Metabolismo y Crecimiento Microbiano

Diana Paola Ardila Hernández  Jenny Paola Fonseca Camargo Camargo Martha Isabel Gaitán sarmiento  Jenny liceth Leandro pacheco  Jenny carolina carolina Orjuela Gutiérrez Gutiérrez

Definición El metabolismo microbiano es el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por  ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse.

Las características metabólicas específicas de un microorganismo constituyen el principal criterio para determinar  su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales.

Los distintos tipos de metabolismo microbiano se pueden clasificar según tres criterios distintos: 1.La forma la que el organismo obtiene el carbono para la construcción de la masa celular: • Autótrofo. El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO2). • Heterótrofo. El carbono se obtiene de compuestos orgánicos. • Mixotrofo. El carbono se obtiene tanto de compuestos orgánicos como fijando el dióxido de carbono.

2. La forma en la que organismo obtiene los equivalentes reductores para la conservación de energía o en las reacciones biocinéticas: • Litotrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos inorgánicos. • Organotrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos orgánicos

3. La forma en la que el organismo obtiene la energía para vivir y crecer: • Quimiotrofo. La energía se obtiene de compuestos químicos externos. Los quimiolitoautótrofos obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos y el carbono de la fijación del dióxido de carbono. Ejemplos: bacterias bacterias oxidantes bacterias oxidantes bacterias oxidantes del

nitrificantes, del azufre, del hierro, hidrógeno.

•Fototrofo. La energía se obtiene de la luz. Los fotolitoautótrofos obtienen energía de la luz y el carbono de la fijación del dióxido de carbono, usando compuestos inorgánicos como equivalentes reductores. Ejemplos: Cianobacterias (agua como equivalente reductor), Chlorobiaceae, Chromaticaceae (sulfuro de hidrógeno), Chloroflexus (hidrógeno).

La clasificación nutricional de un organismo se realiza en base a tres criterios importantes:

1. Fuente del carbono. Se refiere a la fuente del carbono usada por el organismo para su crecimiento y desarrollo. Un organismo se denomina heterótrofo si usa compuestos orgánicos y autótrofo si su fuente del carbono es el dióxido de carbono (CO2).

2. Donador de electrones. Se refiere a los compuestos donadores de electrones que se utilizarán en la biosíntesis (por ejemplo, en forma de NADH o NADPH).

3.Fuente de energía. Se refiere al método empleado por el organismo para producir ATP, que se requiere para aprovisionar de combustible los caminos anabólicos de biosíntesis de los componentes de la célula.

La base del metabolismo energético de la mayoría de los organismos quimiotrofos es una reacción de oxidación-reducción en la cual los electrones se mueven desde un donador  a un receptor de electrones. La energía se libera durante la reacción.

los compuestos usados como donadores de electrones por los quimiotrofos deben ser reversibles en caminos oxidativos productores de energía y en caminos reductores biosintéticos. La gama de pares posibles de donadores y aceptadores de electrones para los quimiotrofos se limita a las reacciones que son lo bastante exoenergéticas para conservar  bastante energía después de la transición de por lo menos un protón sobre una membrana (igual a -15 a -20 kJ/mol).

DENOMINACIÓN FOTOTROFOS QUIMIOTROFOS AUTOTROFOS HETEROTROFOS

DENOMINACIÓN

FOTOAUTOTROFOS FOTOHETEROTROFOS

FUENTE DE ENERGIA

LUZ

FUENTE DE CARBONO

CO2

QUIMICA

FUENTE DE ENERGIA

LUZ

COMPUESTOS ORGANICOS

FUENTE DE CARBONO CO2

LUZ

COMPUESTOS ORGANICOS

QUIMIOAUTOTROFOS

QUIMICA

CO2

QUIMIOHETEROTROFOS

QUIMICA

COMPUESTOS ORGANICOS

fotoautotrofos:Vegetales, algas, bacterias fotosintéticas.

Fotoheterotrofos: Bacterias Quimioautotrofos: Bacterias. Quimioheterotrofos: Animales, Protozoos, bacterias

Este metabolismo microbiano constituye el principal factor de descomposición de todos los organismos después de muerte. Muchos microorganismos eucariontes son heterótrofos por  depredación o parasitismo, características también encontradas en algunas bacterias tales como Bdellovibrio (un parásito intracelular de otras bacterias, causando la muerte de sus víctimas) y algunas Myxobacteria tales como Myxococcus (depredadora de otras bacterias a las que mata y succiona mediante la cooperación de enjambres de numerosas células).

