Download - Clase 2-fisiología microbiana
FISIOLOGÍA MICROBIANA
DOCENTE
Dra. Estela Tango
Objetivos
Conocer los requerimientos nutricionales de las bacterias.
Captación de los nutrientes.
Cultivo de los microorganismos.
Conocer el crecimiento bacteriano.
Fases de crecimiento bacteriano.
Factores ambientales para el crecimiento.
Sustancias antimicrobianas.
Metabolismo microbiano.
FISIOLOGÍA BACTERIANA
La fisiología bacteriana comprende el estudio de las funciones realizadas por estas.
Las bacterias son muy eficientes fisiológicamente, sintetizan en forma muy rápida sus componentes celulares, siendo la mayoría autosuficientes, a pesar de su simpleza estructural.
En la bacteria se desencadenan una serie de procesos químicos, que en conjunto constituyen
METABOLISMO BACTERIANO
Exigencias nutritivas de las
bacterias
Bacterias que viven exclusivamente en el hombre
Bacterias exigentes
Han perdido rutas metabólicas y dependen del
huésped para su aporte, “autótrofas”
Bacterias que pueden crecer en el hombre ó en el
ambiente
Bacterias poco exigentes
Pueden sintetizar todos sus macromoléculas
Nutrientes que se emplean en la
biosíntesis y producción de Energía
H2O
Macroelementos
Microelementos
Hierro
Factores de crecimiento
Macroelementos
Constituyen > 95% del peso seco celular
C, H, O, N, P, S, Ca++, Mg++, K+, Fe++
C, H, O, N, P, S son componentes de CH, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos
K+ : actividad de algunas enzimas
Ca++: termorresistencia esporas
Mg++: Cofactor de enzimas, forma complejos con el ATP, estabiliza ribosomas y membrana plasmática
Fe++ y Fe+++: forma parte de los citocromos y es cofactor de enzimas y proteínas transportadoras de electrones
Microelementos Se denominan también micronutrientes
Mn, Zn, Co, Cu, Mo, Ni
Se obtienen como contaminantes del H2O, matraces, componentes del medio de cultivo
Forman parte de enzimas y cofactores y facilitan la catálisis de las reacciones y el mantenimiento de la estructura de las proteínas, Ej
Zn: centro activo de algunas enzimas
Mn: facilita la transferencia de grupos fosfato
Co: componente de la vitamina B12
Fuentes de Carbono
Dióxido de Carbono (CO2) No aporta Hidrógeno ni energía.
Los organismos pueden agruparse dependiendo de la fuente de carbono en:
: Usan el CO2 como fuente de energía
ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS.
AUTÓTROFOS
Usan nutrientes Orgánicos como
Fuente de carbono y energía
HETERÓTROFOS
Clasificación de las Bacteriassegún fuentes de carbono
Autótrofas
Heterótrofas
Carbono
Obtienen C desubstratos simples.• CO2
• CH4 Obtienen C de compuestosmás complejos.• Aminoácidos• H de Carbono• Lípidos
Los microorganismos pueden clasificarse dependiendo de la fuente de Hidrógeno o electrones:
Obtienen electronesO hidrógeno de
Compuestos inorgánicos.LITÓTROFOS
Utilizan sustancias orgánicas como
Fuente deElectrones.
ORGANÓTROFOS
Tipos nutricionales
El metabolismo es realizado mediante la utilización de dos fuentes de energía: energía libre de las oxidaciones químicas y radiación.
FOTÓTROFOSQUIMIÓTROFOS
Emplean la luz como fuente de energía.
Obtienen energía a partir de la oxidación de
compuestos orgánicos o inorgánicos.
Tipos nutricionales
Protozoos, hongos,Bacterias no fotosintéticas (mayoría de microorganismos
Patógenos)
Bacterias púrpuras y verdes no sulfúreas
Algas, bacterias púrpurasY verdes del azufre,
Cianobacterias.
TIPOS NUTRICIONALES
ORGANÓTROFOSLITÓTROFOS
ORGANÓTROFOS
HETERÓTROFOSAUTÓTROFOS
HETERÓTROFOS
FOTÓTROFOSQUIMIÓTROFOS
FOTÓTROFOS
Bacterias oxidantes del azufre,Hidrógeno, nitrificantes,
Oxidantes del hierro.
