Unidad 3. Nutrición, metabolismo, crecimiento y control de microorganismos
Objetivos• Conocer
-Las características de los principales grupos nutricionales de microorganismos, su crecimiento y control
-Las diferentes aplicaciones de la microbiología
-Las peculiaridades metabólicas de los microorganismos y su diversidad
-Las pautas del crecimiento microbiano y los factores que lo influyen
-Los agentes antimicrobianos más comunes y sus mecanismos de acción• Asimilar
-El mantenimiento adecuado de cultivos puros de microorganismos solo es posible con la práctica de técnicas asépticas
-El metabolismo microbiano es enormemente versátil y plástico• Capacidad
-Prepara cultivos y manejar varias técnicas de esterilización
-Realizar técnicas básicas de recuento de bacterias
-Aislar microorganismos
-Actualizar su formación y necesidades en microbiología a través del manejo herramientas bioinformáticas
Unidad 3. Nutrición, metabolismo, crecimiento y control de microorganismos
Capítulo 5. Nutrición: Requerimientos, toma de nutrientes, medios de cultivo, aislamiento de cultivos puros
•Requerimientos de carbono, hidrógeno y oxígeno-Normalmente se satisfacen simultáneamente -Autótrofos (emplean dióxido de carbono como única o principal
fuente de carbono) Heterótrofos (emplean moléculas orgánicas como fuente de carbono)
Requerimientos
•Requerimientos nutritivos esencialesmacroelementos (macronutrientes)
-C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, y Fe-son requeridos en cantidades relativamente altas
micronutrientes (elementos traza o oligoelementos)-Mn, Zn, Co, Mo, Ni, y Cu-son requeridos en cantidades trazafrecuentemente suministrado entre las impurezas del agua o los componentes del medio de cultivo
Tipos nutricionales de microorganismosRequerimientos
mixotrofos: combinan diferentes procesos metabólicos, por ej. quimiolitoautotróficos y heterotróficos
•fuente de energía química inorgánica•fuente de H/e- inorgánica•fuente orgánica de carbono
Requerimientos
Requerimientos de nitrógeno, fósforo y azufre• necesario para la síntesis de importantes moléculas (ej.,
aminoácidos, ácidos nucleicos)• el nitrógeno se puede suministrar de muchas formas• el fósforo se suministra en general en forma de fósforo
inorgánico• el azufre se suministra en general en forma de sulfato y
se adquiere a través de la vía asimilatoria de reducción de sulfato
Fuentes de nitrógeno
• moléculas orgánicas• amonio • nitrato y nitrito a través de sus vías de asimilación• nitrógeno gas a través de la fijación de nitrógeno
Requerimientos
Factores de crecimiento• compuestos orgánicos• componentes esenciales (o sus precursores) que la célula no puede
sintetizar• deben ser suministrados por el ambiente en el que crece la célula para
que la célula sobreviva y se reproduzca
Importancia práctica de los factores de crecimiento• desarrollo de ensayos cuantitativos crecimiento-respuesta para
determinar la concentración de factores de crecimiento en preparaciones• producción industrial de factores de crecimiento por microorganismos
Requerimientos
Requerimientos Clases de factores de crecimiento • aminoácidos, necesarios para la síntesis de proteínas• purinas y pirimidinas, necesarios para la síntesis de ácidos nucleicos• vitaminas, funcionan como cofactores enzimáticos
Captación celular de nutrientes Los mecanismos más comunes son 3: • difusión facilitada• transporte activo• translocación de grupos
Difusión facilitada• similar a la difusión pasiva
– el movimiento de moléculas no esdependiente de energía
– el movimiento de las moléculas es desde la alta concentración a la baja concentración
– la diferencia de concentración (el gradiente) determina la velocidad de toma
• difiere de la difusión pasiva – emplea moléculas transportadoras
(poros y canales)– una pequeña concentración de
gradiente es necesaria para que haya una toma significativa de moléculas
– transporta efectivamente glicerol, azucares y aminoácidos
• más común en células eucariotas que en procariotas
