Nutrición microbiana

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IPR NUTRICIÓN MICROBIANA 2009

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NUTRICIÓN MICROBIANA2009

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La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las sustancias químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para dos objetivos:

 

Fines energéticos (reacciones de mantenimiento);

 

Fines biosintéticos (reacciones plásticas o anabolismo).

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Desde el punto de vista de los fines de aprovisionamiento de energía, las bacterias se pueden dividir en:

a)      Litotrofas: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH2 S0, NH3, NO2-, Fe, etc.)

b) Organotrofas: requieren compuestos orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes...).

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  Desde el punto de vista biosintético (o sea, para sus necesidades plásticas o de crecimiento), las bacterias se pueden dividir en:

a)      Autotrofas: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias inorgánicas sencillas. Ahora bien, habitualmente el concepto de autotrofía se limita a la capacidad de utilizar una fuente inorgánica de carbono, a saber, el CO2.

b)      Heterotrofas: su fuente de carbono es orgánica (si bien otros elementos distintos del C pueden ser captados en forma inorgánica

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La mayor parte de los organismos la La mayor parte de los organismos la obtienen de compuestos químicos.obtienen de compuestos químicos.

 

Autotrofas estrictas son aquellas bacterias incapaces de crecer usando materia orgánica como fuente de carbono.

 

Mixotrofas son aquellas bacterias con metabolismo energético litotrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético

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Sean autotrofas o heterotrofas, todas las bacterias necesitan captar una serie de elementos químicos, que se pueden clasificar (según las cantidades en que son requeridos) como:

 

Macronutrientes (98%) (C, H, O, N, P, S, K, Na, Ca, Mg), y

 

Micronutrientes o elementos traza (Cl, Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Mo...)

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TIPOS NUTRICIONALES FUENTE DE ENERGÍA FUENTE DE C EJEMPLOS

Fotoautótrofos Luz CO2 Cianobacterias, bacterias púrpuras y verdes, plantas,

algasFotoheterótrofos Luz Compuestos Algunas

orgánicos bacterias púrpuras y verdes

Quimioautótrofos o Compuestos CO2 Algunasquimiolitotrofos o inorgánicos Eubacterias y

litótrofos ej.: H2, NH3, muchas

NO2-, H2S Archaea

Quimioheterótrofos o Compuestos Compuestos La mayoríaquimioorganotrofos o orgánicos orgánicos Eubacterias,Heterótrofos algunas

Archaea Animales

Mixotrofos Compuestos Compuesto Algunas Inorgánicos Orgánico bacterias

bajo

H2 CH3COOH condiciones

particulares (E.coli )

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CATEGORIAS METABÓLICAS

Para procariotas lo más útil y didáctico es considerar de forma separada la fuente de energía de la fuente de carbono :Fuente de Energía:· Fotótrofos: luz· Quimiótrofos: energía química· Quimioorganótrofos: oxidan compuestos orgánicos· Quimiolitótrofos: oxidan compuestos inorgánicosFuente de Carbono:· Autótrofos: CO2

· Heterótrofos: materia orgánica.

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En la naturaleza, los elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

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El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso de nutrientes: desde autotrofos que obtienen su carbono por reducción del CO2 y los demás elementos a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterotrofos capaces de usar amplia gama de fuentes orgánicas de carbono.

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A su vez, dentro de los heterotrofos, se pueden encontrar muchos y variados tipos de nutrición, desde bacterias metilotrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de carbono y energía, hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar más de 100 tipos de fuentes de C (incluyendo entre ellas sustancias tan “exóticas” como hidrocarburos alifáticos y cíclicos).

De cualquier modo, entre los heterotrofos, una de las fuentes más típicas de carbono consiste en glucosa.

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En los heterotrofos-organotrofos, los sustratos carbonados (con un nivel de oxidación no muy distinto del material celular -CH2O-) entran simultáneamente a:

Metabolismo energético (donde la fuente de C se

transforma en CO2, o en CO2 junto con otras sustancias no totalmente oxidadas);

Metabolismo plástico (anabolismo = biosíntesis de nuevo material celular).

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Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H2O, CO2, N2, NO3--, NH3, SO4=, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son muy interesantes.

De hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en procariotas. Como paradigma de esto citaremos los microorganismos quimioautotrofos (o quimiolitoautotrofos): obtienen su energía de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas, el carbono procede del CO2, y el resto de elementos a partir de sales inorgánicas, por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales en ausencia de luz.

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Lo habitual, sin embargo, es que muchas bacterias recurran, siempre que puedan, a tomar del medio ciertos compuestos más complejos, ya que carecen de ciertas rutas biosintéticas.

