NUTRICIÓN Y FACTORES AMBIENTALES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO BACTERIANO UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE MEDICINA VETERINARIA Y ZOOTECNIA NUTRICIÓN Y FACTORES AMBIENTALES QUE AFECTAN EL CRECIMIENTO BACTERIANO Autor M en C. Ada Elia Díaz González Borja 2017

UNIDAD DE APRENDIZAJE DE BACTERIOLOGIA Y MICOLOGIA UNIDAD I GENERALIDADES DE BACTERIOLOGIA Y MICOLOGIA OBJETIVO: Constatar la morfología, sus principios metabólicos, genéticos y taxonómicos de las bacterias y hongos; mediante la aplicación de técnicas de aislamiento para la identificación de los microorganismos. 1.1.2 Nutrición y crecimiento bacteriano. 1.1.2.1 Metabolismo. 1.1.2.2 Factores nutricionales. 1.1.2.3 Factores ambientales.

NUTRICIÓN Proceso por el que los seres vivos, toman del medio donde habitan, las sustancias químicas que necesitan para crecer y reproducirse . Estas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para dos objetivos: Fines energéticos (reacciones de mantenimiento) ; Fines biosintéticos (reacciones plásticas o anabolismo). Nutrientes: Son los productos químicos exteriores, a partir de los cuales se construye una célula, los cuales van a ser transformados en constituyentes celulares.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE UNA CÉLULA BACTERIANA: Toda célula contiene gran cantidad de pequeñas moléculas así como de macromoléculas Obtiene del medio exterior la mayoría de pequeñas moléculas o bien las sintetiza a partir de moléculas simples. Las macromoléculas siempre las va a sintetizar en el interior (célula microbiana).

La célula bacteriana esta compuesta por: C arbono H ídrogeno O xígeno N ítrogeno P fosforo S azufre Elementos que constituyen el esqueleto de las macromoléculas y micromoléculas para realizar el metabolismo. Elementos como: P, K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, Mn, Cu, Mo, Co, y otros. Agua: 90% la célula microbiana es agua.

Clasificación bacteriana con base a su tipo de nutrición MICROORGANISMO AUTÓTROFO Son aquellos organismos cuyo desarrollo y reproducción son independientes de fuentes externas de compuestos orgánicos. Utilizan como: Fuente de carbono: al dióxido de carbono Fuente energética: la luz o la energía que se desprende en reacciones químicas. Ejemplo: Las plantas, las algas verde azuladas y algunas bacterias son organismos autótrofos

MICROORGANISMO HETERÓTROFO Son aquellos organismos que requieren compuestos orgánicos para crecer y reproducirse. Los compuestos orgánicos: les sirven como fuentes de carbono y energía. Organismos heteretrofos: animales, protozoos, hongos y la mayoría de bacterias Utilizan el CO2 como fuente de carbono

CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS SEGÚN EL MODO DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA Fuente de energía Fototrofos utilizan luz Quimiotrofos utilizan productos químicos Quimiorganotrofos utilizan compuestos orgánicos hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes. Quimiolitotrofos Utilizan compuestos inorgánicos SH2 S0, NH3, NO2-, Fe

MACRONUTRIENTES, MICRONUTRIENTES Y FACTORES DE CRECIMIENTO. En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas y/o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

CLASIFICACIÓN DE NUTRIENTES Macronutrientes: son elementos mayoritarios, como el carbono y el nítrogeno, hidrógeno, oxígeno Micronutrientes: son requeridos en pocas cantidades, pero son tan importantes como los macronutrientes para la función celular. fósforo, potasio, azufre, magnesio. Elementos traza: zinc, cobre, manganeso, molibdeno, cobalto Factores de crecimiento: Vitaminas y hormonas

Macronutrientes Carbono: La célula bacteriana requiere de un compuesto orgánico, como fuente de carbono. Cel. bacteriana contiene Peso seco : 50% aproximadamente. Importancia: forman el esqueleto de los tres más importantes nutrientes carbohidratos, lípidos y proteínas. Uso: obtención de energía y fabricar material celular. Fuente de carbono orgánico: aminoácidos, ácidos grasos, compuesto aromáticos.

Macronutrientes Nitrógeno: Es el segundo elemento mas abundante, en la célula. Una bacteria contiene PS: 12 % aproximadamente. . Uso: al ser metabolizado es utilizado para fabricar material celular, ácidos nucleícos y como coenzimas. Componente: mayoritario de proteínas, ácidos nucleícos y otros constituyentes celulares. Presente en la naturaleza: Como nitrógeno atmosférico Forma inorgánica: Nitratos, nitritos Sales de amonio Forma orgánica: Aminoácidos Pépticos.