LITÓTROFOSAUTÓTROFOS
QUIMIÓTROFOS
Requerimientos de N, P, S
Pueden ser obtenidos a partir de fuentes orgánicas e inorgánicas
N: purinas y pirimidinas, aminoácidos, etc.
Aminoácidos
Reducción asimilatoria del nitrato (NO3-NH4)
P: ácidos nucleicos, fosfolípidos, proteínas, etc.
Fuente inorgánica en la forma de fosfato
S: cisteína, metionina, biotina, tiamina, etc.
La mayoría efectúa reducción asimilatoria de sulfato
Algunos requieren cisteína
Factores de crecimiento Compuestos orgánicos que la bacteria no puede
sintetizar por pérdida de enzimas de rutas metabólicas Aminoácidos: Síntesis de proteínas. Ej. Cisteína
en N.gonorrhoeae Purinas y pirimidinas: Síntesis de ácidos
nucleicos. Ej. Mycoplasmas Vitaminas: Cofactores enzimáticos Ej. Vitamina K en bacilos Gram(-) anaerobios Otros: Haemophilus NAD Heme
Captación de Nutrientes
Sistemas de transporte
Difusión pasiva
De mayor a menor concentración.
Ej.. H2O, O2 y CO2
Difusión facilitada
De mayor a menor concentración
Proteínas transportadoras de la
membrana (permeasas)
Poco empleada en procariotes
Ej.glicerol
Transporte activo
Translocación de grupo
Transporte activo
Permite concentrar nutrientes en contra de una gradiente de concentración
Requiere energía metabólica Ej ATP, ó fuerza motriz de protones
Emplea proteínas transportadoras de gran especificidad
Sistemas de transporte de proteínas ligadorasdel espacio periplásmico transportan azúcares y aminoácidos
Transporte activo
Gradiente de protones generado durante el transporte de electrones para facilitar el transporte activo.
Sistema de transporte de una sustancia en un sentido uniporte.
Sistema de transporte combinado de dos sustancias simporte.
Sistema de transporte combinado en que las sustancias se desplazan en direcciones
opuestas antiporte.
Translocación de grupo Hay modificación química de la sustancia a ser
transportada
Transporte de azúcares
Hay fosforilación del azúcar a cargo del fosfoenolpiruvato
PEP+azúcar(exterior)/piruvato+azúcar-P(interior)
Presente en bacterias anaerobias facultativas
Transporte de hierro
La captación de Fe+3 es difícil por la insolubilidad del compuesto
Muchas bacterias secretan sideróforos, los que forman complejo con el hierro
Receptores de la superficie bacteriana captan el complejo Fe-sideróforo
Liberación y reducción del hierro como Fe+2(ferroso)
Medios de cultivo
Preparados estériles que contienen los nutrientes necesarios para el crecimiento microbiano
Medios definidos
Se conocen todos los componentes (glucosa como fuente da carbono y sal de NH4 como fuente de N)
Utiles en investigación de la capacidad metabólica de un organismo.
Medios complejos
Composición química desconocida
Satisfacen las necesidades de la mayoría de las bacterias
Medios de cultivo
Componentes Peptonas
Hidrolizados enzimáticos de carne, caseína, soya
Sirven como fuente de Energía, C y N
Extractos: carne, levadura
Fuente de aminoácidos, péptidos, nucleótidos, vitaminas
Tipos de medios de cultivoMedios enriquecidos
Se usan en el aislamiento microbiano
Medios selectivos
Se usan para aislamiento de sitios no estériles
Favorecen el crecimiento de bacterias específicas
Contiene sustancias inhibitorias Ej CV y sales biliares
Medios diferenciales
Permiten diferenciar entre bacterias por sus características fisiológicas
Medios de cultivo
Medios enriquecidos Medio selectivo
Medio diferencial
30 años30 minutos
Crecimiento microbiano
Adaptación bacteriana para: Aumento de
número y masa
Crecimiento bacteriano División binaria Replicación del
cromosoma bacteriano
Se pega cada copia en diferentes partes de la membrana
Formación de tabique celular
Tiempo de generación (duplicación)
Crecimiento Microbiano:
Cambio en el número de células por una unidad de tiempodeterminada.
Tiempo de generación
(duplicación):
Tiempo requerido para que una célula se divida en dos.El tiempo puede ser minutos, hora o días.
