Unidad 4: Fisiología y metabolismo Bacteriano. Lic. Josè Soria

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1 Unidad 4: Fisiología y metabolismo Bacteriano Lic. Josè Soria

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

3 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.

4 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

5 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.

6 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.

7 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.

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10 Nutrición bacteriana Elementos energéticos y constitutivos: Macroelementos y microelementos Factores de crecimiento Agua

11 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

12 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

13 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.

14 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.

15 Condiciones físicas y el crecimiento bacteriano Temperatura presión osmótica: presencia de oxígeno Humedad Luz ph

16 La temperatura cada especie tiene su temperatura óptima de crecimiento. mesófilos: C psicrófilos: C termófilos: C

17 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.

18 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

19 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

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21 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

22 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.

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

24 Proceso de carga energética del ATP

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

26 Conservación de energía intracelular Principalmente por síntesis de ATP Cómo se obtiene el ATP? Fosforilación a nivel de sustrato (Fermentacion) Fosforilación oxidativa Fotofosforilación

27 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

28 CATABOLISMO Rutas para la obtención de energía, poder reductor y precursores metabólicos: - Fermentación - Respiración - Fotosíntesis

29 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

30 A partir de un proceso llamado Glucolisis Puede derivar en dos tipos de reacciones, Dependiendo si se realiza en presencia de O2

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36 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.

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39 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

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43 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

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45 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

46 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.

47 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)

48 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

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50 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

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

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54 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.

55 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.

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62 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.

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66 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:

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