Unidad 4: Fisiología y metabolismo

Bacteriano

Lic. Josè Soria

Fisiología microbiana

• La Fisiología microbiana comprende el estudio de las funciones realizadas por los microorganismos

• una de las funciones de todo ser vivo es el crecimiento, esto es aumentar en forma ordenada el número y la masa de todos sus componentes celulares: pared celular, membrana citoplasmática, ácidos nucleicos (ADN y ARN), flagelos,fimbrias, entre otros.

Nutrición y crecimiento bacteriano

• Las bacterias necesitan de un aporte energético para desarrollarse.

• También se necesita de una fuente de carbono

• Podemos clasificar los microorganismos en base a estas dos requerimientos

Clasificación según la fuente de energía

Los microorganismos pueden obtener su energía de dos tipos de fuentes:

• Luz: energía luminosa que se convierte en energía química. Los microorganismos que utilizan esta fuente de energía se denominan FOTOTROFOS

• Reacciones de oxido-reducción :a partir de compuestos químicos inorgánicos u orgánicos. Los microorganismos que utilizan esta fuente de energía se denominan QUIMIOTROFOS.

Clasificación según la fuente de energía

• Todos los organismos requieren una fuente de energía para obtener ATP y generar poder reductor (NADH, NADPH) por alguno de los siguientes metabolismos:

• Fotosíntesis

• Respiración aerobia: aceptor final de electrones O2

• Respiración anaerobia: aceptores finales de electrones: NO3-, SO4=, CO2, fumarato.

• Fermentación: conjunto de reacciones donde compuestos orgánicos sirven como donadores y aceptores de electrones. Se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

Los microorganismos pueden obtener carbono de dos tipos de fuentes:

• CO2: los microorganismos que utilizan esta fuente de carbono se denominan AUTOTROFOS.

• compuestos orgánicos carbonados (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos, etc). Los microorganismos que utilizan estas fuentes de carbono se denominan HETEROTROFOS.

Clasificación según la fuente de Carbono

• Elementos energéticos y constitutivos:

Macroelementos y microelementos

Factores de crecimiento

• Agua

Nutrición bacteriana

Macroelementos: componen mas de un 90% de la materia de un microorganismo. Estos elementos son: C – H – O – N – P- S •Fuente de Carbono: en el caso de los autótrofos, la fuente utilizada es el CO2. En el caso de los quimiorganotrofos la fuente son los azucares o Carbohidratos

Macroelementos:

Fuente de nitrógeno: muchos organismos son autotrofos y necesitan NO3-, NH3 ó N2. Los quimiotrofos obtienen nitrógeno de aminoácidos, bases púricas o pirimídicas Fuente de fósforo: Es necesario principalmente para la Formación de la molécula energética ATP y del ADN Fuente de azufre: empleado en la producción de aminoácidos y coenzimas

Microelementos: Son metales que se requieren en muy pequeñas cantidades. Participan en la estructura de las enzimas, vitaminas, transportadores de electrones como citocromos. Son contaminantes de los macroelementos y se incorporan junto a ellos en los medios de cultivo. Pueden ser: Frecuentemente esenciales: Cr, Co, Cu, Mn, Mo, Ni, Se, W, V, Zn Inhibidores del crecimiento: Au, Ag, Cd, Cr, Pb, y cualquier microelemento a concentración mayor que 10-4 M puede resultar tóxico para el desarrollo de los microorganismos.

Agua

El agua representa el 80-90% del peso total de una célula y es fundamental para la realización de todos los procesos metabólicos, funciones enzimáticas, solvatación de materiales orgánicos e inorgánicos, y donación de electrones para organismos fotosintéticos.

Condiciones físicas y el crecimiento bacteriano

• Temperatura

• presión osmótica:

• presencia de oxígeno

• Humedad

• Luz

• pH

cada especie tiene su temperatura óptima de crecimiento.

