bioquímica y fisiología microbiana tema 1. introducción
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Bioquímica y Bioquímica y fisiología microbianafisiología microbiana
Tema 1. IntroducciónTema 1. Introducción
¿Qué es BFM?¿Qué es BFM?
☁ FisiologíaFisiología☁ El estudio de las funciones de los El estudio de las funciones de los
organismos entendiendo que los organismos entendiendo que los procesos de la vida están mediados procesos de la vida están mediados por sus estructuras, relación por sus estructuras, relación estructura-función.estructura-función.
☁ BioquímicaBioquímica☁ El estudio de las reacciones químicas El estudio de las reacciones químicas
que soportan la vida. que soportan la vida. ☁ También están relacionadas la También están relacionadas la
estructura con la posibilidad de llevar estructura con la posibilidad de llevar al cabo reacciones bioquímicas.al cabo reacciones bioquímicas.
ObjetivosObjetivos
☁ Introducir la bioquímica y fisiología Introducir la bioquímica y fisiología microbiana como tema de estudio científico.microbiana como tema de estudio científico.
☁ Describir la importancia de los Describir la importancia de los microorganismos y su diversidad en la microorganismos y su diversidad en la naturaleza.naturaleza.
☁ Describir a Describir a Escherichia coliEscherichia coli como modelo de como modelo de estudio de la composición estructural y estudio de la composición estructural y molecular de las células bacterianas.molecular de las células bacterianas.
☁ Describir las diferencias entre células Gram-Describir las diferencias entre células Gram-positivas y Gram-negativas.positivas y Gram-negativas.
ObjetivosObjetivos
☁ Entender las estructuras celulares, Entender las estructuras celulares, factores de crecimiento, metabolismo y factores de crecimiento, metabolismo y composición genética de los composición genética de los microorganismosmicroorganismos
☁ Presenta las inter-relaciones entre la Presenta las inter-relaciones entre la microbiología, bioquímica y genética en microbiología, bioquímica y genética en el contexto del funcionamiento de las el contexto del funcionamiento de las células bacterianas.células bacterianas.
☁ Tomar a los organismos unicelulares Tomar a los organismos unicelulares como un modelo para tratara de como un modelo para tratara de entender organismos más complejos.entender organismos más complejos.
Metas Metas
☁ Entender:Entender:☁ Cómo una célula funciona en su Cómo una célula funciona en su
ambienteambiente☁ Cómo puede alterarse para contender Cómo puede alterarse para contender
con cambios en el ambientecon cambios en el ambiente☁ Cómo puede reproducirse a partir de Cómo puede reproducirse a partir de
sustratos simples del ambientesustratos simples del ambiente
Palabras clavePalabras clave
Prokaryotic Outer membrane Eubacteria (Bacteria)
Periplasmic spaceArchaebacteria (Archaea) Oxidative phosphorylation Eukaryotic Spheroplast/protoplast
Plasmid Flagella
Chromosome
Chemotaxis Ribosome Axial filament Peptidoglycan (murein, mucopeptide) Periplasmic binding protein Gram stain
Permeases Gram negative
Storage Granules
Gram positive
Pili (fimbriae) Cell envelope
Capsule (slime layer, glycocalyx)
Cell membrane
Endospore (spore) Cell wall
Importancia de los Importancia de los microorganismosmicroorganismos
☁ Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del ambienteambiente☁ Ambientes extremos, temperatura, presión Ambientes extremos, temperatura, presión
salinidad, etc.salinidad, etc.
☁ En procesos del ambienteEn procesos del ambiente☁ Flora bacteriana natural en intestinos de Flora bacteriana natural en intestinos de
rumiantesrumiantes
☁ En procesos industriales, bioremediación, En procesos industriales, bioremediación, fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) producción de antibióticosproducción de antibióticos
☁ Estructura comunitaria de los microorganismos. Los Estructura comunitaria de los microorganismos. Los individuos participan en procesos particulares pero individuos participan en procesos particulares pero la comunidad se requiere para procesos completos. la comunidad se requiere para procesos completos.
Clasificación de los Clasificación de los microorganismosmicroorganismos
☁ Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres DominiosDominios☁ EukaryaEukarya, organismos con núcleo y , organismos con núcleo y
compartamentalizados, todos los compartamentalizados, todos los multicelulares y algunos unicelulares.multicelulares y algunos unicelulares.
