BIOL 3770

Sandra L. Maldonado Ramírez, PhD

METABOLISMO

 

Es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en la célula viva. El metabolismo se divide en:anabolismo- biosíntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples (ej. fotosíntesis) y catabolismo- rompimiento de compuestos orgánicos con el fin de producir energía (ej. respiración celular y fermentación).

 

Para poder llevar a cabo los procesos metabólicos de forma adecuada, el microorganismo debe contra con los recursos adecuados (macronutrientes, micronutrientes, vitaminas, enzimas, moléculas biológicas y factores de crecimiento) y bajo las condiciones ambientales más óptimas para su buen funcionamiento.

 

Macronutrientes- se requieren en grandes cantidades (Tabla 5.1) debido a que forman parte de moléculas orgánicas de importancia biológica: C, H, O, N, P, S, K, Mg, Na, Ca, Fe.

1. Carbono- representa un 50% del peso seco de la célula y está presente en todas las macromoléculas biológicas: carbohidratos (C, H, O), lípidos (C, H, O, P), proteínas (C, H, O, N, S) y acidos nucleicos (C, H, O, N, P).

2. Nitrógeno- representa un 12% del peso seco de la célula y está presente en proteínas y ácidos nucleicos.  En la naturaleza se encuentra en formas inorgánicas y orgánicas.

amonia (NH3)

nitrato (NO3)- utilizado por la mayoría de las eubacterias

N2 – utilizado por bacterias fijadoras de nitrógeno.

3. Fósforo- se utiliza como fosfato (PO-4) y se encuentra en formas inorgánicas y orgánicas. Es requerido principalmente para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos.

4. Azufre (S)- se origina de fuentes inorgánicas como el sulfato (SO-4).  Tiene rol estructural en los aminoácidos metionina y cisteina. Está presente en vitaminas (tiamina, biotina y ácido lipoíco) y en coenzimas (CoA).

5. Calcio (Ca+2)- no es esencial para el crecimiento de las bacterias, pero ayuda a estabilizar la pared celular y provee estabilidad a las endosporas.

6. Sodio (Na+)- dependiendo del organismo será la necesidad por este .elemento. Los microorganismos marinos lo requieren para crecimiento.

7. Hierro (Fe)- su rol principal es en respiración celular, ya que es componente de los citocromos y las proteínas envueltas en el transporte de electrones.

          sideroforos- son agentes que atrapan hierro, lo solubilizan y lo transportan al interior

de la célula. Sin ellos muchas bacterias patógenas perderían su habilidad de comenzar

la infección debido a limitación de hierro. Se han identificado varios grupos de

sideroforos:

a.      Derivados de ácido hidroxámico.

b.     Enterobactinas- sideroforos fenólicos derivados de catecol producidos por bacterias como Escherichia coli y Salmonella typhimurium.

c.      Acuaquelinas- en algunas bacterias marinas se observa la presencia de sideroforos estructurales, donde la cabeza de péptido se une al hierro y la cola de lípido que se asocia a la membrana.

Estos sideroforos atrapan el hierro, lo encierran en un micelo y lo transportan al interior de la célula. Algunas eubacterias crecen en ausencia de hierro: Lactobacillus plantarum y Borrelia burgdorferri (causante de la enfermedad de Lyme) substituyen el hierro por el manganeso.

Micronutrientes- se requieren en cantidades bien pequeñas (elementos traza) (Ver Tabla 5.2).  Estos son metales que tienen rol estructural en enzimas o son co-factores de enzimas: Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, V, W, Zn.

 

Enzimas- son proteínas altamente específicas que funcionan como catalítico (aceleran

reacciones metabólicas).  Presentan un sitio activo y son nombradas de acuerdo al

sustrato al cual se enlazan o la reacción que catalizan.

 

Factores de crecimiento- son compuestos inorgánicos requeridos en pequeñas cantidades por algunos organismos (Ver Tabla 5.3).

Organismos fastidiosos- tienen ciertos requerimientos nutricionales específicos y

Requieren de ciertos factores de crecimiento en los medios de cultivo donde

van a crecer.

1. Vitaminas- las más importantes ya que forman parte de las coenzimas.

coenzima- compuesto orgánico de bajo peso molecular que se une a la porción

proteíca de una enzima.

tiamina (B1), priridoxina (B6) y cobalamina (B12)

2. Aminoácidos- bloques que constituyen las proteínas.

3. Purinas y pirimidinas- bases nitrogenadas presentes en los ácidos nucleicos.

 

Medios de cultivo- solución nutritiva para crecer microoganismos en el laboratorio.  Debe contener todos los nutrientes que el microorganiso necesita para crecer y reproducirse. Hay varios tipos de medios de cultivo:    

a. quimicamente definido- se añaden las cantidades precisas de agentes químicos orgánicos/inorgánicos altamente purificados al agua destilada.  Son utilizados para ensayos microbiológicos.

b. complejo- no se conoce la composición exacta. Generalmente se utilizan preparados de caseína, carne, células de levadura u otras substancias altamente nutritivas para promover el crecimiento de quimioheterótrofos.

c. reductor -para crecer anaeróbeos obligados.

d.      selectivo- suprime el crecimiento de ciertos microorganismos y estimula el crecimiento de otros.

e.      diferencial- permite distinguir entre organismos.

f.        enriquecido- similar al selectivo pero está diseñado para aumentar el número del organismo deseado a niveles detectables.

 

¿Còmo los microorganismos obtienen los nutrientes?
1. Autotrófos

2. Quimiotrofos

 

Factores que afectan el crecimiento

 

1. Oxígeno

De izquierda a derecha: aeróbico, anaeróbico, facultativo, microaerofílico y anaerobeo aerotolerante.