Podemos clasificar los nutrientes en las siguientes categorías:

Universales (es decir, aquellos que son requeridos por todos los procariotas): agua, CO2, fosfatos y sales minerales; Particulares; nitrógeno y azufreFactores de crecimiento. Suelen ser coenzimas o sus precursores, vitaminas

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CAPACIDADES METABÓLICAS

• Algunas bacterias son excepcionalmente autosuficientes: protótrofo– sintetizan vitaminas, amino ácidos, nucleótidos, lípidos– crecen en un medio mínimo compuesto de sales inorgánicas (MgSO4, NH4Cl, K2HPO4 , FeCl3, CaCl2) confuente de carbono orgánica

• Algunos microorganismos requieren factores de crecimiento: auxótrofo

• Algunos son muy exigentes, lo cual significa que necesitan muchos factores

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Prototrofía: capacidad para sintetizar todos los compuestos orgánicos que se necesitan a partir de la principal fuente de carbono.

Auxotrofía: incapacidad de sintetizar algún compuesto (v.g.: vitaminas).

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De acuerdo a su respuesta frente al O2 las bacterias se clasifican como: Aerobias: dependen del O2. Microaerófilas: prefieren concentraciones bajas (2% ).

Anaerobias facultativas: utilizan O2 si está presente, pero pueden crecer en su ausencia.

Anaerobias: no pueden utilizar O2. Pueden ser:Estrictas: el O2 es tóxicoAerodúricas o aerotolerantes: toleran el O2.Toxicidad del oxígeno y de los subproducto del metabolismo oxidativo (radical superóxido,radicales y agua oxigenada).

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Muy beneficiosa (fotosíntesis) Daño: pigmentos fotosensibilizadores (clorofila, citocromos), transfieren energía al O2 (O2 activado) muy reactivo y letal desactivado por pigmentos carotenoides.

Luz visible

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Radiación ultravioleta (UV)

• Longitud de onda corta, entre 10 y 400nm y alta energía.

• UV 260nm es la más nociva por ser el máximo de absorción del ADN.

•Modo de acción principal: provoca dímeros de timina y se inhibe la replicación del ADN.

Las lámparas UV son muy usadas en cámaras de flujo laminar (filtración), complementan efecto germicida

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Radiación ionizante

•Longitud de onda muy corta, energía alta, producen ionización: radicales libres (OH.), oxida dobles enlaces, rompe anillos aromáticos.

•rayos X: producidos artificialmente

•rayos gama: por la desintegración de radioisótoposbajas dosis: mutaciones muerte niveles superiores letal

•Se usan para esterilizar objetos, algunas endosporas pueden resistir altas dosis

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Actividad de agua (aw)

Es la manera de expresar la disponibilidad deagua varía entre 0 y 1Ej.: suelo agrícola 0,9-1,0; harinas 0,7; fiambres 0,85

Clasificación de los microorganismos según su capacidad para crecer en ambientes con distinta actividad de agua

halófilos: crecen en ambientes salinososmófilos: crecen en ambientes con alta concentración de azúcarxerófilos: crecen en ambientes muy secos

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Temperaturas de crecimiento máximas para diferentes organismos (°C)

Eucariotas ProcariotasAnimales BacteriaPeces 38 Cianobacterias 70-73Insectos 45-50 Heterótrofas 90Crustáceos 49-50

ArchaeaPlantas 45-50 Metanogénicas 110

Hipertermófilas 115Protozoario 56 del azufre

Algas 55-60

Hongos 60-62

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Clasificación de los microorganismos según su rango de temperatura de crecimiento

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Sicrófilos - rango: < 0-20°C, óptimo < 15ºC– organismos marinos, algas: Chlamydomonas nivalis (nieverosada), bacterias: Pseudomonas, Flavobacterium– membrana contiene alto % de ácidos grasos insaturados

Sicrótrofos o Sicrófilos facultativos- rango: 0-35°C, óptimo 20-30ºC– Pseudomonas - crecen en el refrigerador

Mesófilos - rango: 15-45° C, óptimo: 30-40°C– la mayoría de los microorganismos (del suelo, aguas, patógenos)

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Termófilos - rango: 40-70°C, óptimo de 55-65ºC– membrana contiene alto % de ácidos grasos saturados– enzimas estables al calor– Bacillus stearothermophilus, organismos de compostaje

Hipertermófilos - rango: 80-113°C, óptimo > 90ºC– Pyrococcus, Pyrodictium (aguas termales)

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Formas tóxicas del oxígeno

• H2O2 (peróxido), O2- (superóxido), OH` (radical hidroxilo)

Se producen fotoquímica y durante la respiración

Altamente reactivos

Oxidan macromoléculas y demás componentes orgánicos

Enzimas que destruyen las forma tóxicas del oxígeno:

[O2-]+ [O2 -]+ 2H+

2 H2O+O2

NADH+H+ NAD+

dismutasaO2+H2O2

2 H2O

catalasaH2O2

peroxidasa

superóxido

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Clasificación de los microorganismossegún su pH óptimo

Neutrófilo: pH óptimo 7 Ej.: bacterias patógenas humanas.

Acidófilo: pH óptimo < 7 Ej.: muchas de las archeobacterias y hongos.

Basófilo: pH óptimo > 7 Suelos y aguas ricas en carbonatos

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DIVERSOS pH