metabolismo microbiano

Prof. GLORIA MARÍA SAEZ FLORES

El estudio de la exigencia nutricional o no de las bacterias es útil para su identificación

Las moléculas de gran tamaño deben ser previamente digeridas por exoenzimas para que sean moléculas más pequeñas y puedan ser absorbidas. Ejem. Almidón - amilasas, Proteínas - proteasas, ADN - Desoxirribonucleasas, Gelatina - gelatinasas, Lípidos - lipasas y fosfolipasas.

No todas las especies bacterianas son capaces de producir todas las exoenzimas

El estudio de la producción de algunas de ellas es útil en la identificación de los géneros y especies.

La membrana citoplasmática es la encargada de la adsorción selectiva de nutrientes

Se da procesos pasivos (glicerol, agua, CO2, O2)

Procesos activos (permasas, bombas de Na o Ca, sideróforos)

Nutrientes

MICRO Cromo Cobalto Cobre Manganeso Molibdeno Niquel Selenio Tungsteno Vanadio y Zinc.

MACRO

• Carbono.

• Nitrogeno.

•Fosforo.

•Azufre

•Potasio

•Magnesio

•Sodio

•Calcio

•Hierro

    FUENTE DE CARBONO: CO2 -- FOTOAUTÓTROFAS ( luz y CO2 ) y O

LITOAUTÓTROFAS(comp. inorgá. y CO2 ) COMP. ORGANICOS – QUIMIOHETEROTROFAS

   FUENTE DE NITROGENO: NH4

+, NO3-, NO2

-, AMINOACIDOS, PURINAS, PIRIMIDINAS

    FACTORES DE CRECIMIENTO: VITAMINAS B, NAD (V), HEMINA (X)

Fuente de Carbono

OrgánicoOrgánicoquimioheterótrofos quimioheterótrofos

COCO22

quimioautótrofosquimioautótrofosOrgánicoOrgánico

FotoheterótrofosFotoheterótrofosVerdes no sulfurosasVerdes no sulfurosas

Púrpuras no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas

COCO22

fotoautótrofafotoautótrofass

Aceptor final de electrones

O2

Animales, protozoarios, hongos,

bacterias

No ONo O22

OrgánicoStreptococcus

InorgánicoClostridium

H2O No HNo H22OO

Fotosíntesis Fotosíntesis OxigenativaOxigenativa

Fotosíntesis Anoxigenica

verdes y púrpuras sulfurosas

Otros gases N2 componente principal de la atmósfera (78%). Gas

inerte: CO tóxico puede ser oxidado a CO2 por algunos

microorganismos CH4 liberado a la atmósfera por microorganismos

metanogénicos, gas con efecto invernadero, puede ser oxidado a CO2 por bacterias metanotróficas

CO2 fuente de carbono para los autótrofos, aerobios y anaerobios, fotosintéticos o quimiosintéticos.

H2 poco usado, tóxico para la mayoría de los microorganismos, brinda energía a bacterias Hydrogenomonas: H2+O2 = H20 + ATP

Bacterias aerobios estrictas: necesitan una concentración de alrededor del 21% de oxígeno para poder desarrollar. (Pseudomonas, Mycobacterium, Corynebacterium)

Bacterias microaerófilas: sólo necesitan alrededor de un 5% de oxígeno para desarrollar. Mayores concentraciones inhiben su desarrollo. (Campylobacter, Helicobacter)

Bacterias anaerobios obligadas o estrictas: son incapaces de sobrevivir en presencia de oxígeno, es decir requieren un 0% de oxígeno (Fusobacterium, Clostridium)

Bacterias anaerobias aerotolerantes: pueden crecer en presencia o ausencia de oxigeno, pero la energía la obtienen por fermentación. Ej. Bacterias acidolacticas. (Actinomyces, Propionibacterium)

Bacterias anaerobias facultativas: son bacterias que proliferan mediante procesos oxidativos, utilizando oxigeno como aceptor terminal de electrones, o en anaerobiosis, empleando reacciones de fermentación para obtener energía.. (Streptococcus, Staphylococcus, Enterobacteriaceae)

