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Bioquímica y fisiología microbiana Tema 1. Introducción ¿Qué es BFM? ☁ Fisiología ☁ ☁ El estudio de las funciones de los organismos entendiendo que los procesos de la vida están mediados por sus estructuras, relación estructura-función. Bioquímica ☁ ☁ El estudio de las reacciones químicas que soportan la vida. También están relacionadas la estructura con la posibilidad de llevar al cabo reacciones bioquímicas. Objetivos ☁ Introducir la bioquímica y fisiología microbiana como tema de estudio científico. ☁ Describir la importancia de los microorganismos y su diversidad en la naturaleza. ☁ Describir a Escherichia coli como modelo de estudio de la composición estructural y molecular de las células bacterianas. ☁ Describir las diferencias entre células Grampositivas y Gram-negativas. Objetivos ☁ Entender las estructuras celulares, factores de crecimiento, metabolismo y composición genética de los microorganismos ☁ Presenta las inter-relaciones entre la microbiología, bioquímica y genética en el contexto del funcionamiento de las células bacterianas. ☁ Tomar a los organismos unicelulares como un modelo para tratara de entender organismos más complejos. Metas ☁ Entender: ☁ Cómo una célula funciona en su ambiente ☁ Cómo puede alterarse para contender con cambios en el ambiente ☁ Cómo puede reproducirse a partir de sustratos simples del ambiente Palabras clave Prokaryotic Eubacteria (Bacteria) Archaebacteria (Archaea) Eukaryotic Plasmid Chromosome Ribosome Peptidoglycan (murein, mucopeptide) Gram stain Gram negative Gram positive Cell envelope Cell membrane Cell wall Outer membrane Periplasmic space Oxidative phosphorylation Spheroplast/protoplast Flagella Chemotaxis Axial filament Periplasmic binding protein Permeases Storage Granules Pili (fimbriae) Capsule (slime layer, glycocalyx) Endospore (spore) Importancia de los microorganismos ☁ Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del ambiente ☁ Ambientes extremos, temperatura, presión salinidad, etc. ☁ En procesos del ambiente ☁ Flora bacteriana natural en intestinos de rumiantes ☁ En procesos industriales, bioremediación, fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) producción de antibióticos ☁ Estructura comunitaria de los microorganismos. Los individuos participan en procesos particulares pero la comunidad se requiere para procesos completos. Clasificación de los microorganismos ☁ Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres Dominios ☁ Eukarya, organismos con núcleo y compartamentalizados, todos los multicelulares y algunos unicelulares. ☁ Bacteria, no compartamentalizados, unicelulares. ☁ Archaea, unicelulares con membranas características y genoma muy alejado del bacteriano. ☁ Nota: ☁ Bacteria (con mayúscula) se refiere al dominio, ☁ bacteria, (con minúscula) se refiere a los procariontes, los miembros de los dos dominios, Bacteria y Archaea son procariontes. Los microorganismos se definen por su fenotipos o características físicas. Temperatura óptima de crecimiento ☁ Psicrófilos: -12 a 20 ºC ☁ Mesófilos: 14 a 45 ºC ☁ Termófilos moderados 42 a 69ºC ☁ Termófilos extremos 66 a 105 ºC pH ☁ Acidófilos: pH bajo ~ 3 ☁ Neutrófilos: pH ~7 ☁ Alcalinófilos: pH alto ~10 Salinidad ☁ Halófilos. Alta salinidad Oxígeno ☁ Aerobios obligados: requieren O2 ☁ Aerobios facultativos: no requieren O2 pero crecen mejor si está presente ☁ Microaerofílicos: requieren muy pequeñas cantidades de O2 ☁ Aerotolerantes: no se requiere el O2 y su adición no mejora el crecimiento. ☁ Anaerobios obligados: el O2 inhibe el crecimiento. Nutrición ☁ Fuente de energía: luz vs química ☁ carbono: orgánica vs inorgánica ☁ ☁ Aceptor de electrones terminal Fuente de Carbono Orgánico quimioheterótrofos CO2 quimioautótrofos Orgánico CO2 Fotoheterótrofos fotoautótrofas Verdes no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas Aceptor final de electrones O2 