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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.
Clasificación según la fuente de Carbono
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.
Nutrición bacteriana
• Elementos energéticos y constitutivos:
Macroelementos y microelementos
Factores de crecimiento
• Agua
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
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•
•
•
•
Temperatura
presión osmótica:
presencia de oxígeno
Humedad
Luz
pH
La temperatura
cada especie tiene su temperatura óptima de
crecimiento.
• mesófilos: 35-37°C
• psicrófilos: 15-20°C
• termófilos: 50-60°C
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
El metabolismo
Es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos
físico-químicos que ocurren en una célula y en
el organismo
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: