unidad 4
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El documento trata sobre la fisiología y el metabolismo microbiano. Explica conceptos clave como el metabolismo microbiano, la glucólisis, el ciclo de Krebs, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. También describe los nutrientes necesarios para el crecimiento microbiano, incluyendo macronutrientes como el carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y micronutrientes como el fósforo y potasio.
unidad 4
- 1. Instituto Tecnológico De Ciudad Altamirano microbiología Tema: fisiología y metabolismo microbiano Facilitador(a): Erika Oropeza Bruno Integrante: Esteban Martínez rojas
- 3. Metabolismo microbiano es el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse.
- 4. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a . menudo distinguirse en función de estas estrategias
- 5. Las características metabólicas específicas de un microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales.
- 6. Estructura y función celular Los microorganismos son muy importantes tanto para el equilibrio de la biósfera como para por que se han desarrollado procedimientos para la biotransformación industrial de productos. Son ubicuos y presentan la mayor diversidad genética de todos los organismos.
- 7. Los microorganismos pueden ser tanto procariontes como eucariontes. Sin embargo, en este curso nos centraremos en los procariontes. Estos últimos, no presentan un núcleo definido ni comparta mentalización completa del citoplasma. No se puede decir que sean menos evolucionados, pero sí que algunos son semejantes a los organismos que existieron en el inicio de la vida.
- 8. Los procariontes presenta: Una pared celular (casi universalmente), ésta es de materiales diferentes y se compararán, en este capítulo, las paredes celulares de Bacteria, Archaea y Eukaria. Además se describirán los organitos u organelos que presentan todos los procariontes.
- 9. Glucólisis La glucólisis o glicolisis (del griego glycos, azúcar y lisis, 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 continuar entregando energía al organismo. Reacción global de la glucólisis1 + Glucosa + 2NAD+ + 2ADP + 2 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H+ + 2H2O
- 10. El tipo de glucólisis más común y más conocida es la vía de Embden-Meyerhof, explicada inicialmente por Gustav Embden y Otto Meyerhof. El término puede incluir vías alternativas, como la vía de Entner-Doudoroff. No obstante, glucólisis se usa con frecuencia como sinónimo de la vía de Embden-Meyerhof. Es la vía inicial del catabolismo (degradación) de carbohidratos.
- 12. Ciclo de Krebs Esquema didáctico del ciclo del ácido cítrico. El ciclo de Krebs ( 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
- 14. En células eucariotas se realiza en la mitocondria. En las procariotas, el ciclo de Krebs se realiza en el citoplasma, específicamente en el citosol. 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). El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs supone la segunda. En la primera etapa, los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos (p. ej. desaminación oxidativa), la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera etapa es lafosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP según la teoría del acoplamiento quimiosmótico.
- 15. 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
- 16. Cadena de transporte de electrones
- 17. 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 dequimioautótrofos, mientras que los que utilizan la luz solar para tal evento se les conoce por el nombre de fotoautótrofos. Ambos tipos de organismos utilizan sus cadenas de transporte de electrones para convertir la energía en ATP.
- 18. Es llamada también cadena respiratoria. En los eucariotas las enzimas de la respiración están en unos orgánulos denominados mitocondrias mientras que en los organismos procarióticos se encuentran en la membrana citoplasmática
- 20. Esquema actual del sistema mitocondrial de la fosforilación oxidativa. Los equivalentes reducidos que se generan en el metabolismo (NADH, FADH2) son oxidados por la cadena de transporte de electrones. La energía libregenerada en esta reacción se emplea para bombearprotones (puntos rojos) desde la matriz mitocondrial hasta el interior de las crestas mitocondriales, para dar lugar a lafuerza protón-motriz. Cuando éste se disipa a través del retorno a la matriz de los protones a través de la ATP sintasa, la energía almacenada se emplea para fosforilar elADP con un grupo fosfato para formar ATP.
- 21. La fosforilación 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.1 Consta de dos etapas: en la primera, la energía libre generada mediante reacciones químicas redox en varios complejos multiproteicos -conocidos en su conjunto como cadena de transporte de electrones- 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. La cadena respiratoria está formada por tres complejos de proteínas principales (complejo I, III, IV), y varios complejos "auxiliares", utilizando una variedad de donantes y aceptores de electrones. Los tres complejos se asocian en supercomplejos para canalizar las moléculas transportadoras de electrones, la coenzima Q y el citocromo c, haciendo más eficiente el proceso.
