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NUTRICIÓN MICROBIANA
Requerimientos Nutricionales de las Células.
Cada organismo debe encontrar en su ambiente todas las sustancias que requiere para la generación de energía y la biosíntesis celular.
Los elementos de este ambiente que se utilizan para el crecimiento celular se llaman nutrientes.
En el laboratorio, las bacterias son crecidas en medios de cultivo diseñados para aportar los nutrientes esenciales para su crecimiento.
Grupos nutricionalesFuentes de energía
fotótrofos - utilizan luzquimiótrofosutilizan compuestos orgánicos: organótrofos
inorgánicos: litótrofosFuentes de carbono
autótrofos - CO2heterótrofos - compuestos orgánicos
Algunas combinaciones son muy comunes
Tipos nutricionales Fuente de energía
Fuente de C Ejemplos
Fotoautótrofos (Productores)
Luz
CO2
Cianobacterias, bacterias púrpuras y verdes Plantas, algas
Fotoheterótrofos
Luz
Compuestos orgánicos
Algunas bacterias púrpuras y verdes
Quimioautótrofos o litótrofos (Productores)
Compuestos inorgánicos ej.: H2, NH3, NO2
-, H2S
CO2
Algunas Eubacterias y muchas Archaea
Quimioheterótrofos o heterótrofos
Compuestos orgánicos
Compuestos orgánicos
La mayoría Eubacterias, algunas Archaea Animales
Mixotrofos Compuestos Inorgánicos H2
Compuesto Orgánico CH3COOH
Algunas bacterias bajo condiciones particulares ( E.coli )
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
Elemento % PS Fuente FunciónCarbono 50 Compuestos
orgánicos o CO2
Principal constituyente del material celular
Oxígeno 20 H2O, compuestos orgánicos, CO2, y O2
Constituyente del material y agua celular; O2 es el aceptador de electrones en la respiración aeróbica
Nitrógeno 14 NH3, NO3, los compuestos orgánicos, N2
Constituyente de aminoácidos, nucleótidos de los ácidos nucleicos, y coenzimas
Hidrógeno 8 H2O,compuestos orgánicos, H2
Constituyente principal de compuestos orgánicos y agua celulares.
Fósforo 3 Fosfato inorgánico (PO4)
Constituyente de ácidos nucleicos, fosfolípidos, LPS, ácidos teicoicos
Azufre 1 SO4, H2S, S, compuestos orgánicos de azufre
Constituyente de cisteína, metionina, glutationa, varias coenzimas
Macroelementos, sus fuentes y funciones en las células bacterianas.
Macroelementos, sus fuentes y funciones en las células bacterianas (continuación).
Elemento % PS Fuente FunciónPotasio 1 Sales de
potasioPrincipal catión inorgánico celular y cofactor para ciertas enzimas
Magnesio 0.5 Sales de magnesio
Catión celular, cofactor de enzimas
Calcio 0.5 Sales de calcio Catión celular, cofactor de enzimas y componente de endosporas
Hierro 0.2 Sales de hierro Componente de citocromos, hierro-proteínas y cofactor de enzimas
% PS Porcentaje en peso seco
Elementos traza o micronutrientes.
Son iones metálicos requeridos por ciertas células en pequeñas cantidades, que son difíciles de descubrir o medir, y no es necesario agregarlos al medio de cultivo como los nutrientes. Los elementos traza están presentes como "contaminantes" del agua u otros componentes del medio de cultivo. Normalmente actúan como cofactores en reacciones enzimáticas esenciales en la célula. Algunos de ellos son Mn, Co, Zn, Cu, y Mo.
Factores de crecimientoLos microorganismos 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
Vitamin Coenzyme form Function p-Aminobenzoic acid (PABA) - Precursor for the biosynthesis of folic acid
Folic acid Tetrahydrofolate Transfer of one-carbon units and required for synthesis of thymine, purine bases, serine, methionine and pantothenate
Biotin Biotin Biosynthetic reactions that require CO2 fixation
Lipoic acid Lipoamide Transfer of acyl groups in oxidation of keto acids
Mercaptoethane-sulfonic acid Coenzyme M CH4 production by methanogens
Nicotinic acid NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADP Electron carrier in dehydrogenation reactions
Pantothenic acid Coenzyme A and the Acyl Carrier Protein (ACP)
Oxidation of keto acids and acyl group carriers in metabolism
Pyridoxine (B6) Pyridoxal phosphate Transamination, deamination, decarboxylation and racemation of amino acids
Riboflavin (B2) FMN (flavin mononucleotide) and FAD (flavin adenine dinucleotide)
Oxidoreduction reactions
Thiamine (B1) Thiamine pyrophosphate (TPP) Decarboxylation of keto acids and transaminase reactions
Vitamin B12 Cobalamine coupled to adenine nucleoside Transfer of methyl groups
Vitamin K Quinones and napthoquinones Electron transport processes
Necesidad de Oxígeno
De acuerdo a la necesidad y capacidad de utilizar el oxígenolos microorganismos se clasifican en:Aerobios, que requieren de oxígeno para llevar a cabo sus
funciones metabólicasAnaerobios, que no requieren de oxígeno y su presencia los
inhibe o mata.