Bacterias capnófilas: son bacterias aerobias que necesitan además para crecer un 5-10% de CO2. (Neisseria, Haemophilus)

BB CC DDAA

Aerobio Anaerobio Microaerófilo Anaerobio estricto estricto facultativo

Bacterias Psicrófilas: soportan bajas temperaturas, entre 0 - 20ºC (Pseudomonas, Listeria)

Bacterias Mesófilas: desarrollan mejor a temperaturas intermedias, entre 15 - 45ºC (Staphylococcus,

Streptococcus) Bacterias Termófilas: son capaces de soportar altas

temperaturas, de 40-70ºC o más (Bacterias no patógenas) Bacterias Estenotérmicas, son mesófilas pero sólo

desarrollan y sobreviven en rangos estrechos de temperatura, entre 35 - 36ºC (Neisseria) Bacterias Euritérmicas: son capaces de sobrevivir

en amplios rangos de temperatura, entre 0 - 44ºC. (Enterococcus)

Neutrófilas: entre 5,5 - 8,0 (Staphylococcus, enterobacterias)

Acidófilas: entre 0,0 - 5,5 (Lactobacillus)

Alcalófilas: entre 8,0 - 11,5 (Vibrio)

PRESION OSMÓTICA: Transporte activo de potasio. Excreción de sust. osmóticamente

activas.

POTENCIAL REDOX. Aerobios. Eh= 0,2 - 0,4 V Anaerobios. Eh< -0,12 V

Tiempo de generacion: es el tiempo que se requiere para que la poblacion se duplique.

Los tiempos de generacion varian ampliamente entre las diferentes bacterias.

Ej. 1 a 3 horas, 10 min, o varios dias.

Fase lag - las células se adaptan al nuevo ambiente, aún no se dividen

Fase exponencial (log) - velocidad máxima de crecimiento bajo condiciones particulares, tiempo de generación mínimo

Fase estacionaria - sin crecimiento neto, vc=0 ó estadísticamente = 0 cuando: vc=vm (vel. crecimiento es igual a la de muerte)

nutrientes limitantes, pero suficientes para mantener actividad acumulación de desechos, inhibición del crecimiento

Fase de muerte - velocidad de muerte celular > velocidad de división celular

El crecimiento microbiano requiere de macromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos

Estos estructura se forman a partir de elementos preformados en el medio

Para esto requiere Fuente de Energía para llevar acabo este proceso y esto se denomina:

METABOLISMO

Definición:Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en la célula

Funciones:- Obtener energía química del entorno,

almacenarla, para utilizarla luego en funciones celulares

- Convertir los nutrientes exógenos en unidades precursoras de los componentes macromoleculares de la célula bacteriana

- Formar y degradar moléculas necesarias para funciones celulares específicas, ejem movilidad y captación de nutrientes

El éxito evolutivo de las bacterias se debe en parte a su versatilidad metabólica.

Las bacterias tienden a ser versátil, a intercalar fácilmente los nutrientes y productos metabólicos terminales

Esto les permite desarrollar procesosmetabólicos con gran rapidez

Energía para el movimiento, transporte de nutrientes,etc

Catabolismo

Productos de desecho

Componentes celulares

Nutrientes

Anabolismo

Energía para el desarrollo

Fuente de energía

ANABOLISMO : Formación o síntesis de compuestos químicos (Biosíntesis)

CATABOLISMO : Degradación o descomposición de compuestos

METABOLISMO MICROBIANO

Conjunto de procesos mediante los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes que necesita para crecer y realizar otras funciones.

GLUCOSA -6-FOSFATO FOSFOENOLPIRUVATO OXALACETATO Y ALFA-CETOGLUTARATO

ORIGINAN COMPUESTOS

INTERMEDIARIOS

Fosfatos de azúcaresPiruvatoAcetil-CoAAspartatoGlutamato, etc.