- 22. Metabolitos primarios microbianos. Los metabolitos primarios son moléculas de bajo peso molecular que tiene lugar durante las fases de crecimiento y que contribuyen a la producción de biomasa o energía por las células. se producen durante la fase logarítmica de crecimiento como producto del metabolismo, y son esenciales para la funcion del microorganismo. La producción neta se relaciona con el crecimiento y la cantidad de sustrato. TROFOFASE.
- 23. El crecimiento microbiano depende de la capacidad de la célula para utilizar los nutrientes de las estructuras celulares y también los principales compuestos macromoleculares de las estructuras celulares y también los principales compuestos de peso molecular bajo necesarios para la actividad celular. El metabolismo intermediario incluye las reacciones que transforman los compuestos de carbono y nitrógeno que entran a la célula en nuevo material celular o en productos que son excretados. La síntesis de estos compuestos necesitan energía, y la mayoría de las células utilizadas en las fermentaciones industriales son heterótrofas y obtienen su energía a partir de la ruptura de compuestos orgánicos.
- 24. Los más importantes desde el punto de vista industrial son 1- Componentes esenciales y productos formados por los microorganismos: proteinas, acidos nucleicos, polisacaridos (dextranos, alginatos, gelanos, xantanos) y poliesteres (PHB y plasticos), acidos grasos (saturados e insaturados), esteroles (ergosterol) 2- Derivados del metabolismo intermedio: azucares (fructosa, ribosa, sorbosa), ácidos organicos (gluconico, ácido láctico, cítrico, acetico, propionico, succinico, fumarico), alcoholes (xilitol, etanol, glicerol, sorbitol, butanol), aminoacidos (Lys, Thr, Glu, Trp, Phe), vitaminas (carotenos, B2, B12), nucleotidos saborizantes (acidos inocinico y guanilico), polisacaridos y poliesteres de reserva. Microorganismos productores: bacterias, levaduras y hongos.
- 25. Metabolitos secundarios microbianos. Un tipo más complejo de productos industriales es aquel en el que el producto deseado no se produce durante la fase primaria del crecimiento sino durante la fase estacionaria. Los metabolitos producidos durante la fase estacionariase denominan metabolitos secundarios y son algunos de los metabolitos más comunes y más importantes de interés industrial.
- 26. Las características reconocidas del metabolismo secundario son: 1. Cada metabolito secundario sólo lo forman relativamente pocos organismos. 2. Los metabolitos secundarios, aparentemente no son esenciales para el crecimiento y la reproducción. 3. La formación de metabolitos secundarios es extremadamente dependiente de las condiciones de crecimiento, especialmente de la composición del medio. Con frecuencia, se produce la represión de la formación del metabolito secundario. 4. Con frecuencia, los metabolitos secundarios se producen como un grupo de estructuras estrechamente relacionadas. Por ejemplo, se ha visto que una sola cepa de una especia del Streptomyces produce 32 antibióticos distintos pero relacionados, del tipo antraciclina. 5. Con frecuencia es posible obtener una espectacular superproducción de metabolitos secundarios, en tanto que los metabolitos primarios, ligados como están al metabolismo primario, usualmente no se pueden superproducir de una manera tan espectacular.
- 27. Los metabolitos secundarios mejor conocidos son los antibióticos, de los que se han descubierto más de 5000, cifra que aumenta a razón de una media aproximada de 300 por año, aunque la mayoría carecen de utilidad pues son tóxicos para los organismos vivos. Aproximadamente el 75% de los antibióticos conocidos son producidos por actinomicetos. Algunas especies son excepcionales productores de antibióticos, por ejemplo Streptomyces gryseus produce al menos 40 antibióticos diferentes. El metabolismo secundario se da en fases Trofofase e idiofase.. La trofofase es la fase de crecimiento logaritmico (el prefijo trofos, significa "crecimiento" ) donde normalmente no se producen los metabolitos secundarios, mientras que la fase de producción de metabolitos es laidiofase.
- 28. NUTRICION DE LOS MICROORGANISMOS I.- La gran meta que tiene un microorganismo es crecer y dividirse; para ello necesita duplicar el material que posee. Las células utilizan elementos químicos que provienen del medio ambiente para transformarlos en los constituyentes característicos que componen dicha célula. Estos compuestos químicos se llaman nutrientes y el proceso por el cual una célula transforma estos nutrientes en sus componentes celulares se denomina anabolismo o biosíntesis.
