TEMA 4. DIVERSIDAD DEL METABOLISMO PROCARIOTE

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1 TEMA 4. DIVERSIDAD DEL METABOLISMO PROCARIOTE
BIOLOGÍA DE PROCARIOTAS Ciclo Escolar 12-13B Mónica Marcela Galicia Jiménez TEMA 4. DIVERSIDAD DEL METABOLISMO PROCARIOTE

2 CRECIMIENTO MICROBIANO
BIOLOGÍA DE PROCARIOTAS CRECIMIENTO MICROBIANO Es el aumento ordenado de todos los componentes químicos que llevan a un incremento de los constituyentes y estructuras celulares, a la división celular y al crecimiento de la población es necesario la disponibilidad de:

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Agua: Más del 80% de la composición celular bacteriana es agua. Es el solvente universal, cumple una función tampón y actúa como coenzima de enzimas hidrolasas.

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Fuente de Carbono: Todos los compuestos orgánicos poseen carbono. Las fuentes más simples de carbono son el CO2 y el CH4. Fuentes más complejas son aminoácidos, hidratos de carbono y lípidos. De acuerdo a la fuente de carbono utilizada, las bacterias pueden ser clasificadas como autótrofas y heterótrofas. Es importante señalar que no existe un límite preciso de separación entre ambos grupos. .

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Bacterias autótrofas son aquellas bacterias que utilizan como fuente de carbono sustancias simples, como CO2 y CH4. En cambio, las bacterias heterótrofas requieren macromoléculas orgánicas como fuente de carbono, tales como los hidratos de carbono. La mayoría de las bacterias patógenas para el hombre son heterotrófas

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   Nitrógeno (N2): El nitrógeno, es otro elemento fundamental, ya que es el componente principal de proteínas y ácidos nucleicos, constituyendo el 10% del peso seco de una bacteria. El N2 en el interior de la célula se encuentra como grupo amino (R-NH2), sin embargo, las bacterias lo pueden adquirir en forma de NO3, NO2, N2, NH4, RNH2.   

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Las bacterias cumplen un rol fundamental en el ciclo geoquímico del N2, porque la urea, que es el principal producto de excreción del metabolismo de las proteínas en los mamíferos, es inestable y se descompone rápidamente a amoniaco (NH3), compuesto volátil que se perdería sí no existieran las bacterias nitrificantes del suelo, las que por oxidación lo llevan a NO3 no volátil. Este NO3 puede ser captado por las plantas y transformado a compuestos orgánicos. También existen las bacterias denitrificantes que reducen el NH3 a N2, en regiones anaeróbicas del suelo, liberándolo a la biosfera.

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Azufre (S): Este elemento es utilizado por la bacteria para sintetizar aminoácidos azufrados, tales como cisteína y metionina. También, forma parte de vitaminas, como biotina y tiamina. La mayoría de las bacterias son capaces de obtener S a partir de SO4 y lo reducen a H2S, el que generalmente es transportado por una molécula de O acetil serina.

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Dadores de H2 y receptores de H2: Las bacterias patógenas para la especie humana, realizan su metabolismo en base a reacciones químicas, obteniendo energía fundamentalmente por óxido-reducción. De tal manera que necesitan sustratos oxidables y aceptores finales de electrones. Ej.: glucosa, como dador de electrones y O2, como receptor de éstos.

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Iones inorgánicos (P, K, Mg): El fósforo es esencial en estructuras como ácidos nucleicos, ATP, fosfolípidos de membrana y algunas coenzimas, como NAD y FAD. El P puede ser captado como fosfato o P libre (Pi).

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Elementos traza u oligoelementos: Son aquellos elementos que las bacterias requieren en cantidades muy pequeñas, como Fe, Cu, Mo, Zn. Generalmente, basta con la cantidad que contiene el H2O u otros elementos del medio.

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Respecto al Fe, se ha determinando que existen en las bacterias moléculas transportadoras de Fe denominadas sideróforos, que compiten con la lactoferrina y transferrina del hospedero. Por ejemplo, E. coli tiene un operón que codifica para el sideróforo entero-quelina y para una proteína de membrana que actúa como un receptor que capta las deficiencias de Fe del ambiente.

