metabolismo, nutrición y genética bacteriana
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Metabolismo, Nutrición y Genética BacterianaTRANSCRIPT
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.
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.
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.
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.
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
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).
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.
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.
- 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.
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).
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
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;
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.