•la velocidad de difusión facilitada aumenta más rápidamente y a menores concentraciones
•la difusión facilitada alcanza un máximo cuando el transportador se satura
Efecto de saturación del transportador
Toma de nutrientes
Transporte activo
ABC transportadores
• el proceso es dependiente de energía– ATP o fuerza protomotriz
• movilizan las moléculas en contra del gradiente• concentra las moléculas en el interior celular• requiere proteínas transportadoras (transportadores y
translocadores)– se observa un efecto de saturación del transportador
• contienen una proteína a la que se une el ATP
• se observa en bacterias, arqueas y eucariotas
• algunos confieren resistencia a antibióticos
Toma de nutrientes
Mediado por ATP
Toma de nutrientes
Mediado por gradiente de protones y sodio
El transporte de electrones se emplea para bombear protones al exterior de la membrana
El gradiente de protones dirige la expulsión de sodio mediante un mecanismo de antiporte
El sodio se une al complejo proteico transportador
La unión del sodio provoca un cambio conformacional hace posible la unión de otra molécula a transportar
Esto hace que se liberen ambas moléculas en el interior (mecanismo de simporte)
• Simporte – se transportan dos
sustancias en la misma dirección
• Antiporte– se transportan dos
sustancias en direcciones opuestas
Sistema fosfotransferasa de Escherichia coli
Traslocación de grupo
• las moléculas son modificadas a medida que se transportan a través de la membrana
• es un proceso dependiente de energía• ej. el sistema fosfotrasferasa de E. coli
Toma de nutrientes
Captación de hierro
• el ión férrico es muy insoluble y su captación en difícil
• los microorganismos emplean sideróforos para poder captarlo más eficazmente
• los sideróforos forman complejos con el ión férrico
• el complejo es posteriormente transportado al interior celular
• algunos patógenos animales pueden captar grupos hemo
Toma de nutrientes
1. Poros y canales1.A Canales α-Helicoidales1.B Porinas de hojas plegadas β 1.C Toxinas formadoras de poros1.D Canales de síntesis no ribosómica1.E Holinas
2. Transportadores dependientes del potencial electroquímico2.A Transportadores (uniporters, simporters y antiporters) 2.B Transportadores de síntesis no ribosómica
3. Transportadores primarios3.A Dependientes de un grupo fosfato (ABC) 3.B Dependientes de descarboxilaciones 3.C Dependientes de la transferencia de grupos metilo3.D Dependientes de oxidoreducción3.E Dependientes de luz
4. Traslocadores de grupos 5. Transportadores de electrones
Clasificación de las proteínas transportadoras de la membrana
International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB) 2002
Toma de nutrientes
Medios de cultivo
• preparación líquida (caldo) o sólida (agar) utilizada para el crecimiento, transporte o mantenimiento de microorganismos– los medios sólidos se solidifican generalmente con agar
• fundamentales para el estudio de los microorganismos
Medios sintéticos o definidos
• se conocen todos sus componentes y su concentración
Medios de cultivo
Medios complejos
• contiene algunos componentes de composición y/o concentración desconocida
Medios de cultivo
Algunos componentes de los medios de cultivo• peptonas
– hidrolizados de proteínas obtenidos tras la digestión parcial de varias fuentes de proteínas (carne, caseína, harina de soja, gelatina)
• Peptona ácida de caseína: Digestión ácida de la caseína (proteína mayoritaria de la leche) a aminoácidos, a excepción de triptófano que prácticamente desaparece. También desaparecen las vitaminas durante su obtención
• Peptona de carne: Digestión parcial con la proteasa pepsina.• Peptona de gelatina: Digestión pancreática de gelatina. Tiene bajo contenido en
cisteína y triptófano y ausencia total de azúcares fermentables. Poder nutritivo bajo. Se utiliza con microorganismos poco exigentes.
• Peptona pancreática de caseína: Digestión de caseína con extractos pancreáticos. Es el más utilizado en procesos de fermentación industrial.