- 29. La biosíntesis es un proceso que requiere energía. Esta energía se obtiene del medio ambiente. Las células pueden utilizar tres tipos distintos de fuentes de energía: luz, compuestos orgánicos o compuestos inorgánicos. Aunque algunos organismos obtienen su energía de la luz, la mayor parte lo hacen a través de compuestos químicos. Cuando estos compuestos químicos se rompen originando compuestos más simples se libera energía y a este proceso se le denomina catabolismo. El resultado colectivo de las reacciones anabólicas y catabólicas es el metabolismo. Cuando los microorganismos se separan de su hábitat (donde adquieren los nutrientes) y se cultivan en laboratorios o industrias se deben usar medios de cultivo que contengan los elementos químicos necesarios para su crecimiento.
- 30. NUTRIENTES Los nutrientes que requiere una célula para su crecimiento se pueden clasificar en los siguientes grupos: 1.- Macronutrientes: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. 2.- Micronutrientes: fósforo, potasio, azufre, magnesio. 3.- Vitaminas y hormonas 4.- Elementos traza: zinc, cobre, manganeso, molibdeno, cobalto.
- 31. MACRONUTRIENTES Y MICRONUTRIENTES MACRONUTRIENTES Carbono. Todos los organismos necesitan carbono en alguna de sus formas. El carbono forma el esqueleto de los tres más importantes nutrientes (carbohidratos, lípidos y proteínas) que se utilizan para la obtención de energía así como material celular. Los microorganismos que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono se llaman heterotrofos y aquellos que utilizan el CO2 como fuente de carbono se llaman autotrofos. Hidrógeno y Oxígeno. El hidrógeno y oxígeno forman parte de muchos compuestos orgánicos. Se encuentran en el H2O, como componentes de nutrientes y en la atmósfera. Además el O2 se utiliza en la respiración aeróbica como aceptor terminal de electrones.
- 32. Nitrógeno. Todos los organismos requieren nitrógeno. El nitrógeno es metabolizado y entra a formar parte de las proteínas, ácidos nucleicos y polímeros de la pared celular. Las fuentes de nitrógeno que pueden ser utilizadas por diferentes organismos incluyen el N2 atmosférico en algunos procariotas, otros utilizan compuestos inorgánicos como nitratos, nitritos o sales de amonio, mientras que otros requieren compuestos nitrogenados orgánicos como son los aminoácidos o péptidos.
- 33. MICRONUTRIENTES Fósforo. El fósforo es esencial para la síntesis de ácidos nucleicos y ATP; también forma parte de los fosfolípidos y polímeros de la pared celular. El fósforo se suministra normalmente como fosfato inorgánico; alternativamente se puede utilizar fosfato orgánico como son los glicerofosfatos y fosfolípidos. Azufre. El azufre es necesario para la biosíntesis de los aminoácidos cisteina, cistina y metionina. También forma parte de coenzimas como biotina, coenzima A y ferredoxina. El azufre se suministra en forma inorgánica como sulfato u orgánica como cistina, cisteina y metionina. Magnesio. Se utiliza como cofactor de reacciones enzimáticas donde actúa el ATP. Potasio. El ión potasio actúa como coenzima y probablemente como catión en la estructura de RNA y otras estructuras aniónicas celulares.
- 34. TEMPERATURA Atendiendo a este margen de temperatura de crecimiento, los microorganismos se clasifican en: Hipertermófilos: Su temperatura óptima se encuentra por encima de los 80ºC. Muchos de ellos son arqueas. Termófilos: Su temperatura óptima se encuentra entre 45-70ºC. Suelen ser microorganismos de vida libre Mesófilos: Su temperatura óptima se encuentra entre los 25-45ºC. Incluye microorganismos patógenos y comensales del hombre y animales de sangre caliente y algunos de vida libre. Psicótrofos: La temperatura óptima de los microorganismos de este grupo está por debajo de los 25 – 30°C incluye microorganismos de vida libre. Psicrófilos: Su temperatura óptima de desarrollo se encuentra entre los 12 – 15°C
- 36. El crecimiento de los microorganismos se encuentra influenciado por varios factores. Entre ellos los más importantes son la aireación y la temperatura. En cuanto a este último, la Temperatura, los microorganismos tienen un margen de temperaturas en el cual pueden crecer. Este margen viene delimitado por la temperatura máxima de crecimiento, a partir de la cual no pueden vivir e incluso mueren; la temperatura mínima por debajo de la cual no pueden crecer aunque generalmente no mueren; y la temperatura óptima a la cual ofrecen el mejor crecimiento. Factores que influyen en el desarrollo de microorganismos: la temperatura. Temperatura máxima, óptima y mínima. Hipertermófilos, termófilos, mesófilos y psicrófilos.