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MEDIOS DE CULTIVOS

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MEDIOS DE CULTIVOS Son ambientes artificiales diseñados por el hombre para proporcionar todas las sustancias necesarias para el crecimiento microbiano

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La nutrición microbiana consiste en aportar a las células los ingredientes químicos que necesitan para la síntesis de monómeros, que son los componentes de las macromoléculas, que a su vez construyen las estructuras celulares. Monómeros Macromoléculas Estructuras celulares Monosacáridos Aminoácidos Ácidos grasos Bases nitrogenadas Polisacáridos Proteínas Lípidos Ácidos nucleicos Pared celular Glicocàlix Membrana Ribosomas Flagelo Pelos y fimbrias Enzimas Membranas Cromosoma Plásmidos

18 C BIOLOGÍA DE PROCARIOTAS Macronutrientes
Elemento más abundante en las macromoléculas. Constituye el 50% del peso seco de las células. Muchos procariotas son heterótrofos. Necesitan algún tipo de compuesto orgánico como fuente de carbono para hacer nuevo material celular. Los aminoácidos, los ácidos grasos, los ácidos orgánicos, los azúcares, las bases nitrogenadas, los compuestos aromáticos y un sinfín de compuestos orgánicos de otro tipo pueden ser utilizados por las bacterias. Algunos procariotas son autótrofos, capaces de construir todas sus estructuras orgánicas a partir del CO2 con la energía obtenida de la luz o de compuestos inorgánicos. C Macronutrientes

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En una bacteria típica, alrededor del 12% de su peso seco es N. Forma parte de las proteínas, ácidos nucleicos y otros constituyentes celulares. En la naturaleza, se encuentra en forma orgánica e inorgánica. Pero la mayor parte del N natural se encuentra en forma inorgánica ( NH3, NO3- o N2 ). La mayoría de las bacterias son capaces de utilizar NH3 como única fuente de N, y otras muchas pueden utilizar NO3- . El N2 puede ser usado como fuente de nitrógeno por algunas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno. N

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El P se presenta en la naturaleza en forma de fosfatos orgánicos e inorgánicos. La célula necesita P para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos. El S es un componente de los aminoácidos cis y met y se encuentra en algunas vitaminas, como tiamina, biotina, ácido lipoico y Coenzima A. La mayoría del S celular procede de fuentes inorgánicas, ya sean sulfatos o sulfuros. El K es necesario para todos los organismos. Es cofactor de muchas enzimas. El Mg funciona como estabilizador de los ribosomas, las membranas celulares y los ácidos nucleicos. También se necesita para la actividad de muchas enzimas. El Ca ayuda a estabilizar la pared celular bacteriana y tiene una función importante en la termorresistencia de las endoesporas. El Na es requerido por algunos microorganismos (halófilos), P S K Mg Ca Na

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El Fe es fundamental en la respiración celular. Forma parte de los citocromos y de proteínas que contienen Fe y S implicados en el transporte de electrones. En condiciones anaeróbicas, el Fe se encuentra en el estado de oxidación +2 (Fe+2) y es soluble. En condiciones aeróbicas suele estar en el estado de oxidación +3 ( Fe+3) y forma varios minerales insolubles. Para obtener el Fe de tales minerales, las células producen agentes quelantes llamados sideróforos que solubilizan el Fe y lo introducen en la célula. Es necesario en mayores cantidades que otros metales y no se considera un elemento traza. Fe

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Micronutrientes (elementos traza) Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn Se requieren en muy pequeñas cantidades. Son tan importantes para el funcionamiento celular como los macronutrientes. Muchos son metales que actúan como cofactores de enzimas. A menudo no es necesario añadirlos a los medios de cultivo. Si el agua utilizada para elaborar el medio es ultrapura se añade al medio una pequeña cantidad de una solución de metales traza.

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Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos que se necesitan en muy pequeñas cantidades y sólo por algunas células. Los factores de crecimiento son vitaminas, aminoácidos, purinas y pirimidinas. La mayoría de los microorganismos son capaces de sintetizar estos compuestos, pero en algunos casos es necesario añadirlos al medio. Las vitaminas son los factores de crecimiento que se necesitan con mayor frecuencia, funcionan formando parte de coenzimas. Las principales vitaminas requeridas por los microorganismos son: tiamina (vitamina B1) biotina, piridoxina (vitamina B6) y covalamina (vitamina B12)