☁ BacteriaBacteria, no compartamentalizados, , no compartamentalizados, unicelulares.unicelulares.
☁ ArchaeaArchaea, unicelulares con , unicelulares con membranas características y genoma membranas características y genoma muy alejado del bacteriano.muy alejado del bacteriano.
☁ Nota:Nota:☁ Bacteria (con mayúscula) se refiere al Bacteria (con mayúscula) se refiere al
dominio,dominio,☁ bacteria, (con minúscula) se refiere a bacteria, (con minúscula) se refiere a
los procariontes, los miembros de los los procariontes, los miembros de los dos dominios, dos dominios, Bacteria Bacteria y y Archaea Archaea son son procariontes.procariontes.
Los microorganismos se definen por su fenotipos o características Los microorganismos se definen por su fenotipos o características físicas.físicas.
Temperatura óptima de crecimientoTemperatura óptima de crecimiento
☁ Psicrófilos: -12 a 20 ºCPsicrófilos: -12 a 20 ºC☁ Mesófilos: 14 a 45 ºCMesófilos: 14 a 45 ºC☁ Termófilos moderados 42 a Termófilos moderados 42 a
69ºC69ºC☁ Termófilos extremos 66 a 105 Termófilos extremos 66 a 105
ºCºC
pHpH
☁ Acidófilos: pH bajo ~ 3Acidófilos: pH bajo ~ 3
☁ Neutrófilos: pH ~7Neutrófilos: pH ~7
☁ Alcalinófilos: pH alto ~10Alcalinófilos: pH alto ~10
Salinidad Salinidad
☁ Halófilos. Alta salinidadHalófilos. Alta salinidad
Oxígeno Oxígeno
☁ Aerobios obligadosAerobios obligados: requieren O: requieren O22
☁ Aerobios facultativosAerobios facultativos: no requieren : no requieren OO22 pero crecen mejor si está presente pero crecen mejor si está presente
☁ MicroaerofílicosMicroaerofílicos: requieren muy : requieren muy pequeñas cantidades de Opequeñas cantidades de O22
☁ AerotolerantesAerotolerantes: no se requiere el O: no se requiere el O22 y y su adición no mejora el crecimiento.su adición no mejora el crecimiento.
☁ Anaerobios obligadosAnaerobios obligados: el O: el O22 inhibe el inhibe el crecimiento.crecimiento.
Nutrición Nutrición
☁ Fuente deFuente de☁ energía: luz vs químicaenergía: luz vs química☁ carbono: orgánica vs inorgánicacarbono: orgánica vs inorgánica
☁ Aceptor de electrones terminalAceptor de electrones terminal
Fuente de Carbono
OrgánicoOrgánicoquimioheterótrofos quimioheterótrofos
COCO22
quimioautótrofosquimioautótrofosOrgánicoOrgánico
FotoheterótrofosFotoheterótrofosVerdes no sulfurosasVerdes no sulfurosas
Púrpuras no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas
COCO22
fotoautótrofafotoautótrofass
Aceptor final de electrones
O2
Animales, protozoarios, hongos,
bacterias
No ONo O22
OrgánicoStreptococcus
InorgánicoClostridium
H2O No HNo H22OO
Fotosíntesis Fotosíntesis OxigenativaOxigenativa
Fotosíntesis Anoxigenica
verdes y púrpuras sulfurosas
EnergíaEnergía
RedoxRedoxquimiótrofosquimiótrofos
LuzLuzfotótrofosfotótrofos
Ejemplo Ejemplo
☁ Coloramator indicusColoramator indicus☁ Bastón Gram positivo inmóvil no Bastón Gram positivo inmóvil no
esporulante.esporulante.☁ Quimiorganotrófico y anaerobio Quimiorganotrófico y anaerobio
obligadoobligado☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede Alcalinotrófico, termófilo que puede
fermentar una gran cantidad de fermentar una gran cantidad de carbohidratoscarbohidratos
Los microorganismos como Los microorganismos como modelo de estudiomodelo de estudio
☁ Tiempo corto de generaciónTiempo corto de generación☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutosPueden reproducirse hasta cada 20 minutos☁ Buenos para estudiar mutacionesBuenos para estudiar mutaciones☁ Se pueden estudiar un gran número de células Se pueden estudiar un gran número de células
idénticasidénticas
☁ Tamaño pequeñoTamaño pequeño☁ Permite estudiar grandes poblacionesPermite estudiar grandes poblaciones
☁ Tamaño pequeño de su genomaTamaño pequeño de su genoma
☁ Diversidad nutricionalDiversidad nutricional
Escherichia coliEscherichia coli como como modelo de estudio en BFMmodelo de estudio en BFM
☁ Escherichia coli es usada como Escherichia coli es usada como paradigma.paradigma.