• Peptona de soja: Digestión con la proteasa papaina de la harina de soja. Por su alto contenido en azucares no es recomendable en estudios de fermentación.
• Peptona trípsica de caseína: Digestión con la proteasa trípsina de la caseina • extractos
– extractos acuosos frecuentemente de carne o levadura• agar
– polímero sulfatado normalmente extraído de algas rojas empleado para solidificar medios líquidos. Funde a 80-90 ºC y solidifica a 40-42 ºC. No es degradado por la mayor parte de los microorganismos
Medios de cultivo
Tipos de medios• Medios para fines generales
– pueden mantener el crecimiento de numerosos microorganismos– ej. : caldo de triptona y soja
• medios enriquecidos– medios para fines generales suplementados con sangre o otros nutrientes
especiles– ej.: agar sangre
• medios selectivos– favorecen el crecimiento de algunos microorganismos e inhiben el crecimiento
de otros– ej.: agar MacConkey
• selecciona bacteria gram negativas por contener cristal violeta
• medios diferenciales
– diferencian entre grupos distintos de bacterias e incluso permiten una identificación tentativa
– ej., agar sangre: diferencia bacterias hemolíticas de no hemolíticas– muchos estreptococos y estafilococos aislados de la garganta producen
zonas claras alrededor de sus colonias debido a la lisis de los eritrocitos– ej., Agar MacConkey: diferencia fermentadores de lactosa de no fermentadores
Medios de cultivo
Aislamiento de cultivos puros
• cultivo puro– población de células que proviene de una sola célula
• Para aislar cultivos puros se emplean frecuentemente la siembra en profundidad, la siembra por extensión y la siembra en estría
Aislamiento de cultivos puros
Siembra en profundidad•La muestra original se diluye varias veces para reducir la concentración bacteriana, se mezcla con agar templado y se vierte
Aislamiento de cultivos puros
Siembra por extensión•La muestra original se diluye varias veces para reducir la concentración bacteriana, se vierte sobre una superficie de agar y se extiende con un asa de Digralski de forma que las colonias resultantes estén bien separadas
Siembra en estría•La muestra original (sólida o líquida) se recoge con un asa de siembra y se aplica secuencialmente en estrías esterilizando el asa entre estría y estría
Aislamiento de cultivos puros
•En cada estría se va diluyendo la muestra original de forma que en la última estría se obtienen bacterias que darán lugar a colonias aisladas
Morfología de la colonialas especies de microorganismos forman colonias de aspecto característico
Aislamiento de cultivos puros
Forma
Elevación
Margen
Puntiforme Circular Filamentoso Irregular Rizoide Fusiforme
Plana Elevada Convexa Pulvinada Umbonada
Entero Ondulado Lobulado Erosionado Filamentoso Rizado
Crecimiento de colonias• la colonia crece más
rápidamente en la periferia– hay más disponibilidad de
oxígeno y nutrientes en la periferia
• el crecimiento es más lento en el centro de la colonia, hay mayor mortalidad
• en la naturaleza muchos microorganismos se agrupan formando biofilms
Aislamiento de cultivos puros
la morfología de la colonia puede variar según el medio en el que crezca.Ej, Bacillus subtilis creciendo en un medio pobre en nutrientes
¿Dónde encuentro la composición de los medios de cultivo o los medios preparados?
• En las páginas web de los suministradores de organismos. Por ejemplo: La ATCC (http://www.atcc.org, la colección americana de cultivos tipo) indica la composición del medio de cultivo junto a los organismos que suministra. Lo mismo sucede con la CECT (www.cect.org, colección española de cultivos tipo)
• La composición detallada de cada medio se encuentra en las páginas de los proveedores de medios de cultivo. El más detallado es el manual DIFCO (http://www.maplica.com)
• En España los suministradores más comunes son Microkit (http://www.laboratoriosmicrokit.com/) , Sigma Aldrich http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Analytical__Chromatography/Microbiology.html y biomerieux (http://www.biomerieux.com)
Medios de cultivo
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