metabolismo, nutrición y genética bacteriana

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CLASE #14 METABOLISMO, NUTRICIÓN Y GENÉTICA BACTERIANA Características metabólicas generales de las bacterias: Es un metabolismo adaptado a un rápido crecimiento, es decir, un metabolismo bastante activo; esto debido a un período de crecimiento bastante corto. Las bacterias tienen una gran diversidad metabólica, por que poseen diferentes estrategias para obtener energía; tomando como base los diferentes tipos de oxidación: respiración aeróbica, respiración anaeróbica y fermentación, y estos tres tipos son llevados a cabo en las bacterias. Tienen agentes oxidantes distintos del O2: en la respiración aeróbica el último aceptor de electrones de la cadena respiratoria es el O2, pero en la respiración anaeróbica son sulfatos y nitratos los aceptores electrónicos. Y así también en la fermentación no participa el O2 como aceptor de electrones. Contribuyendo de esta manera a la diversidad metabólica. Síntesis de macromoléculas a través de medios más directos: esto es debido a que poseen una gran especificidad enzimática. Procesos de biosíntesis exclusivos en bacterias: como es el caso de Mureína (un péptidoglicano y polisacárido), el Lipopolisacarido (LPS) presente en la membrana externa de las bacterias Gram negativas, el Ácido Teicoico; siendo todos estos compuestos exclusivos de las bacterias.

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Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

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Page 1: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

CLASE #14

METABOLISMO, NUTRICIÓN Y GENÉTICA BACTERIANA

Características metabólicas generales de las bacterias:

Es un metabolismo adaptado a un rápido crecimiento, es decir, un metabolismo

bastante activo; esto debido a un período de crecimiento bastante corto.

Las bacterias tienen una gran diversidad metabólica, por que poseen diferentes

estrategias para obtener energía; tomando como base los diferentes tipos de

oxidación: respiración aeróbica, respiración anaeróbica y fermentación, y estos

tres tipos son llevados a cabo en las bacterias.

Tienen agentes oxidantes distintos del O2: en la respiración aeróbica el último

aceptor de electrones de la cadena respiratoria es el O2, pero en la respiración

anaeróbica son sulfatos y nitratos los aceptores electrónicos. Y así también en

la fermentación no participa el O2 como aceptor de electrones. Contribuyendo de

esta manera a la diversidad metabólica.

Síntesis de macromoléculas a través de medios más directos: esto es debido a

que poseen una gran especificidad enzimática.

Procesos de biosíntesis

exclusivos en bacterias:

como es el caso de

Mureína (un

péptidoglicano y

polisacárido), el

Lipopolisacarido (LPS)

presente en la

membrana externa de

las bacterias Gram

negativas, el Ácido

Teicoico; siendo todos

estos compuestos

exclusivos de las bacterias.

Page 2: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Degradan la glucosa por varias rutas: por vía glucolítica (también llamada Ruta de

Embden-Meyerhof-Parnas), por la vía de las pentosas o hexosas

monofosfato, y por la vía de Entner-Doudoroff; de acuerdo a las necesidades

metabólicas de las bacterias así, si necesita el NADPH utilizara la vía de las

pentosas fosfato, pero si solo necesita glucosa como fuente de energía será por

medio de la vía glucolítica.

Llevan a cabo un metabolismo secundario: las bacterias poseen una unidad

bioquímica idéntica a la de las células eucariotas (procesos de catabolismo y

anabolismo similares), es decir, ambos necesitan degradar compuestos para

obtener energía y utilizar los monómeros del catabolismo en el anabolismo para

el proceso de biosíntesis y utilizar de la misma manera la energía generada por el

catabolismo para el proceso anabólico, todos los procesos mencionados son

conocidos con el nombre de METABOLISMO INTERMEDIARIO. Pero además las

bacterias llevan a cabo un METABOLISMO SECUNDARIO, en el cual pueden

reducir compuestos exclusivos como los antibióticos: como es el caso del

Streptomyces del cual se obtiene la Estreptomicina, la Penicilina que se obtiene

del hongo Penicillium notatum.

Patrones de metabolismo de las bacterias para la síntesis de energía:

Fotosinteticas (no patógenas): el ATP es producido por una cadena

transportadora de electrones; la fotosíntesis bacteriana se asemeja a la

fotosíntesis de las plantas, pero las bacterias no tienen como producto el O2. Aun

así, se utiliza siempre pigmentos fotosintéticos como los carotenoides y

bacterioclorofila, y las plantas utilizan la clorofila A para realizar la fotosíntesis. La

molécula de clorofila tiene en su centro de reacción un átomo de magnesio, y al

incidir la luz sobre estos pigmentos el electrón sale del átomo de magnesio y

empieza a transferirse a través de una serie de aceptores, así por ejemplo al salir

un electrón de la bacterioclorofila, y al transferirse a través de transportadores de

electrones se crea un gradiente de energía para la generación de ATP (hipótesis

quimiosmótica).

Aeróbicas y anaeróbicas: En la glucolisis y en el ciclo de Krebs puede llevarse

a cabo una fosforilación a nivel de sustrato (consiste en agregar un grupo fosfato

al ATP a partir de compuestos con alta transferencia de grupo fosfato, siendo el

sustrato quien dona su grupo fosfato para generar ATP) Ej. En glucolisis (fase de

oxidación): El difosfoglicerato y el fosfoenolpiruvato.

Page 3: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Producción de ATP por Fosforilación Oxidativa: La glucosa pasa por una serie

de reacciones en las cuales son liberados H y electrones que son tomados por el

NAD o por el FAD. Estas coenzimas llevan un alto contenido de energía que se

procesa en la cadena transportadora de electrones; que es donde se genera la

mayor cantidad de ATP (32) en la respiración (no así el ciclo de Krebs (2 ATP)).

La oxidación de estas 2 coenzimas en el ciclo de Krebs, y a medida que sus H y

electrones van pasando a través de la cadena transportadora de electrones se

genera un gradiente de energía suficiente para fosforilar el ADP. Este proceso es

llevado a cabo en la membrana citoplasmática (ya que es semejante a la

membrana interna de la mitocondria)

Todas las vías metabólicas son llevadas a cabo en el citoplasma.

En el laboratorio la fermentación es detectada por todos los sistemas de prueba

bacteriológico por medio de indicadores de pH que viran de color de acuerdo a

los productos que se están produciendo. Ej. Cuando la bacteria realiza

fermentación degrada la glucosa a acido pirúvico y este a ácido láctico, etanol,

ácido propionico, butírico, butanodiol, etc.

FERMENTACIÓN ACIDA MIXTA. En un caldo glucosado se siembra un

microorganismo, luego de incubación y la presencia de turbidez (crecimiento

bacteriano), se le agrega ROJO DE METILO; si toma un color rojo entonces

decimos que la bacteria realizo una fermentación acida mixta, porque degrado la

glucosa a piruvato y luego este a productos ácidos. (Prueba del rojo de Metilo).

Los fermentadores ácido mixtos producen 4 veces más productos ácidos que

neutros.

FERMENTACIÓN BUTANODIOLICA. Degradan la glucosa a piruvato, este a 2,3-

butanodiol, luego a acetilmetilcarbinol o acetoína y por ultimo a diacetilo. La

detección de la fermentación se realiza siempre utilizando un caldo glucosado que

se incuba, y se le agrega el indicador, el O2 y KOH y virara a color rojo: PRUEBA

DE VOGES-PROSKAUER. Y su producto final es acetilmetilcarbinol o

acetoína.

Valoraciones de las bacterias de acuerdo a su metabolismo y su fuente de

energía y carbono:

Metabolismo Quimiorganotrofo: Utilizan como fuente de energía los

compuestos orgánicos y como fuente de carbono el CO2. Estos organismos

respiran aeróbicamente o anaeróbicamente.

Page 4: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Metabolismo quimiolitrotofo: Utilizan como fuente de energía los compuestos

inorgánicos y como fuente de carbono el CO2. Estos organismos respiran

aeróbicamente o anaeróbicamente.

Metabolismo fototrofico: Son bacterias fotosintéticas porque utilizan como fuente

de energía la luz solar y pueden ser:

Fotoheterótrofos: Fuente de carbono son los compuestos orgánicos.

Fotoautótrofos: Fuente de carbono es el CO2.

TEMPERATURA ÓPTIMA

Todas las bacterias poseen una temperatura óptima, esto debido a que ciertos procesos

debajo y sobre esa temperatura óptima no se pueden desarrollar.

Si una bacteria se encontrase a una temperatura menor que la óptima no crecerá porque

se le puede gelificar la membrana, su transporte puede hacerse lento, etc. Pero si se

encontrara a una temperatura arriba de la óptima se van a desnaturalizar sus proteínas,

un colapso de la membrana o una lisis térmica.

Page 5: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Cicrofilos: su temperatura optima es de 4°C

Mesofilas: a este grupo pertenecen las bacterias patógenas cuya T° es de 37°C

(temperatura del cuerpo) Ej. Escherichia coli

Termofilos: Crecen a una T° óptima de 62°C, por ejemplo Bacillus

stearothermophilus, quien se utiliza como control biológico.

pH óptimo

La mayoría de bacterias patógenas son neutrófilas (y en menor proporción alcalofilas).

CONCENTRACIÓN DE SALES

Bacterias Halófilas: requieren altas concentraciones de sal para crecer (NaCl).

Ej. V. cholerae

Bacterias halotolerantes: no requieren sal para crecer pero si está presente la

ocupan.

NECESIDADES DE O2

Aerobios estrictos: Crecen en la superficie del tubo donde concentraciones de

O2 son altas. Estos microorganismos requieren de enzimas para destruir o

degradar las especies toxicas que se producen como producto de la utilización

del O2, como el H2O2 y el anión superoxido (radicales libres). Ej. Catalasa:

degrada H2O2 en agua y O2; Peroxidasa: en presencia de NADH degrada H2O2

en agua y NAD; Superoxido dismutasa: degradan anión superoxido en H2O2 y

en O2; y combinación de Superoxido dismutasa y catalasa.

Microaerofilico: Parte del tubo donde empieza a escasear el O2

Anaerobio estricto: no hay O2 suficiente

Page 6: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Anaerobio facultativo: crecen en todo el tubo de ensayo, en presencia o

ausencia de O2.

CURVA DE CRECIMIENTO

El crecimiento en las bacterias es el aumento del número de células microbianas en

una población o incremento en su masa.

Generación: es el intervalo para la formación de dos células a partir de una.

Y al tiempo transcurrido se le denomina tiempo de generación o duplicación (tiempo

que se requiere para que una población se duplique).

Page 7: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

Al colocar una población de bacterias en un medio de cultivo cerrado (monofásico) las

bacterias experimentaran una curva de crecimiento y muerte bacteriana. Las bacterias

experimentaran una fase de latencia o rezago, una exponencial o logarítmica, una fase

estacional y por ultimo una de declinación o muerte.

El color de los tubos de ensayo indica el crecimiento o muerte de la bacteria. Ej. El azul

indica crecimiento, quiere decir que en la fase exponencial o logarítmica el crecimiento

es mayor que la muerte de las bacterias; en la fase estacionaria, el crecimiento y la

muerte es igual; y en la fase de declinación hay más muertas que vivas.

El período de tiempo de la fase de latencia depende del tipo y procedencia de bacteria,

de las condiciones y tipo del medio de cultivo. Por ej. Al inocular una bacteria que está

en fase exponencial o logarítmica (estado fisiológico más sano, ya adaptada y con

todo lo necesario para crecer) en un medio de cultivo, la fase de latencia (o rezago) será

corta, porque se siembra una bacteria que ya ha crecido y ya tiene todo lo necesario.

Pero al sembrar una bacteria en fase estacionaria (se da cuando un nutriente esencial

del medio empieza a escasear o debido a una acumulación de desechos tóxicos a niveles

tales que inhiben su crecimiento) por lo tanto su fase de latencia será larga; porque la

bacteria debe adaptarse otra vez, volver a sintetizar lo que ya se le había acabado y

reparar daños por sustancias tóxicas o por radiación.

1. Fase de latencia: Período de ajuste metabólico en el cual la bacteria está

sintetizando compuestos para adaptarse al medio de cultivo.

Page 8: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

2. Fase exponencial o logarítmica: Fase en la cual la bacteria empieza a

duplicarse y a crecer a intervalos regulares hasta alcanzar el máximo nivel posible

de crecimiento.

3. Fase estacionaria: se da cuando un nutriente esencial del medio empieza a

escasear o debido a una acumulación de desechos tóxicos a niveles tales que

inhiben su crecimiento.

4. Fase de declinación: Se agotan todos los nutrientes y reservas de energía que

tienen; lo que provoca muerte de bacterias, se hacen bastantes grandes y se

convierten en esporas.

TAREA

MUERTE BACTERIANA:

Desde el punto de vista microbiológico, un microorganismo muere cuando pierde de

forma irreversible la capacidad de dividirse. El fundamento de esta definición es que si

un microorganismo ha perdido la capacidad de dividirse no podrá formar una colonia

sobre un medio de cultivo y no será posible detectar su presencia por los métodos

microbiológicos tradicionales. Es decir: cuando no se produce aumento en el número de

microorganismos no hay crecimiento. Sin embargo, un microorganismo puede estar

muerto desde el punto de vista microbiológico y continuar desarrollando una actividad

metabólica que se traduzca, por ejemplo, en liberación de toxinas.

Por otra parte, hay que considerar que la capacidad de multiplicación (crecimiento) de

un microorganismo puede verse transitoriamente afectada por lesiones o por las

condiciones físicas o químicas del entorno. En estos casos, podríamos considerar como

muertos microorganismos que pueden reanudar su crecimiento si las condiciones son de

nuevo favorables.

GENETICA BACTERIANA

El material genético de la bacteria se encuentra en dos lugares:

- En el cromosoma propio de la bacteria: ubicado en una zona nuclear llamado

nucleoide, contiene los genes esenciales para el crecimiento y supervivencia de

una bacteria.