☁ Paradigma: Paradigma: es —desde fines de la década de 1960— un modelo o patrón en cualquier disciplina científica u otro contexto epistemológico.
☁ Pero no es representativo de todos los microorganismos.
☁ Cada microorganismo tiene sus carácterísticas particulares.
Pregunta
☁ ¿Cómo es el cromosoma bacteriano?☁ Circular☁ Lineal☁ Varios circulares☁ Varios lineales☁ Circular a veces lineal a veces☁ Ninguna de las anteriores
El paradigma de El paradigma de E. coliE. coli
Características Características morfológicas de los morfológicas de los microorganismosmicroorganismos
☁ Forma, bacilos, cocos, espirilosForma, bacilos, cocos, espirilos
☁ TamañoTamaño
☁ Coloración de Gram, positivo o negativoColoración de Gram, positivo o negativo
☁ Formación de esporas, endosporas Formación de esporas, endosporas
Forma
Bacilos: con forma alargada
☁ Cocos: con forma redondeada
☁ Espirilos: con forma helicoidal
☁ Vibrión: con forma de coma ortográfica
Tamaño
☁ http://www.camfilfarr.com/cou_pol/industries/care/microbial_size.cfm
Movilidad Movilidad
☁ Cilios, pequeñosCilios, pequeños
☁ Flagelos, grandesFlagelos, grandes
☁ Fimbriae o pili, estructura tubular rígidaFimbriae o pili, estructura tubular rígida
Diferencias Diferencias entre entre
eucariontes y eucariontes y procariontesprocariontes
Gram PositiveGram Positive Gram NegativeGram Negative
The Cell EnvelopeThe Cell Envelope
CytoplasmCytoplasm Cell membrane
The cell wall is outside of cell membrane – rigid, protecting cell from osmotic lysis.
Cell Wall
Oxidative phosphorylation occurs at cell Oxidative phosphorylation occurs at cell membrane (since there are no mitochondria).membrane (since there are no mitochondria).
Outer MembraneOuter Membrane
☁ Gram negative bacteriaGram negative bacteria
☁ major permeability barrier major permeability barrier
☁ space between inner and outer space between inner and outer membranemembrane☁ periplasmic spaceperiplasmic space
☁ store degradative enzymesstore degradative enzymes
☁ Gram positive bacteria Gram positive bacteria
☁ no periplasmic spaceno periplasmic space
GRAM NEGATIVE GRAM NEGATIVE CELL ENVELOPECELL ENVELOPE
CytoplasmCytoplasm
Inner (cytoplasmic) membrane
Outer Membrane(Major permeability barrier) LipopolysaccharidePorin
Braun lipoprotein
Periplasmic space Degradative enzyme
Periplasmic binding proteinPermease
CytoplasmCytoplasm
Lipoteichoic acid Peptidoglycan-teichoic acid
Cytoplasmic membrane
GRAM POSITIVE CELL GRAM POSITIVE CELL ENVELOPEENVELOPE
Degradative enzyme
Peptidoglicano y ácido Peptidoglicano y ácido teicóicoteicóico
Chapter 20, Figure 1
Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates
Essentials of Glycobiology Second Edition
Chapter 20, Figure 4
Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases
Essentials of Glycobiology Second Edition
Chapter 20, Figure 5
Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid
Essentials of Glycobiology Second Edition
Chapter 20, Figure 8
Structure of the cell wall of mycobacteria
Essentials of Glycobiology Second Edition
FLAGELLAFLAGELLA
☁ Some bacteria are motile Some bacteria are motile
☁ Locomotory organelles- flagellaLocomotory organelles- flagella
☁ Taste environmentTaste environment
☁ Respond to food/poison Respond to food/poison ☁ chemotaxischemotaxis
• Flagella – embedded in cell membraneembedded in cell membrane– project as strandproject as strand– Flagellin (protein) subunitsFlagellin (protein) subunits– move cell by propeller like action move cell by propeller like action
flagelosflagelos
Axial filamentsAxial filaments
