fisiologia y metabolismo microbiano
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1) El documento describe la estructura y función celular de las células microbianas, incluyendo su pared celular, membrana, citoplasma, ribosomas, nucleoide y otros componentes. 2) Luego describe los procesos del metabolismo central de las células, incluyendo la glucólisis, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. 3) Finalmente, cubre los requerimientos nutricionales de los microorganismos como fuentes de carbono, energía, temperatura, humedad
fisiologia y metabolismo microbiano
- 2. 4.1.- Estructura y función celular Las células microbianas están constituidas de sustancias químicas de una amplia diversidad de tipos y, cuando una célula crece, todos sus constituyentes químicos aumentan en cantidad apropiada. • Los elementos químicos básicos de una célula, viene del exterior, pero estos elementos químicos son transformados por la propia célula en los constituyentes característicos.
- 3. pared celular: Gram positivos y Gram negativos membrana citoplasmática: esta formada por fosfolípidos y proteínas, y a diferencia de las eucariotas, no contiene esteroles (excepto el mycoplasma). citoplasma: formado 85 % por agua. contiene los ribosomas y el cromosoma bacteriano. ribosomas :compuestos por arn ribosómico. su importancia radica en ser el sitio de acción de numerosos antibióticos: aminoglucosidos, tetraciclinas, cloranfenicol, macrolidos y lincosamidas. nucleoide o cromosoma bacteriano: llamado también equivalente nuclear. no posee membrana nuclear (de alli el termino nucleoide). esta formado por un único filamento de adn apelotonado (superenrollado). capsula: estructura polisacárido de envoltura. factor de virulencia de la bacteria.
- 4. flagelos: estructuras proteicas, de mayor longitud que los pili. de estructura helicoidal y locomotores (responsables de la motilidad bacteriana). fimbrias o pili : son estructuras cortas parecidas a pelos. visibles solo al microscopio electrónico. carentes de motilidad. esporas: estructura presente en algunas especies bacterianas exclusivamente bacilares. le permite a la célula sobrevivir en condiciones extremadamente duras. glicocalix: entramado de fibrillas polisacaridas situadas en posición extracelular. facilita la adherencia. plásmidos y transposones:los plásmidos (plasmidios) son elementos extracromosómicos compuestos por adn de doble cadena, con frecuencia circular, autoreplicativos y autotransferibles.
- 5. 4.2.- Metabolismo central El metabolismo central se encarga de procesar azúcares y convertirlas en compuestos que luego son redirigidos al resto del metabolismo y, en última instancia, a todas las funciones celulares.
- 6. El metabolismo central se compone de la glucólisis, el ciclo de Krebs (o ciclo de ácidos tricarboxílicos, TCA) y proceso terminal respiratorio.
- 8. 4.2.1.- Glicolisis La glucólisis 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. Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos.
- 9. 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 continuar entregando energía al organismo.
- 10. 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.
- 11. 4.2.2.- Ciclo de Krebs. Es una ruta metabólica, es decir, una sucesión de reacciones químicas, que forma parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas. En células eucariotas se realiza en la mitocondria.
- 12. En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).
- 13. El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo. El Ciclo de Krebs fue descubierto por el alemán Hans Adolf Krebs, quien obtuvo el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1953, junto con Fritz Lipmann.
- 14. 4.2.3.- Cadena transportadora de electrones. El transporte de electrones implica que un compuesto se va a oxidar (el que pierde electrones) y otro se va a reducir (el que aceptará los electrones)e-e-ABe-e-Se oxida Se reduce.
- 15. El último aceptor de electrones es el Oxígeno molecular NADH + H reducido o el FADH generados en el citoplasma liberan e y H (aumento de H exterior carga +) Liberación de H transporta los e- Protones cruzan membrana pasan por ATPasa (rotor) Conversión de ADP + Pi en ATP
- 16. Moléculas importantes Nucleótidos de nicotinamida y de flavina (NAD y FAD) Ubiquinona o coenzima Q: Transporta electrones en cadenas de transferencia de electrones asociadas a membranas. Citocromos: Proteínas con un grupo hemo. Complejos enzimáticos
- 17. 4.2.4.- Fosforilacion oxidativa Es un proceso metabólico que utiliza energía liberada por la oxidación de nutrientes para producir adenosín trifosfato (ATP). Se le llama así para distinguirla de otras rutas que producen ATP con menor rendimiento, llamadas "a nivel de sustrato". Se calcula que hasta el 90% de la energía celular en forma de ATP es producida de esta forma.