Otra forma de duplicación en procariontes es la gemación.
sistema de duplicación de organismos unicelulares, por evaginación se forma una yema que recibe uno de los núcleos mitóticos y una porción de citoplasma.
Uno de los organismos formados es de menor tamaño que el otro
FASES DEL CRECIMIENTO
CUANDO INTRODUCIMOS UNA POBLACION DEMICROORGANISMOS DENTRO DE UN MEDIO DE CULTIVOLIQUIDO, CADA ORGANISMO PRESENTA CUATRO FASESDE CRECIMIENTO TIPICAS:
FASE LAG(latencia) FASE LOGARITMICA (LOG) FASE ESTACIONARIA FASE DE MUERTE.
ESTAS CUATRO FASES FORMAN LA CURVA ESTANDAR DELCRECIMIENTO BACTERIANO
CRECIEMIENTO EXPONENCIAL N° CELULAS : 1 2 3 4 8 EXPONENTE 20 21 22 23 24
•Fase de latencia: período de adaptación , gran actividad metabólica, células no se dividen (min-horas )
•Fase exponencial o logarítmica (log): aumento regular de la población que se duplica a intervalos regulares de tiempo (G). •Los Bllactamicos actuan en esta fase
Fase estacionaria: cese del crecimiento por agotamiento de nutrientes, por acumulación de productos tóxicos, etc.N|°cel.nuevas=n°cel.que mueren
Fase de declinación o muerte: el número de células que mueren es mayor que el número de células que se dividen.↓cel. viables
Las propiedades de un microorganismo dependerán de la fase de la curva en que se encuentren (la producción de antibióticos se lleva a cabo en la fase estacionaria).
Medición del crecimiento bacterianoMedición del número celular Recuento directo (Cámara de Petroff-Hauser)
Recuento del Nº de colonias en cultivo Ej. Un ml de una dilución de 1x10-6 produce 150 colonias,
la muestra original contiene 1.5x108 ufc/ml
Crecimiento en filtro
Medición de la masa celular Mide la capacidad de dispersar la luz, que es
proporcional al Nº
Un aumento del Nº, aumenta la turbidez y disminuye la luz transmitida
DILUCIONES
FACTORES AMBIENTALES Y CRECIMIENTO
MICROBIANO
Nutrientes
Tiempo
Oxígeno
Disponibilidad de agua
pH
Temperatura
Temperatura
mínima óptima máxima
Psicrófilos 0º C 15º C 20º C Bacterias oceánicas
Psicrótofos 0º C 20 – 30º C 35º C Bacterias deterioro de alim. Refrig.
Mesófilos 15 -20º C 20 – 45º C 45º C Mayoría de bacterias patógenas
Termófilos 45º C 55 – 65º C sup. a 65º C Bacterias, hongos y algas
Hipertermófilos 55º C 80 – 113º C 113º C Bacterias aisladas del suelo marino
Temperatura
pH
pH neutro6.5-7.5
AcidófiloLactobacillus sp.:pH<5
Presión
No afecta a microorganismos de la superficie terrestre.
Presión de 1 atmósfera.
En el océano puede alcanzar 600 – 110 atm, y Tº es de 2 – 3º C.
Barotolerantes un aumento de la presión les afecta negativamente.
Barófilos crecen a presiones elevadas.
Presión osmótica
DISPONIBLIDAD DE AGUA Todos los organismos requieren
H2O para vivir. Halófilos: microorganismos que
viven en altas concentraciones de sales.algunas bacterias se han adaptado muy bien a ambientes con altas concentraciones de sal (nacl): halotolarentes,(toleran
conentraciones de nacl) y los halófilas ( requieren nacl para
su crecimiento, moderados(6-15%) y extremos(15-30% nacl).
Osmófilos: microorganismos que viven en altas concentraciones de azúcares.
Xerófilos: microorganismos que viven en ambientes secos.
Concentración de oxígeno
Aerobios organismo que necesita O2 para crecer.
Anaerobio organismo que puede crecer en ausencia de O2.
Anaerobio facultativo no requieren O2 para crecer, pero lo hacen mejor en su presencia.
Anaerobio aerotolerante pueden crecer con presencia o ausencia de O2.
