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MICROBIOLOGÍA 2015TEMA2. FISIOLOGÍA Y GENÉTICA BACTERIANA

Guión:Fisiología

IntroducciónMetabolismo

Clasificación en función de los requerimientos de

oxígenoFactores que afectan al crecimiento

TemperaturapHMedios de cultivoInóculo

Curva de crecimiento bacteriano: fases.

GenéticaIntroducciónMutacionesIntercambio genético

Metabolismo y Fisiología

Crecimiento, nutrición y metabolismo bacteriano

La nutrición y el metabolismo de las bacterias no difieren mucho de los de las células de organismos superiores.

FISIOLOGÍA BACTERIANA

• cómo los diferentes componentes cómo los diferentes componentes químicos y estructuras bacterianas se químicos y estructuras bacterianas se interrelacionan tanto entre sí como con interrelacionan tanto entre sí como con el medio que las rodea para poder el medio que las rodea para poder sobrevivir y desarrollarse.sobrevivir y desarrollarse.

• La replicación de una bacteria implicaLa replicación de una bacteria implica::metabolismo bacteriano metabolismo bacteriano regulación y coordinación de los regulación y coordinación de los

procesos metabólicos procesos metabólicos la división celular la división celular

Metabolismo bacteriano:Metabolismo bacteriano: es la suma de todas las reacciones químicas que tienen lugar en la célula, pueden

dividirse en catabolismo y anabolismo

• En el catabolismo se reduce la complejidad de las moléculas y se libera energía libre.

• En el anabolismo se requiere el uso de energía libre para aumentar la complejidad de las moléculas (son reacciones de biosíntesis)

– Las bacterias, llevan a cabo todos los procesos metabólicos gracias a las enzimas.

– Factores que influyen en el crecimiento bacteriano:• Nutrientes (sustancias que deben incorporar

para garantizar su supervivencia, ya que le dan energía y elementos necesarios para la síntesis de sus estructuras celulares).

• Los elementos más importantes son C, H, O, N, S y P; además en menor cantidad de Fe, Mg, K, Ca y el resto cantidades ínfimas

Factores:• Factores de crecimientos o Factores orgánicos:

sustancias que las células no pueden sintetizar y comprenden vitaminas y algunos AA. Ej: vitaminas del complejo B.

• Factor X (hemina) y Factor V (NAD) son indispensables para H. influenzae

• Factores estimulantes: son los que influyen en el proceso de crecimiento de las bacterias, aunque no imprescindibles, pero el proceso es más rápido y mejor en presencia de ellos.

Crecimiento bacteriano:no se caracteriza por aumento de tamaño, sino

del número.• La división o multiplicación bacteriana se realiza

por FISIÓN SIMPLE O BINARIA.• La célula aumenta de volumen, en bacilos se

traduce en elongación. El DNA cromosómico se autoduplica, va produciéndose uen tabique en la parte central por invaginación de la membrana celular y se acompaña de síntesis de pared.

• RESULTADO: dos células hijas exactamente iguales entre si y a la célula que les dio origen.

Tiempo de generación:

• Tiempo en el que se produce la duplicación de las células.

• Proceso que no alcanza la misma velocidad para todas las especies, es distintivo, aunque hay factores estimulantes que pueden influir algo.

• E. coli: 20-30 minutos

• M. tuberculosis: 20 horas en promedio.

Curva de crecimiento: Si se coloca una bacteria en un ambiente propicio para su desarrollo y se trata de

esquematizar en un gráfico de coordenadas el nº de bacterias a través del tiempo

• Fase de latencia:

• Fase exponencial o de crecimiento logarítmico:

• Fase estacionaria:

• Fase de declinación o de muerte:

• T mínima de crecimiento: T más baja a la que la especie puede crecer.

• T óptima de crecimiento: aquella en la qu el crecimiento es mejor, más rápido y abundante.

• T máxima de crecimiento: T más alta que tolera ese microorganismo.

Temperatura de crecimiento:

• Ya que influye en las velocidades de todas las reacciones químicas ligadas a los procesos de crecimiento

– Hipertermófilos: 90 a 100ºC ( normalmente no son patógenos para el hombre)

– Termófilos: 55 ºC , la máxima puede ubicarse en 80 ºC.

– Mesófilos: entre 25 y los 40 ºC (óptima : 37 ºC). Agentes que infectan al ser humano.