• mesófilos: 35-37°C

• psicrófilos: 15-20°C

• termófilos: 50-60°C

La temperatura

presencia de oxígeno

a) aerobios estrictas: requieren oxígeno para crecer. Realizan respiración aerobia.

b) anaerobios obligados: el O2 les resulta tóxico. Crecen en medios muy reducidos (sin O2). Metabolismo fermentativo o respiración anaerobia. c) anaerobios facultativos: pueden crecer tanto en condiciones aerobias (metabolismo respiratorio) como en condiciones anaerobias (metabolismo fermentativo y respiración anaerobia). d) microaerófilos: necesitan bajas tensiones de O2 y una atm enriquecida en CO2. Pueden realizar respiración aerobia. e) anaerobios aerotolerantes: crecen en ausencia de O2 (metabolismo fermentativo) y si son expuestos al O2 no mueren.

luz: es importante para los microorganismos fotosintéticos.

pH: la mayoría de las bacterias crece en medio neutro o

levemente alcalino (7 – 7.6). Existen excepciones: son los lactobacilos (pH 5, acidófilos), Vibrio cholerae (pH 8.6). Los hongos crecen a pH menor que 7. Humedad: todas las bacterias necesitan un ambiente mucho más húmedo para su desarrollo que los hongos. En condiciones ambientales adversas, algunas especies producen estructuras de resistencia a la desecación llamadas esporas

Es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos que ocurren en una célula y en el organismo

El metabolismo

El metabolismo se divide en dos procesos conjugados: •catabolismo y anabolismo

Porque estudiar metabolismo??

• Para el desarrollo de medios de cultivo para

microorganismos

• Para obtención de procedimientos útiles que impidan el

crecimiento de microorganismos indeseables

• Para identificación de microorganismos mediante pruebas

metabólicas

• En microbiología médica (enfermedades infecciosas)

• En microbiología industrial: producción de compuestos

útiles

• Para entender la bioquímica del crecimiento microbiano

CATABOLISMO

Conjunto de reacciones bioquímicas que

conducen a la producción de ENERGIA, PODER

REDUCTOR y PRECURSORES para la

biosíntesis.

ANABOLISMO

Suma total de todas las reacciones biosinteticas

de la célula.

Catabolismo y anabolismo: papel de la obtención de energía en vincular estos procesos

Proceso de carga energética del ATP

La energía se requiere para: Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia

Conservación de energía intracelular

• Principalmente por síntesis de ATP

¿Cómo se obtiene el ATP?

• Fosforilación a nivel de sustrato (Fermentacion)

• Fosforilación oxidativa

• Fotofosforilación

Diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa

La generación de ATP es

consecuenciade la transferencia

de un P de Alta energía desde

un compuesto fosforilado hacia

el ADP

La generación de ATP esta asociada a la

fuerza motriz deprotones y se transfieren

electrones desde compuestos organicos hacia

NAD+ o FAD+ y luego a traves de

transportadores de electrones hasta el O2 u

otras moleculas organicas o inorganicas

CATABOLISMO

Rutas para la obtención de energía, poder

reductor y precursores metabólicos:

• - Fermentación

• - Respiración

• - Fotosíntesis

FERMENTACIÓN

Son vías catabólicas en las que un compuesto orgánico actúa sucesivamente como donador y

aceptor de electrones. Es un proceso ANAEROBIO.

La energía se obtiene únicamente por FOSFORILACIÓN

A NIVEL DE SUSTRATO

A partir de un proceso llamado Glucolisis

Puede derivar en dos tipos de reacciones,

Dependiendo si se realiza en presencia de O2

Fermentación Alcohólica

• Su producto principal es el etanol y CO2

es realizada por microorganismos que trabajan sobre los

hidratos de carbono, observables en gran cantidad de frutas y cereales. El etanol es utilizado industrialmente para la producción de la mayoría de las bebidas alcohólicas como cerveza o vino. El proceso en su totalidad se dará sin presencia alguna de oxigeno en el ambiente.