MACRONUTRIENTES: HIDRÓGENO Y OXÍGENO Forman parte de muchos compuestos orgánicos. Se encuentran en el agua como componentes de nutrientes y en la atmósfera. Además el O2 se utiliza en la respiración aeróbica y como aceptor terminal de electrones.

Otros Macronutrientes: P, S, K Fósforo: Uso: Esencial en la síntesis de: ácidos nucleícos proteínas fosfolípidos de la pared celular y ATP. Forma fosfolípidos y polímetros de la pared celular Presente en la naturaleza: Forma orgánica PO4, alternativamente se puede utilizar Fosfato inorgánico como son los glicerofosfatos y fosfolípidos

OTROS MACRONUTRIENTES: P, S, K Teach America Corporation Virology Series 2000 OTROS MACRONUTRIENTES: P, S, K Azufre: Utilizado por la célula, como: Elemento importante en la biosíntesis de los aminoácidos, cisteína y metionina. Forma parte de coenzimas. Presente en vitaminas, tiamina, biotina, acido lipoico y Co enzima A. Presente en la naturaleza: En forma inorgánica de sulfatos En forma orgánica: cisteína, metionina Multiplication - 4

OTROS MACRONUTRIENTES: P, S, K Teach America Corporation Virology Series 2000 OTROS MACRONUTRIENTES: P, S, K Potasio: El ión potasio actúa como: Coenzima. Activa las enzimas para la síntesis de proteínas, como catión en la estructura de ARN y otras estructuras aniónicas celulares. Presente en la naturaleza: sales de potasio, potasio en solución. Multiplication - 4 16

Otros Macronutrientes: Mg, Ca. Magnesio: Utilizado para Estabilizar ribososmas, las membranas celulares, los ácidos nucleícos. Como cofactor en reacciones enzimáticas, especialmente las que implican transferencia de grupos fosfato. Ejemplo: En reacciones que requieren ATP, el Mg++ puede unir la enzima al sustrato durante el mecanismo de acción de la primera. Presente en la naturaleza: Sales de Mg o Mg en solución. Calcio : Estabiliza la pared celular bacteriana Juega un papel importante en la termorresistencia de la endospora bacteriana, como cofactor enzimas. Presente en la naturaleza: en forma de sulfatos Ca SO4 y calcio en solución.

OTROS MACRONUTRIENTES: Na, Fe Sodio: Es requerido solo por algunos microorganismos, debido a la naturaleza de su hábitat, para bacterias marinas. Utilización: Los miroorganismos marinos lo requieren para su crecimiento. Presente en la naturaleza: Na en solución, cloruro de sodio Na Cl Hierro: Utilizado como: Elemento importante en la respiración celular Componente clave de los citocromos y de las proteínas que contienen hierro. Las bacterias disponen de una serie de moléculas, denominadas sideróforos, capaces de captar ese hierro (p.ej., hidroxamatos y enterobactina), Interviene como co-factor en ciertas enzimas. Presente en la naturaleza: Fe en solución, Fe S

MICRONUTRIENTES Las bacterias necesitan minúsculas cantidades de otros elementos (oligoelementos), a los que también se denomina como micronutrientes o elementos traza: Función: forman parte de enzimas que son catalizadores celulares Manganeso (Mn++): Cofactor de ciertas enzimas, y a veces puede sustituir al Mg++. Cobalto (Co++) se requiere casi exclusivamente para la vitamina B12 (de hecho, si suministramos esta vitamina al medio, la bacteria se vuelve independiente del Co++ libre). Zinc: interviene en la estabilización de complejos enzimáticos como las ADN- y ARN-polimerasas.

MICRONUTRIENTES Molibdeno: participa en las llamadas molibdoflavoproteínas, implicadas en la asimilación de nitratos. Por otro lado, participa como cofactor, junto con el Fe, en el complejo nitrogenasa de las bacterias fijadoras de N2 atmosférico. Níquel: participa en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H2.

VITAMINAS Son moléculas orgánicas específicas, necesarias en pequeña cantidad para el crecimiento de algunas bacterias. Se clasifican en dos grupos : Liposolubles: A, D, E. No necesarias en el crecimiento bacteriano. Hidrosolubles Necesarias en el crecimiento bacteriano. Son componentes de las coenzimas Necesarias en determinadas bacterias, que no pueden fabricarlas por sí mismas, al carecer de parte o toda una ruta biosíntética.