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El medio de cultivo químicamente definido se prepara añadiendo cantidades precisas de compuestos orgánicos e inorgánicos puros a un volumen conocido de agua destilada. Se conoce su composición exacta. Medio definido para Escherichia coli K2HPO4 7 g KH2PO4 2 g (NH4)2SO4 1 g MgSO4 0,1 g CaCl2 0,02 g Glucosa g Elementos traza g (Fe, Co, Mn, Zn, Cu, Ni, Mo) Agua destilada 1000 ml pH7

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Medio complejo para Escherichia coli y Leuconostoc mesenteroides Glucosa 15 g Extracto de levadura 5 g Peptona g KH2PO4 2 g Agua destilada 1000 ml pH7 Para elaborar el medio complejo se utilizan hidrolizados de proteínas y otras sustancias muy nutritivas pero no definidas químicamente que se pesan y se añaden a un volumen conocido de agua. No se conoce la composición exacta del medio complejo.

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BIOLOGÍA DE PROCARIOTAS Tipos de medios de cultivo

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Tipos de medios de cultivo Medios sólidos y líquidos Los medios sólidos se preparan como los medios líquidos y se les añade agar (1.5%) como agente gelificante. El agar es un polímero sulfatado compuesto por D-galactosa, 3,6-anhidro-L-galactosa y ácido glucurónico. El agar se funde a 80-90ºC y se puede enfriar hasta una temperatura de 40 a 42 ºC sin endurecerse. La mayoría de los microorganismos no pueden degradarlo. El agar se funde durante el proceso de esterilización, el medio fundido se vierte sobre placas Petri y se deja solidificar antes de su uso. Los medios sólidos inmovilizan a las células, permitiéndolas crecer y formar masas aisladas visibles llamadas colonias. Medios generales Los medios generales mantienen el crecimiento de muchos microorganismos. Ej., el caldo y agar nutritivo

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Medios enriquecidos Medios generales a los que se añaden nutrientes especiales para mantener el crecimiento de microorganismos heterótrofos exigentes. Ej., el agar sangre Medios selectivos Favorecen el crecimiento de microorganismos particulares. Ej.,agar Levine (eosina-azul de metileno) y Agar MacConkey se emplean para detectar enterobacterias. Contienen colorantes y sales biliares que inhiben el crecimiento de las bacterias Gram positivas. Otros medios selectivos contienen nutrientes que pueden utilizar algunas bacterias de forma específica. Ej., el agar celulosa se usa para aislar bacterias que digieren la celulosa.

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Medios diferenciales Medios que diferencian entre grupos distintos de bacterias e incluso permiten una identificación tentativa de los microorganismos según sus características biológicas. El agar MacConkey es tanto selectivo como diferencial. Como contiene lactosa y colorante rojo neutro, las colonias fermentadoras de lactosa (Escherichia coli) aparecen de color rosa o rojo y se distinguen fácilmente de las colonias no fermentadoras.

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Medio mínimo: Contiene la mínima cantidad de nutrientes posible que permite el crecimiento de una especie; Medio de transporte: Preparado para servir como almacenamiento temporal a especímenes transportados; mantienen su viabilidad y su concentración; simple

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Siembra

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Transferencia aséptica Consiste en una serie de procedimientos que evitan la contaminación durante la manipulación de los cultivos y de los medios de cultivo estériles. Es uno de los primeros métodos que tiene que dominar un microbiólogo. a.Se calienta el asa de siembra hasta incandescencia y se deja enfriar b. El tubo se destapa c. Se pasa el extremo del tubo por la llama d. Se extrae la muestra con el asa esterilizada e. Se vuelve a flamear la boca del tubo y la muestra se deposita en un medio estéril f. Se vuelve a tapar el tubo y se calienta el asa de nuevo al final

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Crecimiento de colonias confluentes al comienzo de la siembra por estría 2. Siembra en estrías Se realiza una siembra por estría en una placa de agar con medio estéril. Después de una estría inicail Se hacen estrías en ángulo Colonias aisladas al final de la siembra por estría Se esteriliza el asa y luego se toma una muestra del tubo 1. Dilución y siembra por extensión en superficie 3. Dilución y siembra en profundidad

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Morfología y crecimiento de las colonias Las colonias son masas visibles de células que se forman por división de una o varias células. El desarrollo de colonias sobre superficies de agar permite al microbiólogo identificar las bacterias porque las especies forman a menudo colonias con una forma y aspecto característico. El tamaño, forma, textura y color de una colonia es propio de cada organismo. La morfología de la colonia de una bacteria puede variar según el medio en que crezca la bacteria.