ORIGINAN PRODUCTOS TERMINALES

+

AminoácidosBasesPirimidinicasPolisacáridoslípidos

Moléculas complejas

Degradación Energía

Metabolitos intermedios

Síntesis Energía

Moléculas complejas

Toda ruta

metabólica

requiere

ATPATP Dona el grupo fosfato a diversos intermediarios

Se convierte:

Forma activa y

Enlaces ricos de energía

Utilizados en diversas vías - GTP (Guanina-trifosfato) - UTP (Uridina trifosfato)

- CTP (Citidina trifosfato)- Acetil CoA (Acetil coenzima A)- Ácido 1,3-difosfoglicérido- PEP (Ácido fosfoenolpirúvico )

METABOLITO PRECURSOR RUTA CATABÓLICA

Glucosa-6P ………………… Glicólisis Fructosa-6P……………….. Glicólisis Triosa-P ……………………. Glicólisis 3-P-Glicerato ……………… Glicólisis P-Enolpiruvato …………… Glicólisis Piruvato ……………….. Glicólisis

Acetil-CoA……………… Ciclo Krebs α-cetoglutarato ………… Ciclo Krebs Succinil-CoA ………….. Ciclo Krebs Oxalacetato …………… Ciclo Krebs

Ribosa-5-P ……………. Pentosas-P Eritrosa-4-P …………… Pentosas-P

OXIDACIÓN BIOLÓGICA Fermentación Respiración

FOTOSÍNTESIS

Compuestos orgánicos

La principal contribución es la producción de ATP que lo realiza por: Fosfolarilación a nivel del sustrato

Actúan como donador (oxidación) y aceptor (reducción) de electrones

Los microorganismos

que obtienen la energía por procesos FERMENTATIVOS son:

1.- ANAEROBICOS estrictos

2.- Facultativos .- Cambian su metabolismo para producir E cuando están en presencia de oxigeno

3.- Anaerobios aerotolerantes.- no modifica su metabolismo

Las fermentaciones

más comunes de la glucosa

fermentación alcohólica

Fermentación homoláctica.

Hongos y levaduras

Bacterias del ácido láctico

En las bacterias se encuentran las tres vías centrales del metabolismo intermediario de los hidratos de carbono:

Glucolítica o de Embden Meyerhof Parnas,

Pentosa fosfato o shunt de las pentosas y

Entner-Doudoroff.

La degrada la glucosa en tres etapas:

La primera es preparativa, con reacciones que no son de oxidación

reducción, sin liberación de energía y con formación de dos intermediarios de tres. En la segunda etapa, ocurren

reacciones de oxidación reducción con liberación de energía, formación de ATP por fosforilación a nivel del

substrato y producción de dos moléculas de piruvato. En la tercer

etapa, nuevamente ocurren reacciones de oxidación reducción y

se generan los productos finales de la fermentación, que varían según la

bacteria en cuestión.

BAJO RENDIMIENTO ENERGETICO (~28%)

La glucólisis, ruta metabólica común a todos los organismos

Fermentaciones microbianas:

F. HomolácticaF. HeterolácticaF. Acido mixtaF. Acido mixtaF. ButanodiólicaF. Butanodiólica

Embden-Meyerhof Parnas

Vía de las Pentosas

Puede funcionar al mismo tiempo que la Glicólisis o que la vía de Entner-Doudoroff

es una ruta multifuncional para la degradación de

hexosas, pentosas y otros hidratos de carbono para los fermentadores heterolácticos

es la principal fuente productora de energía,

aunque la mayoría de las bacterias usan esta vía como

fuente de dinucleótido de nicotinamida adenina fosfato

reducido (NADPH) y de pentosas para la síntesis de

nucleótidos.

solo se produce una molécula de ATP por molécula de glucosa

degradada

Vía de Entner-Doudoroff.

Desde GAL-3P hasta Piruvato es catalizado por enzimas comunes a la vía Glicolítica.

Pseudomonas Neisseria RhizobiumAgrobacterium

Muy pocos Gram(+)

es la ruta principal para la degradación de la glucosa en las bacterias aerobias

estrictas

solo se produce una molécula de ATP por molécula de glucosa

degradada.

