Tema 8

III.B. Tema 8. Nutrición y metabolismo: requerimientos nutricionales

1. Nutrición.
1 Nutrición Tipos nutricionales de bacterias
2. Tipos de nutrientes: clasificación y funciones
• Agua: endógena y exógena
• Fuente de carbono: orgánica e inorgánica
o Asimilación de CO2 Bacterias autótrofas:
▬ Ciclo de Calvin: muchas quimio y fotolitotrofas

▬ Ciclo de Krebs inverso: Bacterias fototrofas verdes

▬ Ciclo del 3-hidroxipropionato: Bacterias fototrofas verdes

▬ Ruta del Acetil-CoA: Acetogenas, metanógenas

• Fuente de nitrógeno: orgánica e i
F t d it ó á i inorgánica
á i
– Reducción asimiladora de NO3 y NO2
– Fijación de N2 atmosférico
– I Incorporación de NH3
ió d
• Fuente de azufre: orgánica e inorgánica
– Reducción asimiladora de SO42-
• Las sales minerales:
– Fósforo: fosfatos
– El hierro: consumo y transporte
• Factores orgánicos de crecimiento: cepas auxotrofas y prototrofas
3. Cultivo de bacterias en el laboratorio 1


Objetivos del tema
1.
1 Definir nutrición bacteriana

2. Conocer los términos de: Macronutrientes, micronutrientes,
elementos traza y factores orgánicos de crecimiento; sus funciones
dentro del metabolismo celular

3. Conocer el origen de los requerimientos en factores orgánicos de
g q g
crecimiento

4. Definir los tipos nutricionales de las bacterias

5. Conocer las fuentes de los principales nutrientes para la célula

6. Conocer los mecanismos de fijación de carbono inorgánico,
j g ,
asimilación de nitrógeno y azufre.

7. Conocer la importancia del hierro en la nutrición y virulencia de los
microorganismos
2


Nutrición en bacterias

NUTRIENTES (Biosíntesis) PRODUCTOS DE
DESECHO ácidos,
CO2 aceptores de
electrones reducidos

• catabolismo:
producción de energía
ATP FUENTE DE ENERGÍA:
• anabolismo: Luz/químicos

biosíntesis gasto de 3
energía


Principales tipos nutricionales de procariotas

Fuente de Carbono: Autotrofos; heterotrofos
Fuente de energía:
g Fototrofos, quimiotrofos
,q
Fuente de electrones: Litotrofos; organotrofos

Fuente de Fuente de Fuente de
Tipo nutricional Ejemplos
energía Carbono electrones

Cyanobacteria, algunas
Fotoautotrofo Inorgánica
g
Luz CO2 bacterias verdes y
litotrofos (H2O or H2S)
purpúreas
Fotoheterotrofo algunas bacterias verdes
Luz C. orgánicos C. orgánicos
organotrofos y purpúreas

Quimioautotrofo Química Bacterias y muchas
CO2 C. inorgánicos
litotrofos (H2, NH3, H2S) Archaea

La
L mayoría d l
í de las
Quimioheterotrofo
C. orgánicos C. orgánicos C. orgánicos bacterias y algunas
organotrofos
Archaea

Química (H2, CO2
Mixotrofos C. inorgánicos Beggiatoa
NH3, H2S) C. orgánicos
4


Principales ti
P i i l tipos nutricionales de procariotas
ti i l d i t

5


Cianobacterias: son organismos
Fotoautótrofo fotoautótrofo litotrofos. Fotosíntesis
semejante a las plantas que se encuentran en
litotrofo hábitat muy variados Suelos húmedos
variados. húmedos,
aguas saladas y dulces etc.

Rhodobacter sphaeroides : bacteria purpurea no del
p p p
azufre muy versátil en su metabolismo pues puede
Fotoheterotrofo ser capaz de crecer como foto/quimio/hetero/
organotrofo auto/lito/organotroficamente dependiendo de las
condiciones ambientales. Se encuentra en agua
dulce en lagos a cierta profundidad con luz y sin
oxígeno

Nitrosomonas europea: se encuentra en suelo,
Quimioautotrofo agua residual, agua dulce y las paredes de
residual
edificos donde hay amonio disponible. Es muy
litotrofo común en ciudades donde hay mucha
contaminación. Convierte el amonio a nitratos en
aerobiosis y la energía en reducir el CO2

Quimiheterotrofo Escherichia coli: se encuentra en intestino de
muchos mamíferos donde hay gran cantidad de
organotrofo sustratos orgánicos que degradan para obtener
energía y sintetizar los materiales celulares

6


Análisis de la composición química básica de la célula procariota E. coli
Componente % sobre peso seco1 Clases diferentes
Proteína 55 1850

ARN 20.5 660

ADN 3.1 1

Lípidos 9.1 42

Polisacáridos 5 23

Total de macromoléculas 96 2500

Aminoácidos y precursores 0.5 100

Azúcares y precursores 2 50

Nucleótidos y precursores 0.5 200

Total de monómeros 3.5 350

Iones inorgánicos 1.0 18
1 de una célula de E.coli en crecimiento logarítmico
2 Existenmuchas clases de fosfolípidos de cada uno muchas formas por la variación en el
p p
ácido graso entre especies y condiciones de crecimiento
3 Se asume que el peptidoglicano y el glucógeno son los polisacáridos mayoritarios 7

Tipos de nutrientes: sus fuentes y funciones en las células bacterianas
% peso
Elemento Fuente Función
seco
Compuestos orgánicos y
Carbono 50 Principal constituyente del material celular
CO2
H2O, compuestos Constituyente del material celular, agua celular; O2 como aceptor
Oxígeno 20
orgáncios, CO2, y O2 de electrones en respiración aeróbica
NH3, NO3, compuestos Constituyentes de aminoácidos ácidos nucleicos nucleótidos y
aminoácidos, nucleicos,
Nitrógeno 14
orgánicos, N2 coenzimas
H2O, compuestos
Hidrógeno 8 Constituyente principal de compuestos orgánicos y agua celular
orgánicos, H2
Constituyente
Constit ente de ácidos n cléicos n cleótidos fosfolípidos LPS
nucléicos, nucleótidos, fosfolípidos, LPS,
Fósforo 3 Fosfatos inorgánicos (PO4)
teicóicos
SO4, H2S, So, compuestos Constituyente de cisteína, metionina, glutationina y algunos
Azufre 1
orgánicos azufrados coenzimas

Potasio 1 Sales de potasio Catión inorgánico celular y cofactor de ciertas enzimas

Catión celular inorgánico, cofactor de ciertas reacciones
Magnesio 0.5 Sales de magnesio
enzimáticas
Catión l l inorgánico, cofactor d enzimas y componentes d
C tió celular i á i f t de i t de
Calcio 0.5 Sales de calcio
endosporas

Componentes de citocromos y ciertas proteínas de hierro no hemo
Hierro 0.2 Sales de hierro
y cofactor de algunas reacciones enzimáticas

Elementos
traza: Co, 0.25 Sales Cofactores enzimáticos 8
Cu, Mn, Mo..


Tipos de nutrientes: sus fuentes y funciones en las células bacterianas
p

ELEMENTO
TRAZA
EJEMPLO Y FUNCIÓN
Ó

Cobalto Parte de la Vitamina B12 que se utiliza para las metilaciones
Zinc Papel estructural en muchas enzimas (ADN polimerasa)
Reacciones de asimilación de Nitrógeno, nitrogenasa. También en la
Molibdeno
nitrato reductasa, sulfito reductasa…..
Papel catalítico de enzimas que reaccionan con el oxígeno como la
Cobre
citrocromo oxidasa. Plastocianina
Requerido por enzimas en sitios catalíticos Ciertas enzimas
catalíticos.
Manganeso
fotosintéticas utilizan Mn para romper el agua en oxígeno y protones

Para algunas enzimas como las implicadas en el metabolismo del CO,
Niquel
urea y metanogénesis

Vanadio Sistemas alternativos de fijación de nitrógeno

Tungsteno Sustituye al Mo en ciertos organismos
9


1. Nutrición.
– Ciclo de Calvin: muchas quimio y fotolitotrofas
– Ciclo de Krebs inverso: Bacterias fototrofas verdes
– Ciclo del 3-hidroxipropionato: Bacterias fototrofas verdes
– Ruta del Acetil-CoA: Acetogenas, metanógenas
á i
ió d


Fuente de carbono
F t d b

Esqueleto de moléculas orgánicas
q g
Papel estructural

Fuente de H2 y O2
Orgánica

Papel energético: Energía de la oxidación de compuestos
P l éti E í d l id ió d t
orgánicos: Quimioheterótrofos

