Tema 3. Metabolismo y genética bacteriana

Transcripción

1 Tema 3 Metabolismo y genética bacteriana

2 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

3 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

4 Adquisición de nutrientes: Sistemas de transporte Lactosa, Na+, K+, HPO42-, HSO4- Glucosa, manosa, fructosa Azúcares, a.a., HPO42-, HSO4-

5 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

6 G L U C O L I S I S C A T A B O L I S M O

7 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

8 CATABOLISMO Fermentaciones Producción de ácidos y/o alcoholes y/o gases: - Valor diagnóstico - Valor industrial - Implicaciones patológicas (caries)

9 R E S P I R A C I Ó N C A T A B O L I S M O CICLO DE KREBS A E R O B I

10 R E S P I R A C I Ó N A E R O B I T R A N S P O R T E D E e- F U E R Z A M O T R 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 T A B O L I S M O

11 F U E R Z A M O T R I Z D E H+ Fosforilación oxidativa FotoFosforilación

12 R E S P I R A C I Ó N A E R O B I ATPasa CATABOLISMO Estator a b2 - δ Eje ε-ϒ Rotor C12

13 B I O S Í N T E S I S

14 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

15 Fisión binaria o bipartición

16 C I C L O C E L U L A R Replicación Semiconservativa del DNA Procariotas Orígenes de replicación Eucariotas

17 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 sentido sentido ª * ADN polimerasas I y III que cortan el error etapa: Corrección de errores * ADN polimerasa III lo corrige * ADN ligasa une los extremos

18 Cultivo monofásico o sistema cerrado Curva de crecimiento

19 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)

20 MEDIDA DEL CRECIMIENTO MICROBIANO Siembra por extensión en superficie Siembra por dilución en agar

21 CRECIMIENTO EXPONENCIAL Tiempo de generación bacteriana: ejemplo de 20 minutos Nº bacterias hora horas horas horas horas horas Nº bacterias horas horas horas 9,04238 E BILLONES 18 HORAS horas horas

22 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

23 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:

24 Clasificación de los procariotas en relación con el oxígeno a.- Aerobio estricto b.- Anerobio estricto c.- Aero-/AneroFacultativo d.- Microaerófilos e.- Anerobios aerotolerantes

25

26 Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno

27 Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno

28 Enzimas destructoras de las Especies Tóxicas Derivadas del Oxígeno Prueba de la CATALASA

29 Genética Bacteriana

30 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 por generación Presión selectiva las favorecen

31 Tipos de Mutaciones Bacterianas

32 Tipos de Mutaciones Bacterianas

33 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.

34 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

35 Agentes Mutagénicos

36 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

37 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.

38 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

39 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

40 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

41 Ciclo Lisogénico de Multiplicación del Fago Adsorción inyección ADN Integración Profago Represor - Inmunidad Replicación simultánea Corynebacterium diphtheriae Bacteria lisogénica Fago atemperado INDUCCIÓN

42 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

43 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

44 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

45 Conjugación Transferencia genética entre dos bacterias que requiere contacto celular Codificado por un PLÁSMIDO Donor Bacterias que intervienen: Donante F+ Receptora F- Recipient

46 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

47 Estados fisiológicos del factor F Autónomo F+ Integrado Hfr Autónomo con genes cromosómicos F Conjugación

48 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

49 Mecanismos de conjugación Cruces Hrf F- Puente de conjugación - Transferencia ADN - Recombinación Importancia: - Alto nivel de transferencia de genes cromosómicos

50 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

51 Conjugación IMPORTANCIA: Diseminación rápida Horizontal Bacterias Gram Resistencia antibióticos Factores de virulencia (Toxinas, invasinas ) Bacterias Gram + Resistencia antibióticos factores de virulencia (adherencia, cápsula, toxinas )

52 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

53 Tipos de Elementos Transponibles 1. Secuencias de Inserción (IS) Sólo portan los genes de transposición Denominación - IS1, IS2 Tamaño: ± pb Repeticiones invertidas de 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

54 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

55 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

56 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