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Tema 3
Metabolismo y genética
bacteriana
Diversidad metabólica de microorganismos
Fuente de energía
(QuimioFoto- )
Oxidación de
Fuente de e(Órgano- Lito- )
Brock Microbiología de los Microorganismos. 12ª ed.
Fuente de carbono
(Auto- Hetero- )
CO2
Autótrofos
Compuestos orgánicos
Heterótrofos
Nutrición procariota
Tipos de nutrientes:
- Macronutrientes:
C, H, O, N
P, S, K, Na, Ca, Mg, Fe
- Micronutrientes
- Factores
o elementos traza:
(Co, Cu, Mn, Mo, Zn)
de crecimiento: vitaminas, aa, purinas, pirimidinas
Adquisición de nutrientes: Sistemas de transporte
Lactosa, Na+, K+,
HPO42-, HSO4-
Glucosa, manosa,
fructosa
Azúcares, a.a.,
HPO42-, HSO4-
BASES DEL CATABOLISMO
 Quimioorganoheterotrofos
Fosforilación a nivel de sustrato
Fermentación: Glucólisis y otras fermentaciones
Fosforilación oxidativa
Respiración aerobia
– Ciclo del ácido cítrico
– Sistemas de membrana transportadores de e– Fuerza motriz de protones
G
L
U
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S
I
S
C
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A
B
O
L
I
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M
O
Fermentaciones
Tipo
CATABOLISMO
Productos finales
Bacterias
Homoláctica
Ácido láctico
Streptococcus
Lactobacillus (algunos)
Heteroláctica
Ácido láctico,
etanol, CO2
Leuconostoc,
Lactobacillus (algunos)
Ácido mixta
Ácidos láctico, acético,
fórmico, succínico,
2-3 butanodiol,
H2, CO2
Enterobacterias (algunas)
Propiónica
Ácidos propiónico y acético,
CO2 y H2O
Propionibacterium,
Clostridium propionicum
CATABOLISMO
Fermentaciones
Producción de ácidos y/o alcoholes y/o gases:
- Valor diagnóstico
- Valor industrial
- Implicaciones patológicas (caries)
R
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P
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I
Ó
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CICLO DE KREBS
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D
E
e-
F
U
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A
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I
Z
D
E
H+
• Transporte de electrones en procariotas se realiza en la m.
citoplasma (en la mitocondria en eucariotas).
• El NADH es la fuente de los e- , que fluyen desde transportadores que
tienen potencial de reducción más negativo a otros con un potencial más
positivo, y finalmente se combinan con el O2 y H+ para formar agua.
• La cadena de transporte de e- fragmenta en pequeños pasos la
liberación de la gran cantidad de energía  Resultando en la expulsión de
H+ (espacio periplásmico en procariotas):
- Gradiente de concentración de H+ (energía potencial química)
 citoplasma más alcalino, (quedan OH-) que espacio periplásmoco.
- Gradiente de carga eléctrica (energía potencial eléctrica)
 citoplasma más negativo que espacio periplásmoco.
C
A
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A
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Z
A
M
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I
Z
D
E
H+
Fosforilación
oxidativa
FotoFosforilación
R
E
S
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C
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N
A
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R
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B
I
ATPasa
CATABOLISMO
Estator
a – b2 - δ
Eje
ε-ϒ
Rotor
C12
http://2.bp.blogspot.com/_xNwYRlNYED0/Swryxd-A7TI/AAAAAAAAAA8/WvdEX9_eCdk/s1600/pp+atpasa.jpg
B
I
O
S
Í
N
T
E
S
I
S
Crecimiento microbiano
• Crecimiento microbiano  incremento del nº de células.
• Multiplican por fisión binaria o bipartición (mayoría)
• El Nº se duplica en cada generación
• TIEMPO DE GENERACIÓN
Fisión binaria o bipartición
C
I
C
L
O
C
E
L
U
L
A
R
Replicación
Semiconservativa
del DNA
Procariotas
Orígenes de replicación
Eucariotas
MECANISMO DE REPLICACIÓN DEL ADN EN BACTERIAS
1ª etapa:
Desenrrollamiento y apertura de la doble hélice.en el punto ori-c.