Fermentación Láctica

• Su producto final es ácido láctico.

• La producen las bacterias lácticas

• La aplicación mas común es la elaboración de quesos y maduración del yogurt

• Este proceso lo realizan muchos organismos, por ej: hongos, algunos protozoos y animales

• Fosforilación oxidativa. Respiraciones

• Respiración: obtención de energía por

oxidación de sustratos reducidos (DH2),

en la que los coenzimas reducidos (ej.:

NADH) transfieren los ee a un aceptor

final a través de una c.t.e. gradiente

H+ ATP

• La obtención de energía ligada a las

respiraciones se llama fosforilación

oxidativa

Respiraciones según el tipo de donador y de

aceptor de electrones

Según el tipo de donante de ee: • En los quimiolitotrofos el donante es una sustancia inorgánica

• En los quimiorganotrofos respiradores el donante es una

sustancia orgánica

Según el aceptor final de electrones:

• Si es O2: respiración aerobia

• Si es distinto del O2: respiración anaerobia

Respiración celular: ciclo de Krebs

• Mediante la respiración celular, el ácido pirúvico (piruvato)formado en la glucólisis se oxida completamente a CO2 y agua en presencia de oxígeno.

• Se desarrolla en dos etapas sucesivas: el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, asociada a la fosforilación oxidativa.

Ciclo de Krebs o del

ácido cítrico: el acido

pirúvico se reduce

totalmente a CO2

mediante reacciones

de hidratación,

decarboxilación y

oxidación

Se extraen los electrones y

Se almacenan como poder

Reductor – (NADH)

Respiración aerobia: Cadena de transporte de electrones

• Básicamente es una cadena de proteínas y coenzimas que transportan electrones

• Su objetivo es la generación de un gradiente de protones que se usara para la sintesis de ATP

Flujo de electrones

Los electrones van pasando por cada uno de los complejos, esto produce la

Acumulación De protones fuera de la membrana. Al final de la cadena encontramos

a la proteína ATP sintetiza (complejo V).

La cual utiliza a su fabor ,la energía del gradiente de

protones para sintetizar Moléculas de ATP

RESPIRACION: integración entre vía glicolítica, ciclo de Krebs y transporte de electrones

Principales vías que convergen en el ciclo de Krebs El ciclo de Krebs constituye la segunda etapa del catabolismo de carbohidratos. La glucólisis rompe la glucosa (6 carbonos) generando dos moléculas de piruvato (3 carbonos). El ciclo de Krebs siempre es seguido por la fosforilación oxidativa. Este proceso extrae la energía en forma de electrones de alto potencial de las moléculas de NADH y FADH2, regenerando NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo de Krebs puede continuar.

Los electrones son transferidos a moléculas de O2, rindiendo H2O. Pero esta transferencia se realiza a través de una cadena transportadora de electrones capaz de aprovechar la energía potencial de los electrones para bombear protones. De este modo el ciclo de Krebs no utiliza directamente O2, pero lo requiere al estar acoplado a la fosforilación oxidativa. Por cada molécula de glucosa la energía obtenida mediante el metabolismo oxidativo, es decir, glucolisis seguida del ciclo de Krebs, equivale a unas 36 moléculas de ATP.

• En la fotosíntesis anoxigénica, los organismos fotoautótrofos anoxigénicos convierten la energía de la luz en energía química necesaria para el crecimiento; sin embargo, y al contrario que las plantas, algas y cianobacterias, en este proceso de transformación de la energía no se produce oxígeno (O2).

• Otra diferencia es que los fotótrofos anoxigénicos contienen un tipo de clorofila, bacterioclorofila, diferente a la clorofila de las plantas.

Autotrófica

Es el proceso mediante el cual el CO2 se asimila como

fuente de carbono.

Puede utilizar tres vías, pero la más común es la del

Ciclo de Calvin.

Son necesarios: NAD(P)H, ATP y dos enzimas

específicas: