Microbiologia General Trimestre 16-P
5. Nutrición microbiana
nutrición Masa celular de un organismo (biomasa) formada casi en su totalidad por moléculas con 4 tipos de átomos: Carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O) e hidrógeno (H) Otros elementos indispensables para el metabolismo: P, K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, Mn, Cu, Mo y Co Agua: 80-90% del peso total de la biomasa principal componente (también aporta nutrientes: H y O) Nutrientes: sustancias empleadas para la biosíntesis y producción de energía en TODOS los organismos vivos
Con base en la cantidad requerida para una célula, los nutrientes se dividen en: Macronutrientes (C, H, O, N, P, S, K, Fe, Mg): ~ 95% del peso seco de una célula Necesarios en grandes cantidades Primarios (g/l) Secundarios (mg/l) Micronutrientes o microelementos (Ca, Mn, Zn, Cu, Co y Mo): Necesarios en cantidades pequeñas mg por litro Factores de crecimiento (mg por litro) Composición química de la célula indicador de los principales elementos necesarios para el crecimiento
macronutrientes Primarios (g/l) C, H, O, N, P, S BM* (% bs) C 50 Formas comunes Inorg: CO 2 Org: comp. org. (CHO) n Función en la célula Componente estructural básico de los compuestos orgánicos O 20 H 2 O, O 2, (CHO) n Componente del agua y biomoléculas. O2 aceptor final de ē en la respiración aerobia N 14 Inorg: NH 4+, NO 3-, NO 2, N 2 Org: aa, péptidos Constituyente de aminoácidos y nucleótidos H 8 H 2 O, (CHO) n Constituyente de compuestos orgánicos P 3-5 PO 4 2- (fosfatos) En ácidos nucleicos, fosfolípidos, coenzimas y ATP S 1-3 SO 4 2-, aa, H 2 S, sulfuros metálicos Constituyente de aa (Cys, Met), vitaminas (tiamina, biotina), enlaces disulfuro (prots) *Contenido en biomasa g/100 g BM seca
Macronutrientes (secundarios) Y MICRONUTRIENTES BM (% bs) Formas comunes K 1.0 K + (sales) Función en la célula Cofactor de enzimas, mantiene el balance eléctrico celular Na 1.0 Na + (sales) Transporte transmembrana, balance eléctrico Mg 0.5 Mg 2+ (sales) Estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucléicos, cofactor de enzimas Cl 0.5 Cl - (sales) Mantenimiento del balance eléctrico celular Ca 0.2 Ca 2+ (sales) Fe 0.2 Fe 2+ (sales) Micronutrientes* (< 0.01%): Mn, Zn, Co, Cu, Mo, Ni, Se Sales Estabiliza la pared y endosporas bacterianas, cofactor de enzimas Componente de citocromos y ferroproteínas involucradas en el transporte de ē Cofactores de enzimas, constituyentes de vitaminas y enzimas * En general, sus requerimientos se conocen cualitativamente y varían en función de la fase de crecimiento se adicionan al medio en cantidades arbitrarias (µg/l)
FACTORES DE CRECIMIENTO Compuestos orgánicos esenciales (mg/l) que los organismos: Necesitan como precursor o constituyente celular No pueden sintetizar hay que agregarlos en el medio Tres tipos: Bases nitrogenadas: purinas (A, G) y pirimidinas (C, T, U): síntesis de ácidos nucleicos Vitaminas: centros activos y cofactores de enzimas Aminoácidos: síntesis de proteínas peptonas Hidrolizados proteicos péptidos, aa, minerales y micronutrientes Peptona de soya, extracto de levadura y extracto de malta
5. Nutrición microbiana
CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Requerimientos nutricionales de los microorganismos: Fuente de energía: para producción de ATP Luz fotosíntesis Oxidación de compuestos químicos Fuente de electrones: donadores de ē para la biosíntesis Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos Tipos nutricionales Fuente de carbono: para el crecimiento Compuestos orgánicos CO 2
TIPOs NUTRICIONALES Tipo de nutrición Fuente de energía Donador de H + /ē Fuente de carbono Quimiótrofos Química - - Fotótrofos Luz - - Organótrofos - Litótrofos - Autótrofos - Heterótrofos - Comps. orgánicos Comps. inorgánicos - - Inorgánica (CO 2 ) Orgánica (CHO) n
Fuente de energía Donador de electrones Fuente de carbono Nombre Luz -Foto- Orgánico -organo- Inorgánico -lito- Orgánica -heterótrofo- CO 2 -autótrofo- Orgánica -heterótrofo- CO 2 -autótrofo- Fotoorganoheterótrofo Fotoorganoautótrofo Fotolitoheterótrofo Fotolitoautótrofo Química -Quimio- Orgánico -organo- Inorgánico -lito- Orgánica -heterótrofo- Quimioorganoheterótrofo Quimiolitoheterótrofo
CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Por ejemplo: Organismo quimio-lito-heterótrofo Fuente de E: Química Heterótrofo Ser autótrofo es vida! Fuente de ē: Fuente de C: Comp. inorgánico Comp. orgánico Heterótrofo Yo uso luz para alimentarme Organismo foto-organo-autótrofo Fuente de E: Luz Heterótrofo H 2 S Fuente de ē: Comp. orgánico Fuente de C: CO 2
CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Tipo de nutrición Fuente de energía Donador de ē Fuente de carbono Ejemplos Quimio-organoheterótrofos* (quimioheterótrofos) Compuestos orgánicos (azúcares, carbohidratos) Hongos, bacterias patógenas, animales, protozoos Foto-organoheterótrofos (fotoheterótrofos) Luz Compuestos orgánicos (azúcares, carbohidratos, ácidos grasos, alcoholes) Bacterias verdes que no oxidan azufre Quimio-litoautótrofos (quimioautótrofos) Compuestos inorgánicos (H 2 S, Fe 2+, CH 4, H 2, NH 4 +, NO 3, NO 2 ) Inorgánica (CO 2 ) Bacterias nitrificantes, muchas arqueas Foto-litoautótrofos* (fotoautótrofos) Luz C. inorgánicos (S 2- ) Inorgánica (CO 2 ) Organismos fotosintéticos: cianobacterias, algas, plantas * La mayoría de los organismos
De acuerdo con los balances, podemos saber el tipo de organismo: 6 CO 2 + 6 H 2 O + Luz C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 Foto-lito-autótrofo C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O Quimio-organo-heterótrofo 6 CO 2 + 6 H 2 S C 6 H 12 O 6 + 6 S 0 Quimio-lito-autótrofo Otros tipos de microorganismos: Mixótrofos: obtienen C a partir de compuestos orgánicos o inorgánicos Auxótrofos: por una mutación en su genoma pierden la capacidad para sintetizar un nutriente esencial (comúnmente aa) requieren una fuente exógena del compuesto para crecer (factor de crecimiento)
Quimiolitoautótrofos varios tipos en función del donador inorgánico de ē que oxidan: Fuente ē Reacción de oxidación Ejemplo H H 2 H 2 O Cupriavidus necator Fe Fe 2+ Fe 3+ Acidithiobacillus ferrooxidans Bacterias del azufre: colonias en respiraderos calientes : H 2 S M. mazei S S 0 + 1½O 2 + H 2 O H 2 SO 4 Thiobacillus thiooxidans N 2NH + - 4 + 3O 2 2NO 2 4H + + 2H 2 O 2 NO + - 2 + O 2 2 NO 3 + B. nitrificantes: Nitrosomonas Nitrobacter Arqueas metanógenas obtienen energía oxidando H 2 y usan CO 2 como aceptor de ē? : 4 H 2 + CO 2 CH 4 () + 2 H 2 O () Quimiolitoautótrofo E: química; ē: comp. inorg; C: CO 2 Methanosarcina mazei Bacterias que oxidan Fe 2+ para obtener energía
5. Nutrición microbiana
MEDIOS DE CULTIVO Es el material nutritivo en el que se pueden recuperar, multiplicar y aislar microorganismos Provee los requerimientos para el cultivo de microorganismos en un laboratorio Formulación de un medio de cultivo se basa en la composición química de una célula microbiana
PREPARACIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO Agua destilada Fuentes de C (azúcares) y N (sales) Macronutrientes Ajuste de ph Micronutrientes Factores de crecimiento (vitaminas, peptonas, extractos) Esterilización (15 lb/plg 2, 15 min) Inoculación Agente solidificante Incubación
CLASIFICACIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO Con base en sus características, los medios se clasifican en: Estado físico: Sólidos Líquidos Composición: Definidos (sintético) Complejos Naturaleza de sus componentes: Sintéticos Naturales Propósitos de uso: Mínimo Rico Selectivo Diferencial Enriquecimiento
Estado físico Sólidos llevan un agente solidificante Útiles para: Aislamiento e identificación características de las colonias Agente solidificante más común y utilizado: agar (1 2%) Polisacárido extraído de algas rojas: funde a ~100 C, gelifica a ~45 C La mayoría de los microorganismos no lo degrada Líquidos sin agente solidificante Útiles para: Recuperar y cuantificar la biomasa de un cultivo Analizar el medio para detectar cambios en su composición (consumo/producción de un compuesto)
composición Sintéticos o químicamente definidos Se conoce la composición exacta de sus componentes (cantidad y calidad) Fuentes de C: azúcares lactosa, glucosa, sacarosa, almidón Fuentes de otros elementos: sales NaNO 3, (NH 4 ) 2 SO 4, NH 4 NO 3 Usos: para estudios fisiológicos o descriptivos Cuando se quieren resultados definidos y repetitivos Para conocer los requerimientos nutricionales exactos de un microorganismo (efecto de la adición/eliminación de un compuesto)
composición Complejos o químicamente indefinidos Contenido conocido de ingredientes, pero al menos uno tiene composición desconocida (es químicamente indefinido) no se sabe su composición cualitativa ni cuantitativa Sustancias nutritivas fuente de C, N y energía Fuentes de C: melazas, extracto de malta, celulosa, aceites Fuentes de N: peptonas (hidrolizados proteicos) Vitaminas y péptidos: ext. de carne y levadura, infusión de cerebro Usos: cuando se desconocen los requerimientos nutricionales contienen sustancias útiles para cualquier microorganismo
USO Mínimo = químicamente definido Aporta solo los nutrientes indispensables para el crecimiento de un organismo Ejemplo: medio Czapek (ph 6.8) común para cultivo de hongos El medio Czapek podría convertirse en medio rico? Cómo? Componente Cantidad (g/l) Sacarosa 30.0 NaNO 3 3.0 K 2 HPO 4 1.0 MgSO 4. 7H 2 O 0.5 KCl 0.5 FeSO 4. 7H 2 O 0.01 Agar* 15.0 Rico = químicamente indefinido Contiene nutrientes esenciales + compuestos que aportan fuentes complejas de nutrientes? aa, vitaminas, precursores de ácidos nucleicos
USO Diferencial Tiene indicadores que permiten diferenciar (a simple vista) entre grupos bacterianos por diferencias metabólicas generalmente cambio de color NO inhibe el desarrollo de otros microorganismos Usos: para diferenciar entre grupos microbianos Ejemplo: Medio agar-sangre: 5% sangre (caballo) capacidad de hemólisis bacterias hemolíticas y no hemolíticas (este medio también es rico) β-hemólisis en agar sangre
USO Favorece el crecimiento de un grupo microbiano específico e inhibe el crecimiento de los no deseados: adición de compuestos Usos: principalmente aislamiento Ejemplos: Selectivo Ajuste de factores ambientales (ph, T) termófilos, acidófilos Uso de CO 2 como fuente de C autótrofos Celulosa selectivo para degradadores de celulosa EMB: selectivo para Gram(-) el cristal violeta inhibe Gram(+)
USO Selectivo-Diferencial Agar MacConkey lactosa, peptonas, rojo neutro, sales biliares y cristal violeta Selectivo No crecen bacterias Gram (+) por el cristal-violeta No crecen algunas Gram (-) por las sales biliares [SB] (tensoactivos que desorganizan membranas) Enterobacterias naturalmente crecen con SB (intestino) Diferencial Enterobacterias Lac(+) producen AO colonias rojas con halo (pp de SB) Enterobacterias Lac(-) usan peptonas y excretan NH 4 + colonias amarillas ( ph)
USO Enriquecimiento Contiene factores de crecimiento Favorece el crecimiento de microorganismos que se encuentran en bajo número Usos: para la concentración de ciertos microorganismos Ejemplos: Adición de sangre, suero, extractos de tejidos animales y vegetales Cultivo de enriquecimiento para microorganismos halófilos: Alta concentración de sales (15% de NaCl) favorece el crecimiento de microorganismos halófilos e inhibe el de otros grupos