2ª etapa:
Síntesis de dos nuevas hebras de ADN.
1
1
2
2
2
sentido 5´-3´
2
1
sentido 5´-3´
2
2
3ª
* ADN polimerasas I y III que cortan el error
etapa: Corrección de errores * ADN polimerasa III lo corrige
* ADN ligasa une los extremos
Cultivo monofásico o sistema cerrado
Curva de crecimiento
MEDIDA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO
 Medida del nº de células  MÉTODOS:
 Recuento directo
 cámaras de recuento
 Contadores electrónicos
 contador Coulter o el citómetro de flujo
 Filtración en membrana
 tinción fluorescente (Naranja de acridina)
 Recuento de viables: - Siembra por extensión en superficie
- Siembra por dilución en agar
- Filtración en membrana  siembra de m. en agar
 Medida de la masa celular:
- Peso seco microbiano
- Espectrofotometría (turbidez)
MEDIDA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO
Siembra por extensión en superficie
Siembra por dilución en agar
CRECIMIENTO EXPONENCIAL
Tiempo de generación bacteriana: ejemplo de 20 minutos
Nº bacterias
1
2
4
8 1 hora
16
32
64 2 horas
128
256
512 3 horas
1.028
2.056
4.112 4 horas
8.224
16.448
32.896 5 horas
65.792
131.584
6 horas
263.168
Nº bacterias
526.336
1.052.672
2.105.344
7 horas
4.210.688
8.421.376
16.842.752
8 horas
33.685.504
67.371.008
134.742.016
9 horas
9,04238 E+15
9.042 BILLONES
18 HORAS
269.484.032
538.968.064
1.077.936.128
10 horas
2.155.872.256
4.311.744.512
8.623.489.024
11 horas
…
Factores que influyen en el
crecimiento bacteriano
Máxima, mínima, óptima
Temperatura
Psicrófilas
Mesófilas
Termófilas
Hipertermófilas
pH
Oxígeno
Máximo, mínimo, óptimo
Acidófilas, Basófilas
Aerobias
Microaerofílicas
Anaerobias facultativas
Anerobios aerotolerntes
Anaerobias estrictas
Clasificación de los procariotas en relación con el oxígeno
Grupo
Bacteriano
Relación con
el oxígeno
Tipo de
Metabolismo
Ejemplo
Necesario
Respiración aerobia
Neisseria
Microaerófilos
Necesario a [↓]
Respiración aerobia
Campylobacter
AerobiosAnaerobios
Facultativos:
No necesario,
con O2 mejor
Fermentación o
Resp. aerobia o
Resp. Anaerobia
E. coli
Obligados
Dañino o letal
Fermentación
o Resp. Anaerobia
Methanobacterium
formicicum [A.]
Aerotolerantes
No necesario
Fermentación
Streptococcus
pyogenes
Aerobios:
Obligados
Anaerobios:
Clasificación de los procariotas en relación con el oxígeno
a.- Aerobio estricto
b.- Anerobio estricto
c.- Aero-/AneroFacultativo
d.- Microaerófilos
e.- Anerobios
aerotolerantes
http://vsites.unb.br/ib/cel/microbiologia/crescimento/aeracao.jpg
Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno
Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas
del Oxígeno
Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas
del Oxígeno
Prueba de la CATALASA
Genética Bacteriana
Mutaciones Bacterianas
• Mutación: cambio en la secuencia de nucleótidos del
genoma de un organismo (estables y heredables)
• Pueden ser:
– Espontáneas o
– Inducidas
• Baja frecuencia* (Mutaciones espontáneas)
Mutación en un gen 10-6 – 10-7 por generación
• Presión selectiva  las favorecen
Tipos de Mutaciones Bacterianas
Tipos de Mutaciones Bacterianas
Efectos de las Mutaciones
1) Mutaciones silenciosas (o neutras)  no hay efecto fenotípico.