La mayoría de los microorganismos son heterótrofos (o más exactamente quimiorganoheterótrofos), con compuestos orgánicos como fuentes de carbono y de energía. Los microorganismos heterótrofos viven de los alimentos que roban a anfitriones vivos (como comensales o parásitos) o de la materia orgánica muerta de todo tipo (saprófagos).

Proceso mediante el cual los compuestos complejos se convierten en sustancias simples. e Implica liberación y obtención de energía.

un ejemplo de ésto es la glucólisis donde se degrada el azúcar para obtener o liberar  energía y otros compuestos.

Es un proceso metabólico catalizado por enzimas que oxidan una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato y 2 NADH+. Este proceso de degradación de azúcares se da en el citosol de las células y el destino de los productos finales varía de acuerdo a las necesidades fisiológicas del organismo

Es un proceso catabólico generador de ATP a partir de compuestos orgánicos en el que éstos sirven como donadores y aceptores de electrones. Los microorganismos pueden usar como sustrato en la fermentación carbohidratos, ácidos orgánicos, aminoácidos y nucleótidos. La fermentación es un proceso anaeróbico que sólo puede generar ATP a través de la fosforilación a nivel sustrato. Por ejemplo la producción de ácido láctico a partir de glucosa por  Streptococcus. Este proceso es propio de microorganismos anaerobios estrictos, facultativos y anaerobios aerotolerantes

RESPIRACIÓN Es un proceso metabólico generador de ATP a través de la fosforilación oxidativa donde el oxígeno u otro aceptor de electrones pueden actuar como aceptor final de electrones. En la respiración compuestos orgánicos (en heterótrofos) e inorgánicos (bacterias litótrofas) pueden donar y aceptar electrones. La respiración puede ser aerobia, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y anaerobia, donde el aceptor final de electrones puede ser sulfatos, nitratos y carbonatos. La respiración aerobia produce mucha más energía que la fermentación.

La respiración aerobia consta de tres pasos: formación de piruvato a partir de sustancias orgánicas, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones. La respiración aerobia produce mucha más energía que la anaerobia

Ciclo de Krebs

El anabolismo bacteriano es el conjunto de reacciones bioquímicas que se encarga de la síntesis o construcción de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más simples existentes, para lo cual requiere absorber energía, energía que se obtiene a partir  de las reacciones catabólicas.

El anabolismo es responsable de:



La fabricación de los componentes celulares y tejidos corporales y por ende del crecimiento.



También es responsable del almacenamiento de energía mediante enlaces químicos en moléculas orgánicas como el ATP

Utiliza la energía liberada por el catabolismo para sintetizar moléculas complejas. Se da en tres fases, la primera: produce aminoácidos, monosacáridos y nucleótidos que son los precursores, la segunda: con el ayuda del ATP activación en reactivos y la tercera: el conjunto de estos precursores en moléculas más complejas como proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos.

Anabolismo autótrofo son células vegetales y algunos tipos de bacterias capaces de aprovechar distintas fuentes de energía localizadas en el exterior  de la célula, de su medio ambiente. En el anabolismo autótrofo, se parte de sustancias inorgánicas (agua, CO2 y sales minerales), prácticamente carentes de energía química y mediante la incorporación de energía externa se consigue fabricar compuestos orgánicos, ricos en energía química.

El anabolismo autótrofo se puede realizar mediante fotosíntesis o quimiosíntesis.

Fotosíntesis La fotosíntesis es la conversión de energía luminosa en energía química estable. Esta energía química primero queda almacenada en la molécula de ATP que posteriormente la utilizará para sintetizar otras moléculas orgánicas más estables.

QUIMIOSÍNTESIS Los organismos que realizan el proceso de quimiosíntesis generan materia orgánica a partir de la inorgánica, mucha de ella procedente de la descomposición de la materia orgánica. Por tanto, cierran los ciclos biogeoquímicos y posibilitan la vida en el planeta.

Anabolismo heterótrofo Las células de animales, hongos y muchas bacterias son heterótrofas porque solo pueden utilizar en su anabolismo energía química que procede de la destrucción de compuestos orgánicos que previamente han sido tomados del exterior. Por tanto, la fuente de energía procede del interior de la propia célula. En el anabolismo heterótrofo, se parte de sustancias orgánicas sencillas y con ellas se elaboran otras más complejas.

• Incremento ordenado de todos los componentes de un microorganismo teniendo como consecuencias:  – Incremento en el número de células  – Incremento en el tamaño celular .

•

Cambio en el número de células o en la masa celular en un determinado tiempo.

•

Tiempo de generación

duplicación

o

 – Tiempo necesario para que una población se duplique  – Varía entre cada microorganismo

•

Crecimiento equilibrado: Incremento constante en tamaño y número de individuos en un medio determinado hasta que se agota uno de los factores de crecimiento.

•

Crecimiento no equilibrado :  Alteración del crecimiento debido al control efectuado en ambientes humanos (desinfectantes, antibióticos)

Fase de lactancia

Fase exponencial

Fase estacionaria En

Ocurre cuando se Se alarga hasta que se transfiere un inoculo agotan los nutrientes desde un medio rico a un medio más Duplicación celular  pobre.  Actividad metabólica Estado fisiológico más Fase de sano adaptación a las Velocidad de condiciones crecimiento variable ambientales Condiciones Duración variable medio ambientales Se sintetizan Genética proteínas y ARN Duplicación

insignificativa

cultivos

en

Fase de muerte La muerte celular se vuelve exponencial

recipientes cerrados una población no puede crecer  indefinidamente en forma exponencial. Canibalismo Las limitaciones del crecimiento ocurren  Autolisis ya sea por  bacterianas agotamiento de algún nutriente esencial, por  acumulación de productos tóxicos, porque se alcance un número de células elevado para el espacio disponible o por una combinación de las causas anteriores

Métodos directos Determinación

del peso húmedo Determinación por peso seco Determinación del nitrógeno total Determinación de un componente especifico • Proteínas •  ADN •  ARN

• Métodos indirectos • Consumo de nutrientes QO2

(consumo de oxígeno) QCO2 (consumo de dióxido de carbono)

• Producción de ciertos metabolitos Producción

de ácidos orgánicos

• Métodos turbidimétricos (ópticos): Espectrofotómetro

(mide luz transmitida) Nefelómetro (mide luz dispersada)

• Métodos directos: Cámara

de Petroff-Hauser (para bacterias) Cámara de Thoma (para levaduras y células mayores que las bacterianas) Contadores electrónicos de partículas (contador  Coulter)

• Métodos indirectos: Recuento

de viables por siembra de muestras de diluciones en placas de Petri

Recuento

de viables a partir de grandes volúmenes de suspensiones diluidas: se hacen pasar por filtros de nitrocelulosa o equivalentes y se incuban sobre medio sólido

Recuento de viables a partir de grandes volúmenes de suspensiones diluidas: se hacen pasar por filtros de nitrocelulosa o equivalentes y se incuban sobre medio sólido

• Factores Intrínsecos Son aquellos factores que forman parte del alimento • Contenido de nutrientes (alimentos) •  Acidez (pH o ) •  Actividad Acuosa (a ) w

• Pueden crecer en un rango determinado  Acidofilos:

pH 3.0- 6.0 (Lactobacillus) Neutrófilos: pH 6.0- 8.0 (Bacillus sp.)  Alcalófilos: pH 8.0-10.5 ( Vibrio ) Bacterias

pH 5-6 Levaduras 4-4,5 Hongos < 4.

• Agua “libre” disponible para el crecimiento de microorganismos • Disminuyendo la aw= aumento en la duración de la fase lag y la disminución del crecimiento microbiano

a

w

mínima para el crecimiento microbiano Bacterias 0.90 Levaduras 0.87 Hongos 0.70

•

Cada especié microbiana tiene temperatura óptima, mínima y máxima

Tipo

Rango de Temperatura

una

Temperatura Optima

M.O

Psicrófilo

0 - 20

15

Algas

Mesófilo

20 - 40

38

E. coli 

Termófilo

40 - 70

60

Bacillus stearothermophillus

Hipertermófilos

90 - 115

106

Thermus acuaticus