☁ spirochetes spirochetes ☁ similar function to flagellasimilar function to flagella☁ run lengthwise along cellrun lengthwise along cell☁ snake-like movement snake-like movement
Making Wall-less formsMaking Wall-less forms
☁ Result from action of:Result from action of:☁ enzymes lytic for cell wall enzymes lytic for cell wall ☁ antibiotics inhibiting peptidoglycan antibiotics inhibiting peptidoglycan
biosynthesisbiosynthesis
☁ Usually non-viable Usually non-viable
☁ Wall-less bacteria that don’t replicate:Wall-less bacteria that don’t replicate:☁ spheroplasts (with outer membrane)spheroplasts (with outer membrane)☁ protoplasts (no outer membrane). protoplasts (no outer membrane).
☁ Wall-less bacteria that replicateWall-less bacteria that replicate☁ L formsL forms
Naturally Wall-less Naturally Wall-less GenusGenus
☁ MycloplasmaMycloplasma
☁ Membrana celular mas gruesa pueden Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos.tener esteroles y lipoglicanos.
☁ PleiomPleiomóórrficosficos
Pili (fimbriae)Pili (fimbriae)
☁ hair-like projections of the cellhair-like projections of the cell
☁ sexual conjugation sexual conjugation
☁ adhesion to host epitheliumadhesion to host epithelium
Capsules and slime Capsules and slime layerslayers
☁ outside cell envelopeoutside cell envelope
☁ well defined: capsule well defined: capsule
☁ not defined: slime layer or glycocalyx not defined: slime layer or glycocalyx
☁ usually polysaccharideusually polysaccharide
☁ often lost on in vitro cultureoften lost on in vitro culture
☁ protective in vivoprotective in vivo
Colonies of Colonies of Bacillus Bacillus anthracisanthracis. CDC.. CDC.
☁ The slimy or mucoid The slimy or mucoid appearance of a bacterial appearance of a bacterial colony is usually evidence colony is usually evidence of capsule production.of capsule production.
☁ In the case of In the case of B. B. anthracis,anthracis, the capsule is the capsule is composed of poly-D-composed of poly-D-glutamate. glutamate.
☁ The capsule is an The capsule is an essential determinant of essential determinant of virulence to the virulence to the bacterium. bacterium.
☁ In the early stages of In the early stages of colonization and infection colonization and infection the capsule protects the the capsule protects the bacteria from assaults by bacteria from assaults by the immune and the immune and phagocytic systems.phagocytic systems.
http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/structure.html
Endospores (spores)Endospores (spores)
☁ Dormant cell Dormant cell
☁ Produced when starvedProduced when starved
☁ Resistant to adverse Resistant to adverse conditions conditions ☁ high temperatureshigh temperatures☁ organic solventsorganic solvents
☁ contain calcium contain calcium dipicolinatedipicolinate
☁ Bacillus Bacillus and and ClostridiumClostridium
Pared celular de Pared celular de ArchaeaArchaea
☁ No contiene peptidoglicanoNo contiene peptidoglicano
☁ Puede ser dePuede ser de☁ pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+☁ pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+☁ monocapa superficial de proteina o monocapa superficial de proteina o
glicoproteina, sin pseudomureina (algunos glicoproteina, sin pseudomureina (algunos halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G-tiñe G-
☁ Existen Existen Archaea Archaea sin paredsin pared
Pseudopeptidoglicano de Pseudopeptidoglicano de Archaea Archaea
Funciones de la paredFunciones de la pared
☁ Rigidez y resistencia osmótica Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis).(mantener la forma, evitar la lisis).
☁ Comunicación con el medio exterior.Comunicación con el medio exterior.