2) Mutaciones que alteran el fenotipo salvaje:
A) Letales: muerte o pérdida de viabilidad del microorganismo
B) Condicionalmente letales: bajo determinadas condiciones.
C) De alteración fenotípica: pérdida o la merma de alguna función no
esencial para la viabilidad del organismo.
Efectos de las Mutaciones
Tipos de modificaciones en las mutaciones no letales:
- Alteraciones morfológicas:
- cápsula
- pared
- fimbrias, flagelos…
- Alt. Bioquímicas: Mut. auxotróficas (NO síntesis de metabolito esencial)
- Alt. de virulencia (cápsula, adhesinas, LPS…)
- Alteraciones de Sensibilidad:
- Antibióticos
- Bacteriófagos
- Bacteriocinas
Agentes Mutagénicos
http://3.bp.blogspot.com/_1zWhg0gVkuI/Sxc7yfqkG9I/AAAAAAAABOA/dPl2awjAMvo/s000/Agentes+mutag%C3%A9nicos.png
Transferencia Genética en Bacterias
Mecanismos de transferencia genética:
1. Transformación
2. Transducción
3. Conjugación
•
•
•
Generación de variabilidad genética …
La transferencia genética puede ocurrir:
- Intraespecies
- Interespecies
Unidireccional  Donante a receptor
Transformación
• Transferencia de genes por
incorporación de ADN exógeno.
• Pasos
– Unión a superficie
– Penetración del DNA
– Unión a prot. específicas
– Recombinación
• Significado biológico:
- Antígenos capsulares
- Ag superficie
evasión R.I.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/Experimento_de_griffith.jpg
Transducción
• Transferencia de genes bacterianos a
través de un bacteriófago (fago)
• Tipos de transducción
 T. especializada
 T. generalizada
• Importancia
– Común en bacterias Gram +
– Conversión lisogénica
Infección de Célula Huésped por Fagos
Adsorción (reversible)
– Fibras de cola u otra estructura
– Receptores Bacterianos Específicos:
Proteínas, LPS( T4), Pili, Lipoproteínas
Unión “Irreversible”
- Placa base u otras estructuras
Contracción de la vaina (cola)
Inyección acido nucleico
Ciclo Lítico de Multiplicación del Fago
• Fase de Adsorción  inyección ADN
• Fase de Multiplicación (o Eclipse)
• Genes tempranos
• Síntesis ADN del fago
• Genes tardíos
• Fase de Maduración y ensamblaje
• Fase de Lisis de Liberación
Ciclo Lisogénico de Multiplicación del Fago
• Adsorción  inyección ADN
• Integración
– Profago
– Represor - Inmunidad
• Replicación simultánea
Corynebacterium diphtheriae
Bacteria lisogénica
Fago atemperado
INDUCCIÓN
Transducción Generalizada
•
•
•
•
•
•
Infección del donante
Replicación del fago y degradación del ADN huésped
Ensamblaje partículas virales. Alguna con trozo de donante
Liberación del fago
Infección del receptor por un virus con trozo de donante
Recombinación
Transducción Especializada-Fago lisogénico
• Bacteria lisogénica con Fago atemperado
• Indución del profago  ciclo lítico
• Activación y ensamblaje de fagos. Alguno con ADN bacteriano
• Liberación de fagos
• Infección por fago con ADN de bacteria donante
• Recombinación
INDUCCIÓN
Transducción
– Generalizada:  “cualquier gen” del donante tiene la misma
probabilidad de ser transferido.
Ocurre durante el ciclo lítico de fagos virulentos y atemperados
– Especializada:  “ciertos genes” tienen mayor probabilidad
de ser transferidos.
Realizada durante la inducción de ciertos Fagos atemperados,
que incorporan ciertos genes bacterianos.