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. pH- medida de la acidez o alcalinidad de una solución en una escala del 0-14.  Es el logaritmo negativo de la concentración de H+ en una solución.  Esto implica que un aumento de 1 en la escala representa un aumento de 10 veces la concentración de iones de hidrógeno.

Hay un pH óptimo para casi todos los microorganismos.

a. acidófilos- crecen mejor a pH bajo.  Ej. hongos tienden a tolerar mejor ambientes ácidos, Thiobacillus, Sulfolobus, Thermoplasma, Ferroplasma

b. alcalófilos-crecen mejor a pH alto. Ej. bacterias aeróbicas no marinas, Bacillus y algunas arqueas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3. Temperatura- los organismos presentan diferentes mecanismos para lidiar con la temperatura: compuestos para estabilizar la membrana, enzimas especiales, crecimiento rápido, etc. Dependiendo de los requerimientos de temperatura los microorganismos se clasifican en:

a.     psicrofílos- temperatura óptima de 10-15 °C.  Ej. Polaromonas vacuolata (4°C ) y

Chlamydomonas nivalis.

b.  psicrotolerante- capaz de crecer a temperaturas bajas pero prefiere crecer a temperaturas moderadas (óptima de 15-30°C). Ej. hongos, bacterias, algas, protistas.

c.  mesófilo- la mayor parte de las especies de bacterias que viven asociadas a

     animales de sangre caliente (óptima de 30-40 °C). Ej. Escherichia coli, Salmonella 

     spp., S. aureus.

g.      termófilo- entre ellos hay una gran variación en las temperaturas óptimas y máximas (óptima de 45-80 °C). Ej. Bacillus stearothermophillus y Thermus aquaticus.

h.       hipertermófilo- termperatura óptima de crecimiento de 80°C o más. Ej. Thermococcus celer (88°C ) y Pyrolobus fumari (106°C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4. Presión osmótica

 

 

Términos utilizados para describir las relaciones de los microorganismos con la presión osmótica.

  1. Halofilicas- requiere sal para crecimiento. Ej. Vibrio fischeri.
  2. Halofílico extremo- requiere grandes cantidades de sal (sobre 10%). Ej. Halobacterium salinarum.
  3. Osmofílicos- requieren grandes concentraciones de azúcar.
  4. Halotolerantes- no requiere sal para crecimiento pero su presencia no inhibe el crecimiento. Ej. Staphylococcus aureus

 

5. Radiacción ultravioleta (UV)

6. Agentes antimicrobiales

a.      antibióticos

b.      desinfectante- mata los microorganismos y puede dañar el tejido humano [alcohol, hipoclorito de sodio (Clorox), óxido de etileno].

c.      antiséptico- mata o inhibe los microorganismos pero no daña el tejido humano[yodo, peróxido de hidrógeno, alcohol (50-75%), etanol e isopropanol].

 

Curvas de crecimiento- reflejan eventos de la población no de células individuales.  Industrialmente se llevan a cabo procesos que aprovechan el comportamiento de las poblaciones microbianas para elaborar productos como antibióticos, vitaminas, ácidos inorgánicos, etc:

a.   Batch culture- sistema cerrado de cultivo microbiano de volumen fijo.

b.     Quimiostato- aparato de cultivo microbiano controlado por la limitación de algún

      nutriente o por la razón de dilución.

 

En una curva de crecimiento se distinguen varias fases cada una correspondiente a eventos o procesos metabólicos particulares:

  1. Fase lag- antecede la fase de crecimiento exponencial y aquí las células están metabolicamente activas, ocurre reparación cellular pero NO HAY CRECIMIENTO.
  2. Fase log- el número de células se duplica exponencialmente dentro de un periodo de tiempo fijo. El aumento en el número de células es una progresión geométrica del número dos (21 > 22 > 23 >, etc). Hay una relación directa entre el número de células en el cultivo inicial y el número de células luego del periodo de crecimiento exponencial (N= N02n).  La razón de crecimiento está influenciada por el metabolismo y las características géneticas.  EN esta fase se determina el tiempo de generación (g= t/n) que se define como el periodo que le toma a la población duplicar su número de células.
  3. Fase estacionaria- aquí el periodo de crecimiento es cero debido a que mueren igual número de células que las que se originan por fisión binaria.
  4. Fase de muerte- ocurre lisis cellular por falta de algún nutriente y/o acumulación de desechos.

 

NOTAS:

* A pesar de haber discutido los factores que afectan el crecimiento, la realidad es que no existe un medio de cultivo o un conjunto de condiciones ambientales que pueda soportar el crecimiento de todos los microoganismos en una muestra dada.

 

¿Cómo se estima el crecimiento de las bacterias?

1. Por densidad celular- se contabiliza el número de células por unidad de volumen.

a.                           Conteo directo bajo el microscopio- se cuentan células vivas y muertas.  Puede contarse particulado no biológico.

                          

 

b.Contaje de colonias- cada célula viable da origen a una colonia.  Se pueden contabilizar ya que las células bacterianas no tiene mucha motilidad en el agar.

1.)   Dilución en serie (dilución seriada)

2.)   Plato vertido (vertido en plato)

2. Medir la densidad óptica (OD) Fig 6.12- se puede realizar cuando el cultivo se está desarollando. Se debe calcular una curva estándar (OD vs densidad celular) para:

•cada especie bacteriana (el tamaño hace la diferencia)

•cada medio de cultivo (las bacterias cambian su morfología en medios diferentes)

•cada espectrofotómetro.