Page 9: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

- En plásmidos: contienen DNA extracromosomal, constituyen un genoma

accesorio porque se encuentran solo genes con funciones especializadas, es

decir, no existen genes para la supervivencia de la bacteria.

Ambos tipos de material genético son replicones (pueden replicarse por si solos).

Características generales del genoma bacteriano:

Genoma: Totalidad de la información genética que tiene un individuo, constituido

en bacterias por todos los genes que tienen en los cromosomas y en los

plásmidos.

DNA: circular cerrado y desnudo (no posee histonas, proteínas que intervienen en

el empaquetamiento del DNA). Poseen un DNA superenrrollado.

Son organismo haploides (poseen un solo juego de cromosomas). Por esta razón

las mutaciones en estos son mucho más severas. Y es debido a esto que las

bacterias forman cepas y todas estas variedades que existen.

Genes de virulencia: están en islotes de patogenicidad y pueden ser

transportados del genoma al plásmido o del plásmido al genoma a través de

transposones (son genes “saltarines”, segmentos de DNA que pueden trasladarse

de un sitio a otro del genoma generando los polimorfismos genéticos, variando las

características del DNA). Los transposones mueven genes de un sitio a otro del

genoma.

Solo existen exones: no existen intrones (segmentos de DNA que no codifican a

productos genéticos). Por lo tanto el proceso de la replicación y traducción es

más rápido en bacterias.

Replicación: Ori c constituye el inicio de la replicación; además es semi-

conservativa, también existe complementariedad de bases. Participan enzimas

como poliaminas, esperminas, helicasas, polimerasas y topoisomerasas.

Regulación genética: A través de operones que tienen genes estructurales,

genes de promotores o inductores, en el cual ese operon se expresa si su sustrato

se encuentra presente en el medio. Ej. En presencia de lactosa, el operon se

enciende y echa andar todos sus genes estructurales y operativos para poder

degradar al sustrato.

Page 10: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

PLÁSMIDOS

La mayoría de plásmidos son circulares pero existen algunos lineales.

Son episomas: tienen la capacidad de integrarse al cromosoma bacteriano. Ej.

Cuando las bacterias llevan a cabo la recombinación genética a través del proceso

de la conjugación el plásmido puede pasar de una bacteria a otra y no quedarse

como independiente, integrándose al cromosoma de la otra bacteria.

Genes con funciones especializadas: Ej. Genes de resistencia a antibióticos

quienes pueden ser transferidos a otras bacterias; pueden producir bacteriocinas

(sustancias que dañan a las bacterias), toxinas, sideróforos o compuestos que

puedan capturar el hierro.

Son vectores de clonación (puede introducirse un gen extraño para clonar ese

gen).

Page 11: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

TRANSFERENCIA DE MATERIAL GENÉTICO DE BACTERIAS

1. Conjugación:

Apareamiento casi sexual “pero no es sexual”, se refiere a una bacteria que

funciona como macho (F+) que será capaz de transferir su plásmido a otra

bacteria (F-), los plásmidos que más se transfieren son aquellos que tienen genes

de transferencia para la formación del Pili sexual, es a través de este que se pasa

una cadena monocatenaria del plásmido y luego se sintetiza toda la cadena

complementaria y la otra adquiere el plásmido. La bacteria receptora se convierte

en F+.

En el caso que el plásmido quede integrado en el cromosoma (episoma), la

bacteria que adquiere este plásmido se convierte en un donador de alta

frecuencia (HFF).

2. Traducción:

El material genético pasa a una bacteria a través de un bacteriófago (virus que

parasita a las bacterias que porta material genético de otra bacteria que ha

Page 12: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

parasitado y ha adquirido características de la otra bacteria).

Virus Templados: estos son aquellos que hacen un proceso lítico en una bacteria

que ha parasitado, significa que este virus templado cuando se incorpora su

material genético en la célula bacteriana hace que esta célula bacteriana se

rompa.

Virus Temperados: se quedan en un estado lisogénico, dentro del cromosoma

de la bacteria, y que si bien es cierto se rompe la bacteria, pero queda en un

estado lisogénico adentro primero.

Traducción especializada: Los genes que va a inyectar el virus a la bacteria son

genes que están cerca de su genoma, lo que ocurre es que el virus puede

transferirle solamente DNA bacteriano (no viral) que ha quedado introducido en su

cápsula generalizada a la bacteria.

3. Transformación:

Es un intercambio genético en el cual la bacteria es capaz de captar DNA desnudo;

Page 13: Metabolismo, Nutrición y Genética Bacteriana

es decir, es la captación de DNA desnudo liberado por una bacteria y captado por

otra. Este proceso es utilizado en ingeniería genética, sometiendo a shock térmico

a la bacteria para que pueda captar el DNA desnudo. Las bacterias que captan

ese DNA se dice que son competentes y lo realizan en una fase logarítmica de

crecimiento.