 Observadas en:
- Enterobacterias, Pseudomonas
- Estafilococos y Bacillus
Conjugación
• Transferencia genética entre
dos bacterias que requiere
contacto celular
• Codificado por un PLÁSMIDO
Donor
• Bacterias que intervienen:
– Donante
 F+
– Receptora
 F-
Recipient
Plásmidos
• Elemento genético extracromosómico pequeño, capaz
de replicación autónoma (replicón)
• Son moléculas bicatenarias de ADN *
• Nº de copias (1 en grandes y hasta >100 en pequeños)
• Tipos de plásmidos:
– Conjugativos
– No conjugativos
Estados fisiológicos del factor F
Autónomo  F+
Integrado  Hfr
Autónomo con genes cromosómicos  F´
Conjugación
Mecanismos de conjugación
Cruces F+  F- Puente de
conjugación
- Transferencia de
ADN:
– Origen de
transferencia
– Replicación
cadenas ADN
– Separación
- Bajo nivel de transferencia de genes cromosómicos
Mecanismos de conjugación
Cruces Hrf  F- Puente de
conjugación
- Transferencia ADN
- Recombinación
 Importancia:
- Alto nivel de transferencia de genes cromosómicos
Mecanismos de conjugación
Cruces F´  F- Puente de
conjugación
- Transferencia de
ADN:
– Origen de
transferencia
– Replicación
cadenas ADN
– Separación
 Importancia en G- :
•Transferencia de resistencia múltiple a los AB  HORIZONTAL
Conjugación
• IMPORTANCIA: Diseminación rápida  Horizontal
 Bacterias Gram • Resistencia antibióticos
• Factores de virulencia (Toxinas, invasinas…)
 Bacterias Gram +
• Resistencia antibióticos
• factores de virulencia (adherencia, cápsula, toxinas…)
Elementos Genéticos Transponibles
• Segmentos móviles de ADN capaces de mudarse de
una localización a otra (del genoma u otros ADN)
• Propiedades
–
–
–
Movimiento al “azar” (Hay sitios preferentes)
No poseen autorreplicación
Recombinación no homóloga, ilegítima o sitio-específica:
• No requiere homología entre moléculas recombinantes
• Mediada por  Transposasa (codificada por transposón)
− Mecanismos: Conservativo y Replicativo
• Tipos:
1. Secuencias de Inserción
2. Transposones
Tipos de Elementos Transponibles
1. Secuencias de Inserción (IS)
–
–
–
–
Sólo portan los genes de transposición
Denominación - IS1, IS2…
Tamaño: ± 1.000 pb Repeticiones invertidas de 15-25 pb
GFEDCBA
ABCDEFG
Transposasa
Estructura
Gen transposasa
– Importancia:
• Mutaciones  inactivación del gen donde se inserte
• Lugar de Inserción de plásmidos en el cromosoma
• Expresión de genes flagelares de Salmonella (V. de fase)
• Útiles en estudios de epidemiología molecular
Tipos de Elementos Transponibles
2. Transposones (Tn)
– Elementos que portan otros genes además de
los de transposición
– Denominación - Tn1, Tn2…
– Estructura
•
Tn complejos
– Importancia
• Genes de Resistencia a muchos Antibióticos
• Salto a plásmidos  plásmidos con “multirresistencias”
Mecanismos de intercambio genético
RECEPTORA
DONADORA
Transfomación
Transducción
Requiere:
- ADN libre y
- estado de competencia
Mediado por bacteriófagos
Transferencia de uno a
pocos genes
Generalalizada
(transferencia de cualquier
gen)
Especializada
(transferencia de genes
concretos)
Conjugación
Mediado por
contacto celular
Transferencia de:
- plásmidos e
- incluso de genes
cromosómicos
Elementos genéticos móviles
Secuencias de inserción
Tamaño no superior a 1000
pb, por lo general
Transposones
Tamaño de varios genes
Secuencias idénticas e invertidas en los
extremos (secuencias de inserción)
Transposasa
Útiles en estudios de
epidemiología molecular
de enfermedades infecciosas
y en estudio de mutaciones
Transposasa + otros genes (a veces de
resistencia a antibióticos)
Resistencia AB