Ejemplos: La Brucella requieren como factores de crecimiento en sus medios de cultivo la biotina, niacina, tiamina y ácido pantoténico. El Haemophilus necesita suplementos de grupos hemo y piridín-nucleótidos.

Vitaminas o factores de crecimiento Factor o vitamina Funciones principales p-aminobenzoico (PABA) precursor del ácido fólico Acido fólico metabolismo de compuestos C1, transferencia de grupos metilo Biotina biosíntesis de ácidos grasos; fijación de CO2 Cobalamina (vitamina B12) reducción y transferencia de compuestos C1; síntesis de desoxirribosa Niacina (ácido nicotínico) precursor del NAD; transferencia de electrones en reacciones redox Riboflavina precursor de FAD y FMN  ácido pantoténico precursor de la CoA Tiamina (vitamina B1) descarboxilaciones; transcetolasas. Complejo B6 (piridoxal, piridoxamina) transformaciones de aminoácidos y cetoácidos Grupo Vitamina K, quinonas transportadores de electrones (ubiquinonas, menaquinonas, etc.)

Agua Las bacterias necesitan grandes cantidades de agua. Requieren cierto grado de humedad para crecer. Desde el punto de vista de sus posibles papeles, el agua es: Es el principal constituyente del protoplasto bacteriano. El medio universal donde ocurren las reacciones biológicas; Es un producto resultante de algunas reacciones bioquímicas. Las fuentes de agua pueden ser: endógena: procedente de procesos de oxido-reducción. Exógena: (la más importante): procedente del medio, y que difunde a través de las membranas.

FACTORES AMBIENTALES QUE INFLUYEN EN EL CRECIMIENTO BACTERIANO Temperatura (influye en el crecimiento) Humedad (cantidad de agua disponible en el sistema) pH (permite el desarrollo o inhibición de las bacterias) Disponibilidad de oxigeno (clasificación de microorganismo con base a las necesidades de oxígeno) FACTORES AMBIENTALES QUE INFLUYEN EN EL CRECIMIENTO BACTERIANO

Parámetros ambientales: El índice de crecimiento y muerte bacteriana, se ven influidos por parámetros ambientales estos pueden: Favorecen la rápida reproducción microbiana Otros no permiten el desarrollo microbiano. No todos los microorganismos pueden desarrollarse en condiciones idénticas. Los microorganismos poseen limites inferiores y superiores de tolerancia, así como óptimos para su crecimiento (rangos de tolerancia específica). En condiciones de laboratorio o naturales los parámetros ambientales o sus interacciones van a controlar el índice de crecimiento y muerte de las especies bacterianas.

Temperatura Es un factor determinante en el crecimiento de los microorganismos, estos tienen una temperatura mínima, óptima y máxima de crecimiento. Temperatura mínima: por debajo de ella no hay crecimiento, se puede explicar en función de un descenso de la fluidez de la membrana, donde se detienen los procesos de transporte de nutrientes y el gradiente de protones. Temperatura óptima: Las enzimas y reacciones se dan a su máxima tasa posible, Maximo crecimiento. Un aumento de la temperatura favorece la velocidad de las reacciones enzimáticas. Temperatura máxima: No hay crecimiento, las proteínas, ADN y otras macromoléculas sensibles se desnaturalizan e inactivan, hay colapsamiento de la membrana citoplásmatica y a veces lisis térmica de la bacteria. 

CLASES DE MICROORGANISMOS, SEGÚN SU TEMPERATURA: Con base al rango de temperaturas al que pueden crecer las distintas bacterias, se pueden establecer tres tipos principales: 1.A Microorganismos Psicrófilos: temperatura óptima baja 0.0 a 20 °C. Ejemplo (Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes). Presentan una mayor proporción de lípidos insaturados y de cadenas cortas, que mantienen flexibles las membranas a bajas temperaturas. 1.B Psicròfilo Extremo: temperatura optima de 4 0C, y es incapaz de crecer a 14ºC (se muere de calor!). Ejemplo Polaromonas vacuolata, recientemente fue aislada en aguas heladas de la Antártida. Ejemplos de medios permanentemente fríos: La mayor parte de las aguas oceánicas (cuya temperatura media es de unos 5oC, pero que en las profundidades alcanzan sólo 1-2ºC por encima de cero). Las áreas permanentemente heladas del Ártico y de la Antártida.

