto las radiaciones ionizantes () ≤ 200 nm: UV onda corta, radiación y y rayos X), como las no ionizantes () > 200 nm: UV onda larga) tienen efectos mutágenos y letales en todas las bacterias.20

Temperatura

TEMPERATURA Los microorganismos se clasifican según el margen de Tª dentro del que pueden desarrollarse en:

• PSICRÓFILOS. 0-35 ºC.
• MESÓFILOS. 20-45 ºC.
• TERMÓFILOS. > 55 ºC Rangos de temperaturas que permiten el crecimiento de diversas bacterias

? 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Psicrófilos Termófilos Hipertermófilos Gallionella Mesófilos Thermus Termófilos extremos Pyrodictium Escherichia coli Sulfolobus

pH

PH PH óptimo de las bacterias: 7.2 pH óptimo de los hongos: 5-6 Preferencias por el pH de algunas bacterias 1 pH 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 acidófilos neutrófilos alcalófilos Acetobacter Pseudomonas Natronobacterium Sulfolobus Lactobacillus Rhizobium 2122

Humedad

HUMEDAD El 80% de su peso total es H2O. Requieren un cierto grado de humedad ambiental. Algunos microorganismos son capaces de crecer en ambiente muy seco se les llama Xerófilos.23

Metabolismo Bacteriano

METABOLISMO BACTERIANO Se denomina "Metabolismo bacteriano" al conjunto de reacciones químicas que se producen en las células vivas. Las reacciones metabólicas se dividen en dos grupos:

• Catabolismo: descomponen sustratos en sustancias más sencillas y se libera energía.
• Anabolismo: Reacciones en las que se gasta energía para elaborar materiales propios de la célula.24

Productos de desecho, productos de Fermentación, aceptores de electrones reducidos Nutrientes para la síntesis Energia Energía Anabolismo (biosintesis) Catabolismo Macromolecules y otros componentes Productos químicos, luz (fuente de energía)25

Etapas del Catabolismo

ETAPAS DEL CATABOLISMO

1. DIGESTIÓN: Las exoenzimas bacterianas descomponen macromoléculas demasiado grandes para penetrar en la célula.
2. ABSORCIÓN: Entrada de las moléculas en la célula bacteriana.26
3. PREPARACIÓN: En el interior de la bacteria las endoenzimas hidrolizan aún más las moléculas para que puedan ser oxidadas.
4. OXIDACIÓN BIOLÓGICA: Oxidación de sustancias orgánicas para liberar energía en forma de ATP.27

Vías Metabólicas

Oligosacáridos VÍAS METABÓLICAS Hexosas GLUCOSA Polisacáridos Vía glucolítica Vía aeróbica Triosafosfatos Vía anaeróbica de E.Duodoroff Vía de EMP Fosfoenolpiruvato Aminoácidos aromáticos ATP Aminoácidos Piruvato Lípidos (a. grasos) Acetil CoA Etanol, lactato, succinato, propionato ... ↓ Aminoácidos Pirimidinas Ciclo del ácido tricarboxílico KREBS CO2 Vía EMP: vía de Embden-Meyerhoff o glucolisis28

Oxidación Biológica

OXIDACIÓN BIOLÓGICA Respiración o fosforilación oxidativa: combustión de un sustrato con liberación de energía e hidrógenos, capaces de reducir a un aceptor final.

• Respiración aerobia: Si el aceptor final es el oxígeno.
• Respiración anaerobia: aceptor final es otro compuesto inorgánico (nitritos, carbonatos, fumaratos ... )

2CO2 H* NAD NADH Co A C 3 NADH e Piruvato Acetil-Co A 3H Q e 4H 2 Piruvato 2H e FAD 2H Cit 2H 2 NADH 2 ATP 2H H,O 2ADP 2 P 2NAD . ATP P ADP H· sintasa ATP P ADP Glucosa La respiración aerobia en bacterias sirve para generar energía química en forma de adenosina trifosfato (ATP) y poder reductor en forma de nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) o flavin adenín dinucleótido (FADH2). Comienza en la glicolisis, continua en la conversión de piruvato en Acetil coenzima A (Acetil-CoA) el cual se procesa en el ciclo de Krebs generando dióxido de carbono (CO2) y poder reductor que se aprovecha en la cadena transportadora de electrones donde se transfieren electrones (e) que llegan al oxígeno (O2) y se genera un gradiente de protones (H*) que se aprovecha para generar energía mediante la ATP sintasa. Cadena transportadora de electrones NADH 4H 3 NAD " NAD* e' Ciclo de Krebs O2 C FADH2 Glicolisis