Anaerobio estricto no crecen en presencia de O2
Microaerófilos necesitan niveles de O2 bajos (2-10%)
Presencia de O2
Aerobios Anaerobios
(ausenciaO2)Microaerofilos
Requiere(1-15%)
Obligados
O2(21%)
Aerotolerantes
No requieren
crecen peor en O2
Extrictos, obligados
O%, letal
FacultativosNo requieren
crecen mejor
en presencia de O2
Concentración de oxígeno
AerobioAnaerobio facultativo
Anaerobio estricto
Microaerófilo Anaerobio aerotolerante
•Toxicidad radicales libres:
• Sobre DNA
• Sobre la membrana celular
•¿ Donde hay
•anaerobios?
SUSTANCIAS ANTIMICROBIANAS
AGENTE ANTIMICROBIANO: SUSTANCIAQUIMICA QUE DESTRUYE O INHIBE LAPROLIFERANCION DE LOSMICROORGANISMOS PRODUCTO NATURAL
SINTESIS QUIMICA
PRODUCTO NATURAL: ANTIBIOTICOS LOSCUALES EN SU MAYORIA SONPRODUCIDOS POR MICROORGANISMOS.
EFECTO BACTERIOSTATICO• SE OBSERVA CUANDO SE INHIBE
LA PROLIFERACION PERO NO TIENE LUGAR LA MUERTE CELULAR.
• UN AGENTE BACTERIOSTATICO:
– INHIBE LA SINTESIS DE PROTEINAS
– ACTUA UNIENDOSE A LOS RIBOSOMAS
– PUEDE ACTUAR EL EFECTO DILUCION
– EJEMPLO:
– Streptomicina, Tetraciclina, Cloramfenicol
– Tetraciclinas y estreptomicinas (30S)
– Cloramfenicol (50S)
AGENTES BACTERICIDAS
• EVITAN LA PROLIFERACION E INDUCEN LA MUERTE, PERO NO TIENE LUGAR LA LISIS O RUPTURA CELULAR.
• SE UNEN MUY INTIMAMENTE CON SUS BLANCOS CELULARES Y NO PUEDEN ELIMINARSE POR DILUCIÓN.
• SON EJEMPLO DE ESTOS AGENTES LOS METALES PESADOS.
• Ejemplos:
• Ácido Nalidíxico, Rifampicina
AGENTES : quimioterapeúticos
• TOXICIDAD SELECTIVA: el agente es mas efectivocontra el microbio que contra el huesped animal ovegetal.
• El efecto de un agente antimicrobiano se puedeestudiar con la ayuda de:
– CONCENTRACION MINIMA INHIBITORIA CMI
– ANTIBIOGRAMA
– ESPECTRO DE ACCION
CMI
ANTIBIOGRAMA
Zona de Inhibición Sensibilidad de la cepa
0 a 10mm de diámetro Resistente
10 a 15mm de diámetro Medianamente resistente
15 a 25mm de diámetro Sensible
25mm o más de diámetro Muy sensible
SITIOS DE ACCION DE ANTIMICROBIANOS
• Resistencia Antibiótica Mecanismo de Resistencia:•Natural o Adquirida .Trastornos de la Permeabilidad•Cromosómica o Plasmídica . Alteraciones del Sitio Blanco•(Transposones) . Hidrólisis Enzimática
• Principios generales
• Obtención de Energía en las bacterias
•Catabolismo de los Hidratos de carbono
– Glicolisis
– Fermentaciones
– Respiración
• Catabolismo de los lípidos y aminoácidos
Metabolismo
Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en la célula
Anabolismo: similitud célula procariótica y eucariótica
Utilidad de las reacciones catabólicas de las bacterias para diagnóstico
Las vías catabólicas de Glicolisis y TCA son anfibólicas
Catabolismo de los compuestos orgánicos
Polisacáridos Proteínas Lípidos
Hidrólisis extracelular
Azúcares Aminoácidos Acidos grasos
(Mono y disacáridos) Glicerol
Transporte al interior de la célula
Glicólisis Desaminación Glicolisis (glicerol)
(Vías Entner-Doudoroff, Decarboxilación Oxidación
Fosfogluconato)
5.ensamblaje
4. polimerización
3.biosíntesis
2.reacciones catabólicas
1.mecanismos de entrada
etapas del metabolismo
ANABOLISMO
síntesis
CATABOLISMO
degradación
METABOLISMO
Actividades
relación, nutrición y reproducción
ATP
fosforila. n. sustrato
quimiosmosis
Poder reductor
rxn redox
NAD
NADP
REQUERIMIENTOS
materiales(nutrientes)
fuerza conductora(ATP y poder reductor)
plan (organización)
METABOLISMO
Respiración anaerobia
láctica alcoholica
Fermentación