Inorgánica CO2 Autotrofos

11

Asimilación de CO2: Ciclo de Calvin-Benson: Ruta reductiva de las pentosas-P
p

RuBisCo Mayoría de quimio y fotolitotrofos

Requerimientos:
•NAD(P)H
•ATP
Fosfo-Ribulosa-
quinasa •RubisCo
•Fosforibulosa quinasa

Carboxisomas

RubisCo
R bi C

ATP y NADPH de
reacciones lumínicas o de
oxidación de compuestos
inorgánicos

6CO2 + 6H2O+ 18ATP + 12 NADPH + 12H+ → Glucosa-P + 6Ribulosa diP+ 18ADP+ 17Pi+ 12 NADP
12

CICLO REDUCTIVO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS O CICLO DE KREBS INVERSO
Asimilación de CO2 en fototrofas verdes de azufre: Chlorobium
•En bacterias fototrofas verdes del
azufre (Chlorobium )
Ferredoxina reducida
•En bacteria oxidadora de hidrógeno
Enzimas: Fumarato reductase, termófila (Hydrogenobacter
thermophilus)
α-cetoglutarato sintetasa
•En algunas sulfato reductoras
Citrato liasa
(Desulfobacter hydrogenophilus).

13


CICLO DEL 3 HIDROXIPROPIONATO
3-HIDROXIPROPIONATO
Asimilación de CO2 en fototrofas verdes no del azufre: Chloroflexus

Reducción de dos CO2 a Glioxalato Chloroflexus aurantiacus

Intermediario clave el hidroxipropionato

• Dos carboxilaciones del Acetil CoA
• Reordenación del metil malonil CoA
• Generación del Glioxalato

Organismo de la rama anoxifototrofa más primitiva del dominio Bacteria
14
Se cree que es la ruta más antigua de fijación de CO2


Asimilación de CO2 por la ruta del Acetil CoA: Ljungdahl Wood
Acetil-CoA: Ljungdahl-

Esta ruta la utilizan:

• Acetogenos: producen ácido acético de H2
(Clostridium thermoaceticum, Acetobacterium
woodii )

• Metanogenos: Archaea (Methanobacterium
thermoautotrophicum )

• Sulfato reductores autótrofas
(Defulfobacterium autotrophicum).

Ruta reductiva del Acetil CoA : A diferencia del rTCA o del Ciclo de C-B (RuBP) es una via
no cíclica en la que un CO2 es capturado por un cofactor especial, (tetrahidrofolato: T en la
figura) y reducido a grupo metilo El otro CO2 es reducido a grupo carbonilo C=O por
metilo. C O
monoxido de carbono dehidrogenasa que se combina con el grupo metilo para dar acetil
CoA por un grupo de enzimas del complejo acetil CoA sintetasa. Esta ruta requiere
Hidrógeno gas como donador de electrones y es muy eficaz, requiere solo 4H2 por molécula
de
d acetato.
15

1. Nutrición. Tipos nutricionales de bacterias
p
• Fuente de nitrógeno: orgánica e inorgánica
– Incorporación de NH3
• F t
Factores orgánicos de crecimiento: cepas auxotrofas y prototrofas
á i d i i t t f t t f


Fuente de nitrógeno: orgánica e inorgánica
Reducción asimiladora de NO3 y NO2: reducción de +5 -3

Nitrato reductasa asimiladora Nitrito reductasa asimiladora
(soluble) (soluble)

El producto final es el NH3 que se incorpora a esqueletos
carbonados

Enzimas citoplasmáticas y no asociadas a la producción de
energía

17


Fijación d
Fij ió de N2 atmosférico: Nit
t fé i Nitrogenasa
Ferroproteína : reductasa de la nitrogenasa
Ferromolibdo proteína : Nitrogenasa
F libd í Ni

N2: el 80% de la atmósfera

Hidrogenasa
8H+ + 8 e- + N2 → 2NH3 + H2 2H+ + 2e-
16-24 ATP → 16-24 ADP + 16-24 Pi 18


Fijación d
Fij ió de N2 atmosférico: Nit
t fé i Nitrogenasa
Nitrogenasas:
• Extremada sensibilidad al oxígeno
• Alto requerimiento en energía : ATP
• Son semejantes entre sí

La producción de H2 es un proceso
paralelo
La presencia de hidrogenasa en bacterias
fijadoras de N2 aporta energía adicional
para el requerimiento energético del
enzima
Proceso muy extendido entre bacteria e
incluso arqueas.
En
E aerobios, anaerobios, f
bi bi facultativos,
lt ti
autótrofos, heterótrofos y fototrofos 19


Asimilación de amonio a esqueletos carbonados:

•Glutamato deshidrogenasa
Glutamato
•Glutamina sintetasa

Las reaciones de ambas enzimas provocan
la asimilación de dos moléculas de amonio
(se
( muestra como ión amonio NH4+)
t ió i ).

20


Reacción de transaminación

La reacción de transaminación dependiente de glutamato de un α-ceto
ácido es una reacción fundamental en la síntesis de aminoácidos

Los demás aa se sintetizan por simples reacciones de transferencia de grupo amino
g
transaminaciones
21


1. Nutrición.
á i
ió d


Fuente de azufre: orgánica: cisteína y metionina
g
Inorgánica: Reducción asimiladora de SO42-

•Transporte del sulfato por la sulfato permeasa (simporte).
•Reducción del sulfato a sulfhídrico por la sulfato reductasa.
Activación por ATP para dar APS similar al ATP pero
con la sustitución del fosfato terminal por sulfato
Fosforilación del APS que se separa de la molécula
de adenosina y reducción a sulfhídrico por la NADPH-
sulfito reductasa.

Síntesis de cisteina a partir de serina:

SO4-2 + 2 ATP + 2 NADPH + H+ + serina + acetil CoA
acetil-CoA cisteine + AMP + ADP + 3 Pi + NADP+

23


Las l
L sales minerales: El fósforo. Fosfatos orgánicos o inorgánicos
i l fó f F f t á i i á i

•Constituyente de ADN, ARN, fosfolípidos, teicóicos y
algunas proteínas
•Papel funcional en el metabolismo energético
•Principal fuente el Pi (ortofosfato) Requiere proteínas
(ortofosfato).
de transporte específico
•Fosfatos orgánicos en microorganismos con
Fosfatos
fosfatasas extracelulares o periplásmicas

24


Las sales minerales: El hierro: consumo y transporte
El hierro es crítico para el crecimiento y virulencia de las bacterias
patógenas:
Transferrina = concentraciones muy bajas de Fe en sangre
T f i t i b j d F
Lactoferrina = concentraciones muy bajas de Fe en mucosas
Un mecanismo de consumo de hierro es mediante la síntesis y excreción de
sideroforos. Productos de alta afinidad por el Fe3+. Derivados del catecol o de
los hidroxamatos.

25
Enterobactina férrica de E. coli un catecol


Las bacterias exportan los sideróforos al medio donde capturan
al hierro y luego son transportados de nuevo a la célula.

Hidroxamato: el hierro es capturado como Fe3+ y una vez
transportado al interior de la célula es liberado como Fe2+
26


Algunos factores orgánicos de crecimiento: vitaminas, aa, pirimidinas
Factor de crecimiento Función
Aminoácidos Componentes de p
p proteínas
Colesterol Para las membranas de Micoplasmas
Porción funcional de citocromos en el sistema de
Hemo
transporte de electrones
NADH Transportador de electrones
Niacina (ácido nicotínico) Precursor de NAD+ y NADP+
Ácido pantoténico Componente del CoA
Precursor del ácido fólico que está implicado en el
Ácido para- aminobenzóico metabolismo de compuestos monocarbonados y
síntesis de ácidos nucleicos
Purinas y pirimidinas Componentes de ácidos nucleicos
Vitamina B6 (piridoxina)
(p ) Transaminaciones de aminoácidos
Vitamina B2 (riboflavina) Precursor de FAD
Vitamina B1 (tiamina) En reacciones de descarboxilación

Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc (bacterias del ácido láctico):
27
requerimientos complejos en vitaminas


Auxotrofas
Auxotrofas- Prototrofas

Demostración del requerimiento en NAD y hemina (factores orgánicos de
crecimiento) de Haemophilus influenzae. En placa de agar sangre se siembra primero
la cepa de H. influenzae y posteriormente se hacen 4 estrías con un cultivo de
Staphylococcus aureus. S. aureus produce y excreta NAD en cantidad suficiente como
para permitir el crecimiento de H. influenzae lo que provoca el crecimiento de
Haemophilus como colonias satélites.
28