Animales, protozoarios, hongos, bacterias No O2 Orgánico Streptococcus Inorgánico Clostridium H2O Fotosíntesis Oxigenativa No H2O Fotosíntesis Anoxigenica verdes y púrpuras sulfurosas Energía Redox quimiótrofos Luz fotótrofos Ejemplo ☁ Coloramator indicus ☁ Bastón Gram positivo inmóvil no esporulante. ☁ Quimiorganotrófico y anaerobio obligado ☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede fermentar una gran cantidad de carbohidratos Los microorganismos como modelo de estudio ☁ Tiempo corto de generación ☁ ☁ ☁ ☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutos Buenos para estudiar mutaciones Se pueden estudiar un gran número de células idénticas Tamaño pequeño ☁ Permite estudiar grandes poblaciones ☁ Tamaño pequeño de su genoma ☁ Diversidad nutricional Escherichia coli como modelo de estudio en BFM ☁ Escherichia coli es usada como paradigma. ☁ Paradigma: es —desde fines de la década de 1960— un modelo o patrón en cualquier disciplina científica u otro contexto epistemológico. ☁ Pero no es representativo de todos los microorganismos. ☁ Cada microorganismo tiene sus carácterísticas particulares. Pregunta ☁ ¿Cómo es el cromosoma bacteriano? ☁ Circular ☁ Lineal ☁ Varios circulares ☁ Varios lineales ☁ Circular a veces lineal a veces ☁ Ninguna de las anteriores El paradigma de E. coli Características morfológicas de los microorganismos ☁ Forma, bacilos, cocos, espirilos ☁ Tamaño ☁ Coloración de Gram, positivo o negativo ☁ Formación de esporas, endosporas Forma Bacilos: con forma alargada ☁ Cocos: con forma redondeada ☁ Espirilos: con forma helicoidal ☁ Vibrión: con forma de coma ortográfica Tamaño ☁ http://www.camfilfarr.c om/cou_pol/industries/ care/microbial_size.cfm Movilidad ☁ Cilios, pequeños ☁ Flagelos, grandes ☁ Fimbriae o pili, estructura tubular rígida Diferencias entre eucariontes y procariontes The Cell Envelope Gram Positive Gram Negative Oxidative phosphorylation occurs at cell membrane (since there are no mitochondria). Cell Wall Cytoplasm Cell membrane The cell wall is outside of cell membrane – rigid, protecting cell from osmotic lysis. Outer Membrane ☁ Gram negative bacteria ☁ major permeability barrier ☁ space between inner and outer membrane ☁ periplasmic space ☁ store degradative enzymes ☁ Gram positive bacteria ☁ no periplasmic space GRAM NEGATIVE CELL ENVELOPE Outer Membrane (Major permeability barrier) Porin Lipopolysaccharide Braun lipoprotein Degradative enzyme Inner (cytoplasmic) membrane Periplasmic binding protein Cytoplasm Permease GRAM POSITIVE CELL ENVELOPE Degradative enzyme Lipoteichoic acid Peptidoglycan-teichoic acid Cytoplasmic membrane Cytoplasm Peptidoglicano y ácido teicóico Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates Essentials of Glycobiology Second Edition Chapter 20, Figure 1 Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases Essentials of Glycobiology Second Edition Chapter 20, Figure 4 Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid Essentials of Glycobiology Second Edition Chapter 20, Figure 5 Structure of the cell wall of mycobacteria Essentials of Glycobiology Second Edition Chapter 20, Figure 8 FLAGELLA ☁ Some bacteria are motile ☁ Locomotory organelles- flagella ☁ Taste environment ☁ Respond to food/poison ☁ chemotaxis flagelos • Flagella – embedded in cell membrane – project as strand – Flagellin (protein) subunits – move cell by propeller like action Axial filaments ☁ ☁ ☁ ☁ spirochetes similar function to flagella run lengthwise along cell snake-like movement Making Wall-less forms ☁ Result from action of: ☁ enzymes lytic for cell wall ☁ antibiotics inhibiting peptidoglycan biosynthesis ☁ Usually non-viable ☁ Wall-less bacteria that don’t replicate: ☁ spheroplasts (with outer membrane) ☁ protoplasts (no outer membrane). ☁ Wall-less bacteria that replicate ☁ L forms Naturally Wall-less Genus ☁ Mycloplasma ☁ Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos. ☁ Pleiomórficos Pili (fimbriae) ☁ hair-like projections of the cell ☁ sexual conjugation ☁ adhesion to host epithelium Capsules and slime layers ☁ outside cell envelope ☁ well defined: capsule ☁ not defined: slime layer or glycocalyx ☁ usually polysaccharide ☁ often lost on in vitro culture ☁ protective in vivo Colonies of Bacillus anthracis. CDC. ☁ The slimy or mucoid appearance of a bacterial colony is usually evidence of capsule production. ☁ In the case of B. anthracis, the capsule is composed of poly-Dglutamate. ☁ The capsule is an essential determinant of virulence to the bacterium. ☁ In the early stages of colonization and infection the capsule protects the bacteria from assaults by the immune and phagocytic systems. http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/structure.html Endospores (spores) ☁ Dormant cell ☁ Produced when starved ☁ Resistant to adverse conditions ☁ ☁ high temperatures organic solvents ☁ contain calcium dipicolinate ☁ Bacillus and Clostridium Pared celular de Archaea ☁ No contiene peptidoglicano ☁ Puede ser de ☁ ☁ ☁ ☁ pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+ pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+ monocapa superficial de proteina o glicoproteina, sin pseudomureina (algunos halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G- Existen Archaea sin pared Pseudopeptidoglicano de Archaea Funciones de la pared ☁ Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis). ☁ Comunicación con el medio exterior. ☁ Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) ☁ Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). ☁ Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.) La membrana celular ☁ Estructura: ☁ Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al colesterol ☁ En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman monocapas. Estructura de la Membrana Citoplasmática Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces químicos Eter - Archea Ester - Bacteria Isopreno Funciones de Membrana Citoplasmática ☁ Barrera de Permeabilidad ☁ sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, pueden atravesar la membrana por difusión. ☁ Ancla de Proteínas ☁ transporte, generación de energía, quimiotaxis ☁ Generación de fuerza proton motriz En fotótrofas: Estructuras intracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintético (Vesículas, túbulos, tipo tilacoides) ☁ Síntesis de pared, y estructuras extracelulares. Membrana citoplasmática de E. coli Nutrición ☁ Fuente de energía: luz vs química ☁ carbono: orgánica vs inorgánica ☁ ☁ Aceptor de electrones terminal Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya Propiedad Bacteria Eucarya Membrana NO SI nuclear Organelos NO SI Tamaño 70S 80S ribosoma Peptidoglicano SI NO en la pared Esteroles en NO SI membrana (hopanoides) Lípidos de Ester unidos Ester unido a membrana a glicerol glicerol Archaea NO NO 70S NO SI Eter, ramificados Ejemplo ☁ Coloramator indicus ☁ Bastón Gram positivo inmóvil no esporulante. ☁ Quimiorganotrófico y anaerobio obligado ☁ Alcalinotrófico, termófilo que puede fermentar una gran cantidad de carbohidratos Los microorganismos como modelo de estudio ☁ Tiempo corto de generación ☁ ☁ ☁ ☁ Pueden reproducirse hasta cada 20 minutos Buenos para estudiar mutaciones Se pueden estudiar un gran número de células idénticas Tamaño pequeño ☁ Permite estudiar grandes poblaciones ☁ Tamaño pequeño de su genoma ☁ Diversidad nutricional Energía la nutrición y Clasificación por Redox Luz la quimiótrofos fuente de energía fotótrofos Carbono Orgánico CO2 quimioheterótrofos quimioautótrofos O2 Animales, protozoarios, hongos, bacterias Orgánico CO2 Fotoheterótrofos fotoautótrofas Verdes no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas Aceptor final de electrones No O2 Orgánico Inorgánico Streptococcus Clostridium H2O Fotosíntesis Oxigenativa No H2O Fotosíntesis Anoxigenica verdes y púrpuras sulfurosas