Compuestos orgánicos (Organis.HETERÓTROFICOS)El rendimiento total de ATP por mol de sustrato respirado es de 38 ATP

Compuestos inorgánicos Dador de e-

(organis. LITÓTROFICO) REDUCEN e-

Aceptor final es el O molecular

Dador de eDador de e--

Aceptor final es el sulfatos, nitratos y carbonatos

Ocurre en presencia de oxígeno (Oxidación) Glucosa + O2 CO2 + H2 O + 38 ATP

PasosGlucólisisDecarboxilación oxidativaCiclo de KrebsTransporte de electrones

Productos tóxicos: O2- y H2 O2

Bacterias aerobias y anaerobias facultativas en aerobiosis

MAYOR RENDIMIENTO ENERGETICO (~45%)

38 ATP

Las enzimas como catalasa y la peroxidasa, degrada al peróxido de hidrogeno en oxígeno molecular y agua.

Estas enzimas están ausentes en las

bacterias anaerobias estrictas, siendo susceptible al oxígeno.

Respiración anaeróbica• Ocurre en ausencia de oxígeno• Aceptores finales de electrones: iones

inorgánicos

• Glucosa + S CO2 + SH2 + 34 ATPPasos

GlucólisisDecarboxilación oxidativaTransporte de electrones

No se liberan productos tóxicos

Bacterias anaerobias obligadas y anaerobias facultativas en anaerobiosis

M.O. AERÓBICOS

Último aceptor

OXIGÉNO

M.O. ANAERÓBICOS SULFATOS, NITRATOS Y

CARBONATOS

Catabolismo de C6, C5 y C4:

Ac. cítrico, malato, fumarato, succinato son catabolizados mediante enzimas del Krebs, con formación de ATP vía oxidativa.

Catabolismo de ácidos orgánicos:Catabolismo de ácidos orgánicos:

Voges proskauerAcetil-metil-carbinol +KOH –Alfa naftol

Glicerina

Ácido graso

Ácido graso

Ácido graso

Lípido

Glicerina

3 Ácidos grasos

Las proteínas son demasiado grandes para atravesar las membranas

Los microorganismos excretan proteasas que hidrolizan las proteínas exógenas a péptidos. Proteasas Peptidasas

Proteínas----- Péptidos-------Aminoácidos

Los esqueletos carbonados de los aminoácidos entran en el ciclo ATC para sufrir una mayor oxidación vía acetil CoA, ácido cetoglutárico, ácido succínico, ácido fumárico o ácido oxaloacético

Lípidos Polisacáridos Proteínas

Ac. grasos + glicerol Glucosa y otros azúcares Aminoácidos

Acetil-CoA

CoA

Krebs

CO2

Fosforilación oxidativa

ATP ADP

O2e-

Intermediarios de bajo peso

molecular

Unidades estructurales

Macromoléculas(Alto peso molecular)

Asociaciones supra -

moleculares

Organelas

Acetato,Malonato

Ácidos grasos,Glicerina

Lípidos

Fosfopiruvato, Malato

Azúcares sencillos

Poli - sacáridos

Cetoácidos

Aminoácidos

Proteínas

Ribosa carbamil fosfato

Mono -nucleóticos

Ácidos Nucléicos

Complejos enzimáticos, Ribosomas,

Sistemas contráctiles

Núcleo, mitocondria, cloroplasto, etc.

BIOCIDA Agente químico con

amplio espectro Inactiva m.o Son: Antisépticos Desinfectantes Preservativos

La acción depende:- Medio ambiente

externo- La naturaleza,

estructura, composición y condición

- Habilidad del M.o de degradar o inactivar

EL GERMICIDA: es un agente químico que mata los microorganismos pero no necesariamente elimina las esporas (ejemplo el bactericida, mata bacterias, el fungicida, mata hongos y el viricida mata los virus )

ESTERILIZACIÓN: procedimientos que conducen a la destrucción de todos los m.o presentes en un lugar o material (incluye esporas).

DESINFECCIÓN: procedimientos que consiguen una reducción del número microorganismos presentes, pero no necesariamente la destrucción total.

DESINFECTANTES: Agentes químicos, generalmente líquidos, usados para la desinfección, se usa en superficies inertes.

BACTERIOSTÁTICO: Propiedad por la cual un biocida puede inhibir la multiplicación bacteriana, que se reanuda una vez se remueve el agente.