– Psicrófilos: 15 a 20 ºC (la mínima puede ser muy baja)

De acuerdo a la Temperatura óptima de crecimiento:

Condiciones de pH:

• Neutro: es el más adecuado para el desarrollo bacteriano (entre 6,5 y 7,5)

• Bacterias acidófilas: hay bacterias que pueden crecer hasta un pH de 4,0. Ej: Lactobacillus spp. que forman parte de la microbiota oral, digestiva y vaginal. El agente del cólera requiere un medio alcalino.

Presión osmótica.

• Los microorganismos necesitan agua, pero la concentración de sales o azúcares en este líquido debe ser la adecuada para que no se produzca al plasmólisis.

• Ya que las altas concentraciones harán que la célula pierda el agua que la compone.

• Bacterias halófilas: toleran altas concentraciones salinas. Ej: V. cholerae

Si se considera las Condiciones atmosféricas los microorganismos pueden ser clasificados de la

sigte. manera:

• AEROBIOS: Utilizan el O2 atmosférico y pueden crecer en presencia de él. Requieren O2 porque este es el aceptor final de hidrógeno, con el que forman agua y CO2. Producen catalasa.

• ANAEROBIOS: No son capaces de utilizar el O2 atmósferico. Aceptor final es un compuesto inorgánico que se puede reducir como nitratos o sulfatos. Un tipo especial es la Fermentación: la fuente de C provee energía, el donador de H y el aceptor final de éste. O sea que el aceptor final de H es un compuesto orgánico.

• MICROAERÓFILOS: crecen mejor cuando la tensión de O2 en el aire atmosférico es inferior a la normal (no deben superar 15% de O2). Son susceptibles a radicales superóxidos. Algunos segregan la superóxido dismutasa para contrarrestar estos radicales tóxicos.

• Anaerobios FACULTATIVOS: Crecen indistintamente en presencia o ausencia del O2 atmosférico. OBLIGADOS: No pueden usar el O2. MODERADOS: de 2 a 8 % de O2. AEROTOLERANTES: Sobreviven un tiempo con O2.

• CAPNÓFILOS: se desarrollan mejor cuando hay concentraciones elevadas de CO2 en el medio.

Según las Condiciones atmosféricas tb. se clasifican como:

En síntesis…

• Las bacterias segregan distintos tipos de enzimas.• Las sustancias nutritivas deben estar en solución (medio

líquido).• Los microorganismos poseen ciertas vías metabólicas

fundamentales para la producción de estos bloques estructurales.

• Las vías más conocidas para obtener energía: Vías glucolíticas, ciclo de pentosa fosfato y ciclo del ácido tricarboxílico.

• Productos originados en la degradación son aprovechados en construcción de otros elementos.

Nutrientes1- Fuente de energía luz

química2- Macronutrientes

H KO MgC NaN 95% CaS FeP

3- Micronutrientes (elementos traza)Co, Zn, Mo, Cu, Mn, Ni, Se, W

4- Factores de crecimiento•Vitaminas•Purinas y pirimidinas•Aminoácidos

Fuente de carbono

- CO2 - Compuestos

orgánicos

Carbohidratos, azúcares, proteínas, aminoácidos, lípidos, ácidos grasos, glicerol

Fuente de nitrógeno

- Inorgánica - Orgánica

NH4, NO3-, N2

Proteínas, peptonas, aa, bases púricas y pirimídicas, urea

Fuente de fósforo


Fosfatos Esteres del ácido fosfórico

Fuente de azufre


Sulfuros y sulfatos Aminoácidos sulfurados, vitaminas

Macronutrientes

Tipos nutricionales Fuente deenergía

Fuente deC

Ejemplos

Fotoautótrofos Luz CO2

Cianobacterias,bacteriaspúrpuras yverdes

Fotoheterótrofos LuzCompuestosorgánicos

Algunasbacteriaspúrpuras yverdes

Quimioautótrofos olitótrofos

Compuestosinorgánicosej.: H2, NH3,NO2

-, H2S

CO2

AlgunasEubacterias ymuchas Archaea

Quimioheterótrofoso heterótrofos

Compuestosorgánicos

Compuestosorgánicos

La mayoríaEubacterias,algunas Archaea

Condiciones para el crecimiento microbiano

Nutrientes

agua

fuente de energía

fuentes de C, N, otros elementos

micronutrientes, factores de crecimiento

Condiciones de cultivo

temperatura

pH

luz

aireación

actividad de agua

potencial redox

Crecimiento

Medios de cultivo

Factores de crecimiento

Microorganismos auto o heterotrófos pueden requerir pequeñas cantidades de ciertos compuestos orgánicos que no pueden sintetizar y deben incorporarse en los medios