La acción de la superoxido dismutasa, catalasa y peroxidadsapermiten que los radicales libres de oxígeno sean eliminados, lo que permite que las células que las contienen puedan vivir en presencia de oxígeno. Los organismos anaerobios no las contienen.
Relaciones del oxígeno con los microorganismos
Grupo Ambiente aerobio
Ambiente anaerobio
Efecto del oxígeno
Aerobio obligado
Crece No Crece Requiere (se tiliza para la respiración aerobica). Bacillus, hongos, etc.
Microaerobio Crece si el nivel no es muy alto
No Crece Requiere pero en niveles menores a 0.2 atm. Azospirillum
Anaerobio obligado
No Crece Crece Tóxico. Methanobacterium, Clostridium
Facultativo Crece Crece No requiere para el crecimiento, pero lo utiliza cuando estádisponible. Levaduras, E. coli.
Anaerobio aerotolerante
Crece Crece No requiere y no lo utiliza. Enterococcus faecalis, Streptococcus sp.
Microorganismos aerobios
El oxígeno disuelto es un importante sustrato en fermentaciones aeróbicas y puede constituirse en un sustrato limitante.
Cuando el oxígeno es el factor limitante para la velocidad, la velocidad de crecimiento varía con la concentración de oxígeno disuelto de acuerdo a una cinética de saturación, hasta alcanzar una concentración críticaLa concentración crítica de oxígeno disuelto es la
cantidad mínima necesaria para evitar la inhibición del crecimiento de un microorganismo.
Microorganismos aerobios
Fermentaciones aeróbicas de producción de tetraciclinas por Streptomyces auerofacienspresentan problemas de crecimiento y formación de producto a concentraciones de oxígeno disuelto críticas de 10 %.
El oxígeno es usualmente suministrado al medio de fermentación a través de aire inyectado mediante un tubo difusor.
La transferencia de oxígeno a partir de las burbujas de aire es limitada por la película líquida alrededor de las burbujas de aire.
Materias primas fundamentales
Fuentes de carbono1) Hidratos de carbono como glucosa o dextrosa, sacarosa, lactosa, almidón, dextrina; 2) Alcoholes como el glicerol y manitol;3) Hidrocarburos como hexadecano, octadecano y otros.
Otras materias primas importantes por su disponibilidad y costo reducido que contienen hidratos de carbono son granos, melazas, celulosas, suero de queso, etc. También se pueden emplear otros subproductos como las vinazas de destilería y residuos sulfíticos, útiles sólo para producción de biomasa destinada a consumo animal, debido a la cantidad de impurezas, que dificultan y elevan costos de las operaciones de separación y purificación de los productos.
Materias primas fundamentales
Fuentes de nitrógeno1) De naturaleza inorgánica, las más comunes son amoníaco o sales de amonio.
2) Orgánicas:
Materias primas fundamentales
Fuentes de nitrógeno2) Orgánicas: a) Hidrolizados de proteínas (Peptonas) que son obtenidas de carne de diferentes órganos y animales, pescado, caseína, gelatina, harina de soja, algodón, girasol, etc. Las peptonas aportan algunas vitaminas, fosfatos y micronutrientes (Ca, Zn, Fe y Cu). b) Extracto de carne. c) Extracto de levadura, es básicamente una mezcla de aminoácidos, péptidos, vitaminas solubles en agua y carbohidratos. d) Extracto de maltae) Sólidos del cocimiento de maiz (cornsteep liquor), agua de maceraciónde la industria del maíz
Capacidades metabólicas
Algunas bacterias son excepcionalmenteautosuficientes: protótrofo
sintetizan vitaminas, amino ácidos, nucleótidos, lípidoscrecen en un medio mínimo compuesto de sales inorgánicas (MgSO4, NH4Cl, K2HPO4 , FeCl3, CaCl2) con fuente de carbono orgánica
E. coli es un ejemplo de protótrofo Algunos son muy exigentes, lo cual significa quenecesitan muchos factoresLactobacillus requiere purinas, pirimidinas, vitaminas y varios aminoácidos para crecer.