METABOLISMO
ANAEROBIO
12 metabolitos precursores
ATP
Poder reductor
Respiración aerobia
glicolisis
ciclo Krebs
ruta pentosa fosfato
METABOLISMO
AEROBIO
METABOLISMO
METABOLISMO
Usos de la Energía en las bacterias
Capacidad de realizar trabajo
Biosíntesis de moléculas biológicas a partir de precursores simples
Transporte activo a través de la
membrana plasmática
Trabajo mecánico: Movilidad
Obtención de Energía en las bacterias de interés médico Reacciones de óxido-reducción
Transferencia de e desde un dador (agente reductor) a un aceptor (oxidante) con liberación de Eº libre
La Eº liberada se almacena como: ATP
NADH
Los transportadores de e son: NAD y NADP Aceptan 2 e y un protón y ceden un
protón
FAD Transportan 2 e y 2 protones
FMN
ADP + Pi + E ATP + H2O
Generación de ATP
• 1.- Fosforilación a nivel de sustrato
• 2.- Fosforilaciónoxidativa(Transporte de electrones):
FLUJO ENERGETICO Y DE CARBONO
ALTERNATIVAS DE GENERACION DE LA ENERGÍA
1. Respiración aeróbica
Comp. orgánico
NO3-
CO2
CO2
ATP
BiosíntesisO2
Flujo de e- Flujo de C
2. Respiración anaeróbica
Comp. orgánico
ATP Biosíntesis
S0 SO4-2 aceptores orgánicos de e-
Flujo de e- Flujo de C
Respiración aeróbica
Vía final común para la oxidación completa de aminoácidos, ácidos grasos y carbohidratos
Suministra productos intermedios clave ( -cetoglutarato, succinil coA, oxaloacetato) para biosíntesis de aa, lípidos, purinas y pirimidinas
Respiración Transferencia de e desde
el NADH y FADH2 a aceptores como el O2
Los e fluyen desde los transportadores con potenciales de reducción más negativos a los más positivos
El acepto final de los e es el O2
Acoplamiento con la fosforilación oxidativa
Vía glicolítica
Presente en todos los organismos
Es la principal vía para el catabolismo de la glucosa
Actúa en presencia ó ausencia de O2
Etapas
Transformación de la G6P en dos triosas fosfato (Etapa preparativa)
Transformación de las triosas fosfato en ácido pirúvico
Obtención de ATP por fosforilación a nivel de sustrato
Vía glicolítica
Vía de las pentosas
Proporciona precursores como pentosas
Produce Gliceraldehido 3-P que puede ser convertido en piruvato
Se produce NADPH para las reacciones de biosíntesis ó se convierte en NADH siendo utilizado para obtener energía
Balancear el potencial
redox
Regenerar el NAD+
Fermentaciones
Fermentación alcohólica(levaduras)
Fermentación homoláctica(Lactobacillus spp.)
FERMENTACION
a) Utiliza una fuente de energía en ausencia de un aceptor externo de electrones
b) El donador de e se oxida por completo y después de algunos intermedios queda reducido
TIPOS DE FERMENTACIONES
a) F. Alcohólica hexosa CO2 + etanol Levaduras Zymomonas
b) F. Homolactica hexosa ac. Láctico Streptococcus Lactobacillus
c) F. Heterolactica hexosa ac. láctico Leuconostoc
etanol, CO2
d) F. Propiónica lactato Propionato Propionibacterium(acetato, CO2) Clostridium propionicum
e) F. Ac. mixta hexosa Butanol Enterobacterias
2,3 butanodiol E. Coli, Shigella
acetato, formato, lactato, succinato Salmonella
f) F. Ac. butírica hexosa Butirato lostridium butiricum
Acetato, H2 + CO2
g) F. Butanólica hexosas butanol Clostridium butiricum
Acetato, acetona, etanol
Catabolismo de los lípidos
Importante fuente de energía para bacterias
Triglicéridos y ácidos grasos
glicerol y ác.grasos
lipasas
Dihidroxiacetona-P
vía glicolitica
-oxidación
Catabolismo de los aminoácidos
Transaminación
alanina
Ac.pirúvico