- 38. pH: La mayoría de las bacterias son neutrófilas,p e r o e x i s t e n l a s q u e se desarrollan en medios á c i d o s y en medios básicos. Según el pH óptimo decrecimiento
- 39. Neutrófilos pH 6.5-7.5 Acidófilas pH 2-4 Basófilos o alcalófilos pH 8-9
- 40. Presión osmótica Esquema de una membrana semipermeable. Las moléculas grandes de la sangre no pueden atravesar la membrana, mientras que las pequeñas de solvente sí. La presión osmótica puede definirse como la presión que se debe aplicar a una solución para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable.1 La presión osmótica es una de las cuatro propiedades coligativas de las soluciones (dependen del número de partículas en disolución, sin importar su naturaleza). Se trata de una de las características principales a tener en cuenta en las relaciones de los líquidos que constituyen el medio interno de los seres vivos, ya que la membrana plasmática regula la entrada y salida de soluto al medio extracelular que la rodea, ejerciendo de barrera de control.
- 41. Cuando dos soluciones se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable (membrana que deja pasar las moléculas de disolvente pero no las de los solutos), las moléculas de disolvente se difunden, pasando habitualmente desde la solución con menor concentración de solutos a la de mayor concentración. Este fenómeno recibe el nombre de ósmosis, palabra que deriva del griego osmos, que significa "impulso".2 Al suceder la ósmosis, se crea una diferencia de presión en ambos lados de la membrana semipermeable: la presión osmótica.
- 43. humedad Una alta humedad relativa puede provocar condensación de humedad en los alimentos, el equipo, paredes y techos. La condensación causa superficies húmedas, que conducen al crecimiento microbiano y descomposición. El crecimiento microbiano es inhibido por una humedad relativa baja. Cuando los alimentos con valores bajos de Aw se colocan en ambientes de alta RH, los alimentos toman humedad hasta que se alcanza el equilibrio. De manera similar, los alimentos con alta Aw pierden humedad cuando se colocan en un ambiente con baja RH. Hay una relación entre RH y temperatura que debe tenerse en cuenta al seleccionar los ambientes de almacenamiento apropiados para los alimentos. En general, cuanto mayor la temperatura, menos será la RH, y viceversa. Las bacterias requieren una humedad mayor que levaduras y hongos. La humedad relativa óptima para las bacterias es de 92% o superior, mientras que las levaduras prefieren valores de 90% o superior y los hongos prosperan si la humedad relativa está entre 85% y 90%. .
- 44. La humedad relativa (RH, por sus siglas en inglés) del ambiente es importante desde el punto de vista de la actividad acuosa dentro de los alimentos y del crecimiento de microorganismos en las superficies. Este factor extrínseco afecta el crecimiento microbiano y puede ser influenciado por la temperatura. Todos los microorganismos tienen un alto requerimiento por agua, necesaria para su crecimiento y actividad. Cuando la Aw de un alimentos se establece a 0.60, es importante que este alimento sea almacenado bajo condiciones de RH que no permitan que al alimento tome humedad del aire y por tanto incremente su propia Aw de la superficie y sub-superficie a un punto donde pueda darse el crecimiento microbiano.
- 45. Los alimentos que experimentan descomposición superficial por hongos, levaduras y ciertas bacterias deberán ser almacenados bajo condiciones de baja RH. Las carnes mal empacadas como pollos enteros y cortes de res tienden a sufrir mucha descomposición superficial en el refrigerador antes de que ocurra la descomposición profunda, debido a la generalmente alta RH en los refrigeradores y al hecho de que la biota que descompone la carne es esencialmente aerobia en naturaleza. Aunque es posible disminuir la posibilidad de descomposición superficial en ciertos alimentos almacenándolos en condiciones de baja RH, debe recordarse que el alimento en si perderá humedad hacia la atmósfera bajo dichas condiciones y por tanto se volverá indeseable
- 46. Los organismos fotosintéticos deberán ser expuestos a una fuente de iluminación, la cuál no debe plantear problemas de variación de temperatura, por lo que suelen usarse lámparas fluorescentes con un desprendimiento mínimo de calor.
- 47. Fuente de C Fuente de energía Tipo de bacteria Nombre Ejemplos CO2 Luz Autótrofas fotosintéticas fotolitotrofas Bac. Fotosintéticas, algas y cianobacterias CO2 Redox (inorgánicos Autótrofas quimiosintéticas quimiolitotropas Bacterias de H2, nitrificantes y del S CO Luz Heterótrofas fotosintéticas fotorganotrofas Bacterias rojas y verdes no del S CO Redox (orgánicos) Heterótrofas quimiosintetica quimiorganotrofas Bacterias restantes, protozoos, hongos y animales