Capacidades metabólicas
Auxotrofía es la incapacidad de un organismo para sintetizar un compuesto orgánico particular para su crecimiento (de acuerdo a la definción de la IUPAC).
En genética, una cepa se dice que es auxótrofa, si una mutación le provoca la incapacidad de sintetizar un compuesto esencial.
Un ejemplo es una cepa de E. coli que requiere triptófano para crecer, entonces se dice que es un auxótrofo de triptófano y se designaría E. coli trp -. Recuerde que una cepa silvestre de E. coli es capaz de crecer sin este requerimiento.
Medios de cultivo para el crecimiento de bacterias.
Para propagar cualquier bacteria es necesario proporcionar el ambiente bioquímico y biofísico apropiado. En el bioquímico (nutritivo) se encuentra el medio de cultivo. Los medios de cultivo son empleados en el aislamiento y mantenimiento de cepas puras y también, para la identificación de bacterias según sus propiedades bioquímicas y fisiológicas.
Clasificación de los medios de cultivo
Según su naturaleza física* líquidos* sólidos - solidificante: agar-agar, gelana, silica-gel* semi-sólidos
Clasificación de los medios de cultivo.
La manera en que las bacterias son cultivadas, y el propósito de los medios de cultivo, varía ampliamente. Se usan los medios de cultivo líquidos para el crecimiento en lote de cepas puras, mientras los medios sólidos son ampliamente utilizados para el aislamiento de cultivos puros, estimar microorganismos viables, y una variedad de otros propósitos.
Clasificación de los medios de cultivo
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
Clasificación de los medios de cultivo
Un medio definido es un medio mínimo si proporciona sólo los nutrientes exactos (incluso cualquier factor de crecimiento) que necesita un organismo para su crecimiento. Estos medios ayudan a investigar los requerimientos nutritivos mínimos de los microorganismos.
Los medios de cultivo complejos es útil utilizarlos por ejemplo cuando se quiere cultivar bacterias desconocidas o bacterias cuyo requisito nutritivo es complejo.
Según su uso en el laboratorio
* Selectivos: sólo permiten crecer un cierto tipo de microorganismos, por ejemplo, sólo un género. Son 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: permiten distinguir entre dos o mas bacterias por características coloniales. Son medios que contienen indicadores para diferenciar los distintos tipos de microorganismos que puedan crecer en él.
Ej. azúcar fermentecible: lactosa, indicador:rojo neutro
Componente Cantidad Función del componenteSacarosa 10.0 g Fuente de C y energíaK2HPO4 2.5 g Fuente de P y K, bufferKH2PO4 2.5 g Fuente de P y K, buffer(NH4)2HPO4 1.0 g Fuente de P y N, bufferMgSO4 7H2O 0.20 g Fuente de S y Mg++
FeSO4 7H2O 0.01 g Fuente de Fe++
MnSO4 7H2O 0.007 g Fuente de Mn++
Agua 985 mlpH 7.0
Ejemplo de medio mínimo.
Medio definido para Thiobacillusthiooxidans (litoautótrofo) .
Componente Cantidad Función del componenteNH4Cl 0.52 g Fuente de N KH2PO4 0.28 g Fuente de P and KMgSO4 7H2O 0.25 g Fuente de S and Mg++
CaCl2 2H2O 0.07 g Fuente de Ca++
Azufre elemental
1.56 g Fuente de energía
CO2 5%* Fuente de CAgua 1000 mlpH 3.0
Medio complejo para bacterias fastidiosas.
Componente Cantidad Función del componenteExtracto de carne
1.5 g Fuente de vitaminas y factores de crecimiento
Extracto de levadura
3.0 g Fuente de vitaminas y factores de crecimiento
Peptona 6.0 g Fuente de aminoácidos, N, S, y PGlucosa 1.0 g Fuente de C y energíaAgar 15.0 g Agente solidificanteAgua 1000 mlpH 6.6
Medio selectivo enriquecido para halófilos extremos.
Componente Cantidad Función del componenteCasaminoácidos 7.5 g Fuente de aminoácidos, N, S y P
Extracto de levadura 10.0 g Fuente de factores de crecimiento
Citrato de sodio 3.0 g Fuente de C y energíaKCl 2.0 g Fuente de K+
MgSO4 7 H2O 20.0 g Fuente de S y Mg++
FeCl2 0.023 g Fuente de Fe++
NaCl 250 g Fuente de Na+ para halófilos e inhibidor de no halófilos
Agua 1000 mlpH 7.4