1. Nutrición
2. Tipos de nutrientes: clasificación. Tipos nutricionales de bacterias
• Nutrientes requeridos universalmente: Agua
q g
Fuente de carbono: orgánica e inorgánica
Asimilación de CO2 Bacterias autótrofas:
Ciclo de Calvin: muchas quimio y fotolitotrofas
Ciclo de Krebs inverso: Bacterias fototrofas verdes
Ciclo del 3-hidroxipropionato: Bacterias fototrofas verdes
Ruta del Acetil-CoA: Acetogenas metanógenas
Acetil CoA: Acetogenas,
Fuente de nitrógeno: orgánica e inorgánica
Reducción asimiladora de NO3 y NO2
Fijación de N2 atmosférico
Incorporación de NH3
Fuente de azufre: orgánica e inorgánica
Reducción asimiladora de SO42- 2

Las sales minerales:
Fósforo: fosfatos
El hierro: consumo y transporte


Cultivo d
C lti de microorganismos: medios
i i di
de cultivo
Definidos: con sustancias químicas puras. Ej: medio de glucosa-sales minerales

Complejos: (indefinidos): de composición exacta no conocida Ej: Agar extracto de
levadura

Selectivos: No permite el crecimiento de los microorganismos no deseados
p g

Diferenciales: Distingue las colonias de bacterias específicas de otras

De enriquecimiento: Similares a los selectivos pero diseñados para incrementar el
número de microorganismos deseados sin estimular el crecimiento del resto de la
p
población bacteriana

PRACTICAS DE LABORATORIO 30


31


Técnica aseptica:

32


Transferencia de cultivos

La técnica aséptica en el laboratorio se refiere a las
prácticas que reducen la posibilidad de que los
microorganismos entren en el material estéril

33


34


Crecimiento
confluente al inicio
del t i d
d l estriado

Colonias aisladas al
final del estriado

35


Tipos de medios de c lti o según la
cultivo
utilización
1. Ordinarios: Ejemplo

Agar nutritivo:
- Peptona Extracto de carne
p
- K2HPO4 KH2PO4
- N Cl
NaCl A
Agar
- Agua destilada

Para bacterias sin
36
requerimientos especiales


2. M di enriquecidos:
Medios i id
Ejemplo: Medio ordinario + Factores Org. de
j p g
crecimiento

Agar sangre
37
Para bacterias con requerimientos nutricionales


3. Medio de enriquecimiento:
Estimula el crecimiento de un tipo de bacteria
en particular: Patógenos en muestras con
Muestra con biota normal
biota

Incubación aislamiento

Muchas Se incrementa en número en
especies las bacterias deseadas
38


3. Caldo de enriquecimiento

Agua de peptona alcalina
Las condiciones básicas (pH 8-
9) promueve el crecimiento de
Vibrio e inhibe el crecimiento de
la biota intestinal

39


4. Medios selectivos

Muestra con varios
organismos
Medio selectivo =

Propósito general Medio basal
Medio no selectivo +
Agente(s) de seleccion
(Crecen muchas especies
diferentes)
dif t ) (De especies deseadas)

40


4. Medio selectivo
La muestra contiene una mezcla de E. coli y S. epidermidis
Agar sangre (sin sales biliares) Mac Conkey (con sales biliares
inhibibe a Gram +)

E.
E coli

S. epidermidis
E.
E coli
41


5. Medio diferencial

Muestra con varios
Mixed sample
organismos

Propósito general
Medio diferencial
Medio no diferencial (Todas
las especies parecen Diferente apariencia
similares)
i il ) de las colonias

42


5. Medio diferencial: Agar sangre

43


Objetivos del tema
1.
1 Definir nutrición bacteriana

2. Conocer los términos de: Macronutrientes, micronutrientes,
elementos traza y factores orgánicos de crecimiento; sus funciones
dentro del metabolismo celular

3. Conocer el origen de los requerimientos en factores orgánicos de
g q g
crecimiento

4. Definir los tipos nutricionales de las bacterias

5. Conocer las fuentes de los principales nutrientes para la célula

6. Conocer los mecanismos de fijación de carbono inorgánico,
j g ,
asimilación de nitrógeno y azufre.

7. Conocer la importancia del hierro en la nutrición y virulencia de los
microorganismos
44

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