SÉPTICO: presencia de M.o patógeno en el tejido vivo.

ANTISÉPTICO: biocida o producto que destruye o inhibe el crecimiento de M.o dentro, o en tejido vivo.

CONSERVACIÓN: prevención de la multiplicación de M.o en productos formulados, incluyendo farmacéuticos y alimentos.

QUIMIOTERÁPICOS: son compuestos químicos con actividad microbicida o microbiostática, con una toxicidad suficientemente baja como para permitir su administración a un organismo superior, en cuyos fluidos corporales y tejidos permanece estable un cierto tiempo a concentraciones tales que los hace eficaces como antimicrobianos dentro del organismo.

ANTIBIÓTICO: Compuesto orgánicos naturales o sintéticos que inhiben o destruyen selectivamente bacterias, por lo general a concentraciones bajas.

Físico: Fuentes de radiación de alta energía (Calor,Luz UV) que oxidan la pared proteica y prácticamente queman el microorganismo.

Biológicos: Sustancias creadas por organismos superiores para autodefensa, generalmente son de tipo proteíco y se denominan enzimas. Ejem: lisozima.

Químicos: Pueden ser a su vez, inorgánicos o de síntesis orgánicaEjemplo: Dióxido de cloro (ClO2), Isotiazolinas, cloraminas, bromuros de alquilo, cloruros de alquilo o arilo, etc.

Los agentes físicos más empleados para destruir oeliminar microorganismos no deseables son el

calor, laradiación y agentes mecánicos como filtraciónCALOR:

SecoHúmedo

RADIACIONES:Luz UltravioletaRadiaciones Ionizantes

AGENTES MECÁNICOS: Filtración

Ultrasonidos

La temperatura mínima. se puede explicar en función de un descenso de la fluidez de la membrana, de modo que se detienen los procesos de transporte de

nutrientes y el gradiente de protones. Por encima de la temperatura mínima la tasa de crecimiento va aumentando proporcionalmente hasta alcanzar la

temperatura óptima, debido a que las reacciones metabólicas catalizadas por enzimas se van aproximando a su óptimo. En dicha temperatura óptima las

enzimas y reacciones se dan a su máxima tasa posible A partir de la temperatura óptima, si seguimos subiendo la temperatura se produce un descenso

acusado de la tasa de crecimiento hasta alcanzar la temperatura máxima, refleja desnaturalización e inactivación de proteínas enzimáticas esenciales,

colapsamiento de la membrana citoplásmica y a veces lisis térmica de la bacteria

FLAMEADO

AIRE CALIENTE (Hornos): Esterilizante 160ºC/ 2 horas

INCINERACIÓN

Pasteurización: 63ºC/30 min Ebullición. VAPOR DE AGUA:

Vapor Fluente. Vapor a presión superior a la Atmosférica:

AUTOCLAVE

121ºC, 15 lb y 10-15 121ºC, 15 lb y 10-15 min.min.

LA ACCIÓN LETAL DEL CALOR ES UNA RELACIÓN DE TIEMPO Y TEMPERATURA

La mayoría de bacterias, levaduras y hongos

80oC , 5-10 min

Mycobacterium tuberculosis 58oC , 30 min

Mycobacterium tuberculosis 59oC , 20 min

Mycobacterium tuberculosis 65oC , 2 min

Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis

60oC , 60 min

La mayoría de esporas patógenas 100oC , pocos min

RADIACIONES

Radiaciones ionizantes:

•Son los rayos X y Gamma, y los radiosótopos Co60 y Cs137

•Efectos son letales y mutagénicos.•Muy penetrantes 

Radiaciones no ionizantes. •Son los rayos UV•Cambios en el ARN o en proteínas•Poco penetrantes

Control de microorganismos con radiacionesUna lámpara ultravioleta se utiliza para descontaminar la superficie del interior de una cabina de seguridad biológica.

RADIACIONESRADIACIONES

ULTRASONIDOS

- Vibraciones de alta frecuencia (poca penetración).

- Desnaturalizar las proteínas y componentes bacterianos.

- Se emplean en un baño de agua para limpieza de material

FILTRACION

- Para materiales termolábiles y sensibles a radiaciones.