CLASES DE MICROORGANISMOS, SEGÚN SU TEMPERATURA: 2. Microorganismos Mesófilos: temperatura óptima normal (la mayor parte de los organismos) 20 a 50 °C. Ejemplo E coli. poseen mecanismos de control que interrumpen la síntesis de proteínas, si la temperatura baja por debajo de los 5 0C. 3. Microorganismos Termófilos: temperatura óptima alta (microorganismos aislados de áreas volcánicas) mayores a 40 - 99°C . Ejemplo Bacillus staerothermophilus (manantial). Crecen en fuentes termales volcánicas terrestres. Fuentes termales submarinas . Fumarolas hidrotermales . Materiales en fermentación como acúmulos de abono (compost) y ensilados pueden alcanzar 65 0C. 3.A Termófilos extremos: temperatura óptima muy alta. Ejemplo Thermococcus celer 103° C

pH El ph interior de la bacterias es neutro. Se describe como la concentración de iones hidrógeno (H+). Sol neutra: pH 7.0 Sol ácida: pH menor a 7.0 Sol alcalina: pH mayores a 7.0 En general los microorganismos no pueden tolerar valores extremos de pH. En condiciones alcalinas o ácidas: Se hidrolizan algunos componentes microbianos o Se desnaturalizan algunas enzimas.

Todo microorganismo tiene un rango de pH dentro del cual es posible el crecimiento, y posee un pH optimo. Los microorganismos son menos tolerantes a temperaturas elevadas y pH bajos, que a pH neutro. El pH del medio afecta directamente a la bacteria, y a enzimas, afectando la disociación y la solubilidad de muchas moléculas que ejercen algún efecto sobre estas. Ocurren cambos en la morfología celular, incorrecta división celular, cambios en la adhesión, floculación, etc. Microorganismos acidófilos: Crecen a pH inferior a 5 ejem. (Thiobacillus pH: 0.5). Microorganismos alcalinófilos: Crecen a pH superiores a 9 (Bacillus pH: 11).

AGUA Todos los organismos requieren agua para vivir, en las bacterias el factor crítico es la disponibilidad de agua líquida más que la cantidad total de agua presente en el ambiente. El total de agua disponible para uso microbiano, se expresa como la actividad de agua (aw ). La disponibilidad del agua, es lo que se llama potencial de agua (aw) cuyos valores van de 0 a 1. El aw del H2O pura es 1. Las bacterias tienen valores de aW normalmente entre 0.90 y 0.99. Los solutos presentes en el medio compiten por el agua y la “fijan”, disminuyendo la cantidad disponibles para las bacterias.

Los solutos disueltos en agua (ejem Los solutos disueltos en agua (ejem. sales, azúcares) tienen afinidad por las moléculas de H2O que los rodean, por lo que éstas tampoco estarán a disposición del microorganismo. Aunque bacterias marinas como ciertos Vibrio y Pseudomonas encuentran valores de 0.980. El extremo (0.75) lo tenemos en la arquea Halobacterium, que habita en lagunas hipersalinas.

Halófilos: microorganismos que viven en altas concentraciones de sales Halófilos: microorganismos que viven en altas concentraciones de sales. Ejemplo (aw 0.75) arquea Halobacterium, que habita en lagunas hipersalinas. Osmófilos: microorganismos que viven en altas concentraciones de azúcares. Xerófilos: microorganismos que viven en ambientes secos (hongos).

NECESIDADES DE OXÍGENO Los microorganismos se clasifican en: Aerobios estricto: Requieren O2 para crecer (21 %). Ejemplo E. coli. Anaerobios estricto: La presencia de O2 es letal, Ejemplo: Fusobacterium, Clostridium y Bacteroides, metanogénicas. Aerobios Facultativos:Crecen en condiciones de aerobiosis y anaerobiosis. Ejemplo Enterobacter. Microaerófilos: Requieren CO2 de un 5 A 10%. Ejemplo Campylobacter. Anaerobios facultativo: No requieren y crecen peor cuando el O2 está presente. Ejemplo Clostridium perfringes a) aerobio estricto b) anaerobio estricto c) aerobio facultativo d) microaerofilico e) anaerobio facultativo

BIBLIOGRAFIA Microbiologia Veterinaria. Nestor Oscar Stanchi. Editorial Intermedica.2007. Brock, Madigan, Martinko, Parker. 2004 Biología de los microorganismos, 10 ed, Prentice Hall. Prescott, Harley, Klein 1999  Microbiología, McGraw-Hill Interamericana.