- 18. Tiene lugar en el interior de la mitocondria. Consta de 2 partes: En la primera, la energía libre generada mediante reacciones químicas redox en varios complejos multiproteicos, se emplea para producir, por diversos procedimientos como bombeo, ciclos quinona/quinol o bucles redox, un gradiente electroquímico de protones a través de una membrana asociada en un proceso llamado quimiosmosis.
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- 20. 4.2.4.- Metabolitos primarios Los metabolitos primarios, muy abundantes en la naturaleza, son indispensables para el desarrollo fisiológico de la planta; se encuentran presentes en grandes cantidades, son de fácil extracción y su explotación es relativamente barata (Petiard y Bariaud-Fontanel, 1987) y conducen a la síntesis de los metabolitos secundarios.
- 21. 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.
- 22. Pertenecen a este grupo los aminoácidos, los nucleótidos, las vitaminas, los ácidos orgánicos, y pueden incluirse también biopolímeros como enzimas. Los procesos de obtención son aerobios y la formación de estos productos ocurre principalmente en organismos que han sido sometidos a mutaciones o que se los hace crecer en medios deficientes. En cualquier caso lo que se pretende es lograr una regulación anormal del metabolismo tal que la fuente de carbono y energía se derive hacia la formación del producto deseado.
- 23. Diferencias entre metabolitos primarios y secundarios Metabolitos primarios Metabolitos secundarios Productos del metabolismo Productos del metabolismo general especial Ampliamente distribuí dos en Biosintetizados a partir del metabolismo primario plantas y microorganismos Indispensables para la vida Distribución restringida a ciertas plantas, microorganismos Aminoácidos de proteínas, Distribución taxonómica monosacáridos, lípidos, restringida (a veces ácidos derivados del ciclo de característico de un género dado o de una especie) los ácidos tricarboxílicos, glúcosidos, etc No indispensables para la vida Alcaloides, terpenos, flavonoides, esteroides, cumarinas, etc.
- 24. 4.2.6.- Metabolitos 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.
- 25. 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.
- 26. Productos de metabolismo secundario: Pertenecen a este grupo los antibióticos, las toxinas, los alcaloides y las giberelinas. como aquellos que no son indispensables para las funciones vitales del microorganismo, a diferencia de los metabolitos primarios, aunque tal afirmación se encuentre actualmente en revisión. Por otra parte estos precursores suelen ser limitantes de la biosíntesis. El cultivo continuo y el bath alimentado son sistemas de cultivo que permiten regular la velocidad de crecimiento, y por tanto muy apropiados para obtener este tipo de productos. Los productos de este grupo comparten con el anterior la necesidad de un adecuado suministro de oxígeno para su formación. Cuando este requisito no es satisfecho los rendimientos disminuyen.
- 27. 4.3.- Nutrición microbiana Compuestos elementales Moléculas pequeñas Escisión de complejos moleculares por exoenzimas.