* bases púricas y pirimídicas ADN, ARN

* aminoácidos esenciales síntesis proteica

* vitaminas coenzimas

Aislar: Es separar un tipo de microorganismo a partir de una población mixta. En habitats naturales, raramente encontramos a los microorganismos en cultivo puro

Aislamiento directo:se logra directamente a partir de una muestra cuando el o los microorganismos están en una proporción adecuada., se realiza por estrías (agotamiento) con o sin dilución previa de la muestra (suelo, alimentos), en medio sólido

Aislamiento por enriquecimiento:Cuando el microorganismo que se desea aislar e identificar se encuentra en baja proporción en la muestra, se incluye una primera etapa que consiste en sembrar la muestra en medio líquido. Luego de varios pasajes se aisla por el método de estrías.

Aislamiento

Clasificación de los medios de cultivo

Según su naturaleza física

* líquidos

* sólidos - solidificante: agar-agar, silico-gel

* semi-sólidos

Según su composición * definidos o sintéticos: composición química conocida

* no definidos o complejos: composición química no definida, enriquecidos con peptonas, extracto de

carne, de levadura, de suelo, sangre

Según su uso en el laboratorio

* selectivos o inhibitorios: medios que contienen, además de los nutrientes, ciertas sustancias que inhiben el desarrollo de algunos microorganismos permitiendo el crecimiento de otros o cuya composición permite el desarrollo de un grupo determinado

Ej.agar-antibióticos; agua, sales, luz, para algas, medios con NaCl superior a la concentración fisiológica

* diferenciales: medios que contienen indicadores para diferenciar los distintos tipos de microorganismos que puedan crecer en él.

Ej. azúcar fermentecible: lactosa, indicador:rojo neutro

Cultivo en medio líquido

• Habitualmente se realiza en tubos o en matraces. El crecimiento se puede manifestar por enturbiamiento, por formación de velo o película, o por sedimento.

Cultivo en medio sólido

• Puede ser en tubos o placas

a) Tubos con agar inclinado. Para sembrarlos, se mueve el ansa o la punta suavemente sobre la superficie del agar con un movimiento en zigzag desde el fondo hasta la parte superior, cuidando de no dañar el agar.

b) Tubos sin inclinar. Se siembran introduciendo una punta en el centro del agar. También se llama siembra por picadura.

c) Siembra en placas. Puede ser en superficie (por estrías o bañado) o incorporada (mezclando el inóculo con el agar semifundido)

Aislar: Es separar un tipo de microorganismo a partir de una población mixta. En habitats naturales, raramente encontramos a los microorganismos en cultivo puro

Aislamiento directo:se logra directamente a partir de una muestra cuando el o los microorganismos están en una proporción adecuada., se realiza por estrías (agotamiento) con o sin dilución previa de la muestra (suelo, alimentos), en medio sólido

Aislamiento por enriquecimiento:Cuando el microorganismo que se desea aislar e identificar se encuentra en baja proporción en la muestra, se incluye una primera etapa que consiste en sembrar la muestra en medio líquido. Luego de varios pasajes se aisla por el método de estrías.

Aislamiento

• Las colonias se describen por examen macroscópico en función del tamaño, la forma, el borde, la elevación, la transparencia y el color. Esto resulta a veces muy útil en la identificación

• A partir de colonias aisladas en medio de cultivo se realiza un examen microscópico que debe mostrar células razonablemente semejantes respecto al Gram y a la morfología.

• Las colonias aisladas deben aislarse nuevamente en medio no selectivo por el método de estrías. Esto se conoce como reaislamiento.