- Tamaño del poro: 0.005-1 µ.

- Los virus no son retenidos

Filtros de membrana

Filtros HEPA

MÉTODOS MECÁNICOS

Esterilización por filtración

Objetos críticos: Contacto con sistema vascular o tejidos

estériles. (instrumentos quirúrgicos, agujas, catéteres, prótesis,...). ESTERILIZACION

Objetos semicríticos: Contacto con mucosas o con piel no

intacta. (sondas urinarias, endoscopios, ...). DESINFECCIÓN DE ALTO

NIVEL O ESTERILIZACIÓN

Objetos no críticos: Contacto con piel intacta (termómetros,

manómetros, fonendoscopios, suelos, paredes, ...). LIMPIEZA O

DESINFECCIÓN DE NIVEL INTERMEDIO O BAJO.

Clasificación de los objetos según el riesgo de infección que comporta su

utilización

PRIONES (EJC)

ESPORAS BACTERIANAS (Bacillus spp., Clostridium spp.)

MICOBACTERIAS (Mycobacterium tuberculosis)

VIRUS PEQUEÑOS SIN ENVOLTURA (Poliovirus)

BACTERIAS GRAMNEGATIVAS (Pseudomonas spp.)

HONGOS (Aspergillus spp., Candida spp.)

VIRUS MEDIANOS SIN ENVOLTURA (Adenovirus)

BACTERIAS GRAMPOSITIVAS (Staphylococcus spp.)

VIRUS CON ENVOLTURA (HIV, VHB)

Relación decreciente de resistencia

Mecanismo de acción de los desinfectantes

Desnaturalización y coagulación de proteínas (Ej. Alcoholes)

Oxidación de distintos componentes (Ej. Cl, óxido de etileno)

Alteración de permeabilidad de la membrana (Ej. Agentes surfactantes, alcoholes)

Combinación radicales de proteínas y ácidos nucleicos, dando reacciones de sustitución (Ej. aldehidos, óxido de etileno)

Naturaleza de los microorganismos presentes: Potencia de los desinfectantes

1. Alto nivel: Inactivan todas las bacterias vegetativas, incluyendo a micobacterias, hongos, virus, pero no necesariamente esporas bacterianas (Ej. Aldehídos, derivados del Cl)

2. Nivel intermedio: No eliminan esporas bacterianas, sí bacterias vegetativas, hongos y virus, pero con dificultad virus desnudos de pequeño tamaño ( Ej. Alcoholes, fenoles)

3. Bajo nivel: no destruyen a todos los hongos, ni a los virus desnudos de pequeño tamaño (Ej. Derivados del amonio cuaternario)

Condiciones físico-químicas para una buena eficacia de la sustancia

1. Tiempo de exposición

2. Temperatura

3. Concentración

4. pH

DESINFECTANTES MÁS USADOS:

1. Alcoholes

2. Agentes oxidantes (Cloro, Yodo, Ac. Paracético,

H2O2)

3. Agentes surfactantes

4. Derivados fenólicos

5. Aldehídos

6. Oxido de etileno

Factores a considerar en la selección

del método de desinfección

•Microorganismos:- Grado de muerte microbiana requerido

- Naturaleza microbiana (virus, bacterias...)

•Instrumental- Uso al que se destine

- Naturaleza del objeto a tratar

•Costo del procedimiento

•Facilidad/accesibilidad de la técnica 

•Impacto medioambiental 

Espectro de acción de los desinfectantes:

Condiciones de un buen biocida

Debe tener un amplio espectro de actividad Efectivo a baja concentración Efectivo en un amplio rango de pH. Solubles en agua. Compatible con otros productos químicas en el medio. Alta persistencia: Debe ser efectivo a través del tiempo. Fácil de neutralizar: Debe poseer mecanismos

desactivadores para su posterior neutralización. Baja toxicidad humana. El coeficiente fenólico, es un valor experimental que se

realiza a las sustancias que tienen propiedades biocida, tomando como referencia la capacidad biocida del fenol.

Jawers 1994 Microbiología Médica.

V.Ausena Ruiz 1996 Introducción a las enfermedades infecciosas.