- 28. Condiciones para el crecimiento microbiano Crecimiento Condiciones de cultivo temperatura pH luz aireación actividad de agua potencial redox Medios de cultivo Nutrientes fuente de energía agua fuentes de C, N, otros elementos Metabolitos esenciales micronutrientes, factores de crecimiento
- 29. Grupos nutricionales • Fuentes de carbono – autótrofos - CO2 – heterótrofos - compuestos orgánicos – Metilótrofos – Compuestos de un carbono (metanol, metilaminas) • Fuentes de energía – fotótrofos - utilizan luz – quimiótrofos - utilizan compuestos orgánicos: organótrofos inorgánicos: litótrofos
- 30. 4.3-1.- macro y micronutrientes Macronutrientes: son aquellos nutrientes que suministran la mayor parte de la energía metabólica del organismo. Los principales son glúcidos, proteínas, y lípidos. Otros incluyen alcohol y ácidos orgánicos. Se diferencian de los micronutrientes las vitaminas y minerales en que estos son necesarios en pequeñas cantidades para mantener la salud pero no para producir energía. H O C N 95% S P K Mg Na Ca Fe
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- 33. 4.3.-2.- Temperatura Los microorganismos se encuentran en casi todos los ambientes, incluso ambientes muy extremos. Psicrófilos - rango: < 0-20 C, óptimo < 15oC – organismos marinos, algas: Chlamydomonas nivalis (nieve rosada), bacterias: Pseudomonas, Flavobacterium – membrana contiene alto % de ácidos grasos insaturados Psicrótrofos o Sicrófilos facultativos - rango: 0-35 C, óptimo 2030oC – Pseudomonas - crecen en el refrigerador
- 34. .Mesófilos - rango: 1545 C, óptimo: 30-40 C – la mayoría de los microorganismos (del suelo, aguas, patógeno s) • Hipertermófilos rango: 80-113 C, óptimo > 90oC – Pyrococcus, Pyrodictium (aguas termales) Termófilos - rango: 4070 C, óptimo de 5565oC – membrana contiene alto % de ácidos grasos saturados – enzimas estables al calor – Bacillus stearothermophilus, organismos de compostaje
- 35. Temperaturas extremas •Psicrófilos: microorganismos capaces de crecer a bajas temperaturas. ÞP sicrófilos obligados ÞP sicrófilos facultativos •Termófilos: microorganismos capaces de crecer a temperaturas superiores a 45ºC. En la naturaleza hay pocos ambientes con temperaturas tan elevadas:
- 36. 4.3.3.- Humedad Generalmente todas las células con un metabolismo activo requieren agua del ambiente.
- 37. A diferencia de los organismos superiores, los organismos unicelulares están expuestos directamente a su ambiente.
- 38. La mayoría de las células vegetativas solo pueden vivir pocas horas sin humedad, solo las esporas y los organismos formadores de esporas pueden existir en un ambiente seco.
- 39. 4.3.4.- Requerimientos de oxigeno Clasificación de los microorganismos según el efecto del oxígeno: ÞAerobios obligados o estrictos: requieren oxígeno (21% o más) Ej. Bacillus, hongos, etc. microaerofílicos: lo requieren pero a niveles menores que el atmosférico (5-10%) Ej. Azospirillum
- 40. Þanaerobios facultativos: no requieren oxígeno, pero el desarrollo es mejor con oxígeno. Ej. Levaduras, E. coli aerotolerantes: no son sensibles al oxígeno (crecen en ausencia o presencia de oxígeno). Ej. Enterococcus faecalis, Sreptococcus spp.
- 41. obligados o estrictos: no toleran el oxígeno, muere en su presencia Ej. Methanobacterium, Clostridium
- 42. 4.3.5.- pH Clasificación de los microorganismos según su pH óptimo: ÞNeutrófilo: pH óptimo 7 - Ej.: bacterias patógenas humanas.
- 43. ÞAcidófilo: pH óptimo < 7 - Ej.: muchas de las archeobacterias y hongos.
- 44. ÞBasófilo: pH óptimo > 7 - Suelos y aguas ricas en carbonatos.
- 45. 4.3.6.- Presión osmótica La mayoría de las bacterias pueden tolerar un rango amplio de concentraciones de sustancias disueltas. Su membrana contiene un sistema enzimático llamado permeasas que regulan el movimiento de estas a través de las membranas. Si la concentración fuera de la célula se torna demasiado alta, la perdida de agua puede inhibir o detener el crecimiento celular. Es la manera de expresar la disponibilidad de agua, varía entre 0 y 1 Ej.: suelo agrícola 0,9-1,0; harinas 0,7; chorizos 0,85
- 46. Clasificación de los microorganismos según su capacidad para crecer en ambientes con distinta actividad de agua: • halófilos: crecen en ambientes salinos.
- 47. • osmófilos: crecen en ambientes con alta concentración de azúcar. • xerófilos: crecen en ambientes muy secos
- 48. 4.3.7.- Luz La energía radiante, particularmente la luz ultravioleta, puede causar mutaciones y eventualmente ocasionar la muerte de los organismos.
- 49. Sin embargo algunos microorganismos tiene pigmentos que los protegen de la radiación y ayudan a prevenir el daño del ADN.
- 50. Otros poseen sistemas enzimáticos que pueden reparar algunos tipos de daños del ADN.