Cultivo puro

División celular: fisión binaria

Gemación, ej. levaduras

Crecimiento de un microorganismo en medio de cultivo líquido

1- Fase de latencia2- Fase exponencial3- Fase estacionaria4- Fase de muerte

Crecimiento en un volumen fijo de medio o cultivo cerrado (batch)

• Fase lag - las células se adaptan al nuevo ambiente, aun no se dividen

• Fase exponencial (log) - velocidad máxima de crecimiento bajo condiciones particulares, tiempo de generación mínimo

• Fase estacionaria - sin crecimiento neto, vc=0 ó estadísticamente = 0

cuando: vc=vm (vel. crecimiento es igual a la de muerte)

– nutrientes limitantes, pero suficientes para mantener actividad

– acumulación de desechos, inhibición del crecimiento

• Fase de muerte - velocidad de muerte celular > velocidad de división celular

Luego de la adición de bacterias al medio líquido fresco se observa la siguiente cinética de crecimiento

Factores del ambiente

• físicos: temperatura, gases, pH, presión osmótica

•químicos: nutrientes, sustancias antimicrobianas

•biológicos: otros microorganismos, micro y mesofauna, vegetación, afectan las actividades microbianas

Los distintos factores actúan simultáneamente y resulta difícil el análisis integrado de los efectos.

• Sicrófilos - rango: < 0-20°C, óptimo < 15oC– organismos marinos, algas: Chlamydomonas nivalis (nieve rosada),

bacterias: Pseudomonas, Flavobacterium

– membrana contiene alto % de ácidos grasos insaturados

• Sicrótrofos o Sicrófilos facultativos

- rango: 0-35°C, óptimo 20-30oC– Pseudomonas - crecen en el refrigerador

• Mesófilos - rango: 15-45° C, óptimo: 30-40°C– la mayoría de los microorganismos (del suelo, aguas, patógenos)

• Termófilos - rango: 40-70°C, óptimo de 55-65oC – membrana contiene alto % de ácidos grasos saturados

– enzimas estables al calor

– Bacillus stearothermophilus, organismos de compostaje

• Hipertermófilos - rango: 80-113°C, óptimo > 90oC – Pyrococcus, Pyrodictium (aguas termales)

OxígenoClasificación de los microorganismos según

el efecto del oxígeno:

Aerobios

obligados: requieren oxígeno (21% o más)

Ej. Bacillus, hongos, etc.

microaerofílicos: lo requieren pero a niveles menores que el atmosférico (5-10%)

Ej. Azospirillum

Anaerobios

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.

obligados: no toleran el oxígeno, muere en su presencia

Ej. Methanobacterium, Clostridium

.

•tubos con medio de cultivo llenos por completo.•medios con sustancias que reaccionan con el oxígeno y lo excluyen.•dispositivo especial (cámara anaeróbica)•cajas o tubos incubados en recipientes con granos germinados (cebada, centeno)

Cultivos en anaerobiosis

Otros gases

N2 componente principal de de la atmósfera (78%). Gas inerte: no es usado

por la mayoría de los organismos, los que pueden reducir el triple enlace del N2 con la enzima nitrogenasa se denominan diazotrofos o fijadores de N2 y pueden desarrollarse en ambientes sin N-combinado

CO tóxico para la mayoría de los organismos (cadena respiratoria)

puede ser oxidado a CO2 por algunos microorganismos

CH4 liberado a la atmósfera por microorganismos metanogénicos, gas con

efecto invernadero, puede ser oxidado a CO2 por bacterias metanotróficas

CO2 importante gas, fuente de carbono para los autotrofos, aerobios y

anaerobios, fotosintéticos o quimiosintéticos. Muchos hongos lo requieren a niveles superiores a los atmósfericos, para ciertas síntesis

H2 poco usado, tóxico para la mayoría de los microorganismos, brinda

energía a bacterias Hydrogenomonas: H2+O2 = H20 + ATP

pH

El pH es la acidez o alcalinidad de una solución, medida por el log 1/(H+)

Clasificación de los microorganismos según su pH óptimo

Neutrófilo: pH óptimo 7 - Ej.: bacterias patógenas humanas.

Acidófilo: pH óptimo 7 - Ej.: muchas de las archeobacterias y hongos.

Basófilo: pH óptimo 7 - Suelos y aguas ricas en carbonatos

Medios de cultivo

Colonia Lactosa negativa

Colonia Lactosa positiva

MEDIO SELECTIVO YDIFERENCIAL

Agar sangreS. epidermidis en agar sangre

Agar sangre

HEMOLISIS EN AGAR SANGRE

HEMÓLISIS COMPLETA HEMÓLISIS PARCIAL

Pseudomonas aeruginosa

Siembra en medio OF

Metabolismo oxidativo

Prueba de la catalasa

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