☁ Puede estar involucrada en Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS)patogenicidad (LPS)
☁ Barrera para algunas moléculas (porinas Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). en gram negativos).
☁ Espacio periplásmico (enzimas de Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)transporte, hidrolíticas, etc.)
La membrana celularLa membrana celular
☁ Estructura:Estructura:
☁ Bicapa fosfolipídica con proteínas Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al hopanoides de estructura similar al colesterolcolesterol
☁ En Archaea, éteres de alcohol En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman isoprenoide, algunas forman monocapas. monocapas.
Estructura de la Membrana Estructura de la Membrana CitoplasmáticaCitoplasmática
Los lípidos en Bacteria y Archaea Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces tienen diferentes enlaces
químicosquímicosEster - Bacteria Eter - Archea
Isopreno
Funciones de Membrana Funciones de Membrana CitoplasmáticaCitoplasmática
☁ Barrera de PermeabilidadBarrera de Permeabilidad☁ sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas,
pueden atravesar la membrana por difusión.pueden atravesar la membrana por difusión.
☁ Ancla de Proteínas Ancla de Proteínas ☁ transporte, generación de energía, quimiotaxistransporte, generación de energía, quimiotaxis
☁ Generación de fuerza proton motrizGeneración de fuerza proton motriz
En fotEn fotóótrofas: trofas: Estructuras iEstructuras intracitoplasmáticas, ntracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintéticosoportan el aparato fotosintético
(Vesículas, túbulos, tipo tilacoides)(Vesículas, túbulos, tipo tilacoides)
☁ Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.
Membrana Membrana citoplasmática de citoplasmática de E. E.
colicoli
Nutrición Nutrición
☁ Fuente deFuente de☁ energía: luz vs químicaenergía: luz vs química☁ carbono: orgánica vs inorgánicacarbono: orgánica vs inorgánica
☁ Aceptor de electrones terminalAceptor de electrones terminal
Propiedad Bacteria Eucarya Archaea
Membrana nuclear
NO SI NO
Organelos NO SI NO
Tamaño ribosoma
70S 80S 70S
Peptidoglicano en la pared
SI NO NO
Esteroles en membrana
NO (hopanoide
s)
SI SI
Lípidos de membrana
Ester unidos a glicerol
Ester unido a glicerol
Eter, ramificados
Diferencia entre la estructura celular Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya de Bacteria, Archaea y Eucarya
Ejemplo Ejemplo
☁ Coloramator indicusColoramator indicus☁ Bastón Gram positivo inmóvil no Bastón Gram positivo inmóvil no
esporulante.esporulante.☁ Quimiorganotrófico y anaerobio Quimiorganotrófico y anaerobio
obligadoobligado☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede Alcalinotrófico, termófilo que puede
fermentar una gran cantidad de fermentar una gran cantidad de carbohidratoscarbohidratos
Los microorganismos como modelo de Los microorganismos como modelo de estudioestudio
☁ Tiempo corto de generaciónTiempo corto de generación☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutosPueden reproducirse hasta cada 20 minutos☁ Buenos para estudiar mutacionesBuenos para estudiar mutaciones☁ Se pueden estudiar un gran número de células Se pueden estudiar un gran número de células
idénticasidénticas
☁ Tamaño pequeñoTamaño pequeño☁ Permite estudiar grandes poblacionesPermite estudiar grandes poblaciones
☁ Tamaño pequeño de su genomaTamaño pequeño de su genoma
☁ Diversidad nutricionalDiversidad nutricional
Clasificación por la Clasificación por la nutrición y la fuente de nutrición y la fuente de
energíaenergía
Energía
Redoxquimiótrofos
Carbono
Luzfotótrofo
s
Orgánicoquimioheterótrofos
COCO22
quimioautótrofoquimioautótrofoss
OrgánicoFotoheterótrofos
Verdes no sulfurosasPúrpuras no sulfurosas
COCO22
fotoautótrofafotoautótrofass
Aceptor final de electronesO2
Animales, protozoarios, hongos,
bacteriasNo ONo O22
OrgánicoStreptococcu
s
InorgánicoClostridiu
m
H2O No HNo H22OO
Fotosíntesis Oxigenativa
Fotosíntesis Anoxigenica
verdes y púrpuras sulfurosas