Fisiología Microbiológica (PDF)

FISIOLOGIA MICROBIANA Las bacterias funcionan a través de diferentes vías bioquímicas complejas e interactivas. La energía para realizar estas vías la proporciona una fuente de carbono como la glucosa. Fisiológicamente, las bacterias se clasifican en aerobias, donde el oxígeno es esencial para su c...

FISIOLOGIA MICROBIANA Las bacterias funcionan a través de diferentes vías bioquímicas complejas e interactivas. La energía para realizar estas vías la proporciona una fuente de carbono como la glucosa. Fisiológicamente, las bacterias se clasifican en aerobias, donde el oxígeno es esencial para su crecimiento (Pseudomonas aeruginosa); facultativas, donde los microorganismos pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno (los coliformes gramnegativos); y anaerobias, donde las bacterias crecen en ausencia de oxígeno (clostridios y bacteroides). La eficiencia fisiológica de las bacterias se debe a una serie de factores: Las bacterias pueden reproducirse rápidamente en condiciones favorables, lo que les permite colonizar rápidamente nuevos ambientes. Las bacterias poseen una gran diversidad de rutas metabólicas que les permiten utilizar una amplia gama de fuentes de energía y nutrientes. Las bacterias pueden sobrevivir en ambientes extremos como altas temperaturas, pH extremo o ambientes anaeróbicos. Las bacterias pueden intercambiar genes entre sí, lo que les permite adquirir rápidamente nuevas características, como resistencia a antibióticos o capacidad de utilizar nuevos nutrientes. A pesar de su simplicidad estructural, las bacterias son capaces de sintetizar rápidamente todos los componentes celulares que necesitan para crecer y reproducirse. La mayoría de las bacterias son autosuficientes, lo que significa que pueden obtener todos los nutrientes que necesitan del medio ambiente. El metabolismo bacteriano es el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de la célula bacteriana y que le permiten obtener energía, sintetizar componentes celulares y eliminar productos de desecho. Las bacterias pueden realizar una gran variedad de procesos metabólicos, incluyendo: Respiración celular: Obtención de energía a partir de la oxidación de moléculas orgánicas. Fermentación: Obtención de energía en ausencia de oxígeno. Fotosíntesis: Utilización de la energía de la luz para sintetizar moléculas orgánicas. Fijación de nitrógeno: Conversión de nitrógeno atmosférico en una forma utilizable por las plantas. Bacterias parásitas o simbióticas Estas bacterias requieren condiciones específicas y nutrientes que no pueden sintetizar por sí mismas. Algunas han perdido rutas metabólicas esenciales y dependen del huésped para obtener nutrientes. Ejemplos incluyen bacterias como Rickettsia y Chlamydia, que necesitan células huésped para sobrevivir. Bacterias de vida libre Estas bacterias pueden vivir en una variedad de ambientes y sintetizar todos los nutrientes que necesitan. Pueden producir todos sus componentes celulares a partir de nutrientes simples. Ejemplos incluyen Escherichia coli y Bacillus subtilis. Elementos nutricionales en la biosíntesis H2O: El agua es esencial para todas las reacciones bioquímicas. Macroelementos Microelementos Metales: Algunos metales actúan como cofactores enzimáticos, facilitando reacciones bioquímicas. Factores de crecimiento: Incluyen vitaminas y aminoácidos que algunas bacterias no pueden sintetizar y deben obtener del ambiente. Macroelementos C, H, O, N, P, S Estos elementos constituyen más del 95% del peso seco celular y son esenciales para diversas funciones biológicas. Son componentes principales de proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y otros compuestos orgánicos esenciales para la vida. Potasio (K+): Es crucial para la actividad de algunas enzimas y para mantener el equilibrio osmótico dentro de la célula. Calcio(Ca++):Proporciona termorresistencia en esporas bacterianas, ayudando a las bacterias a sobrevivir en condiciones extremas. Hierro (Fe+): Forma parte de los citocromos y actúa como cofactor en enzimas y proteínas transportadoras de electrones, esenciales para la respiración celular y la producción de energía. Magnesio (Mg++): Actúa como cofactor de muchas enzimas, forma complejos con ATP (adenosín trifosfato) y estabiliza ribosomas y membranas plasmáticas, facilitando la síntesis de proteínas y otros procesos celulares. Microelementos Manganeso (Mn): Facilita la transferencia de grupos fosfato en diversas reacciones enzimáticas. Zinc (Zn): Forma parte del centro activo de muchas enzimas, ayudando en la catálisis y el mantenimiento de la estructura de proteínas. Cobalto (Co): Es un componente esencial de la vitamina B12, que es crucial para el metabolismo de los ácidos nucleicos y la síntesis de proteínas. Cobre (Cu): Actúa como cofactor en varias enzimas involucradas en la respiración celular y la defensa contra el estrés oxidativo. Molibdeno (Mo): Es un cofactor en enzimas que participan en la reducción de nitratos y la fijación de nitrógeno. Níquel (Ni): Es necesario para la actividad de algunas enzimas, como la ureasa, que descompone la urea en amoníaco y dióxido de carbono. Cofactores Los cofactores son moléculas no proteicas que ayudan a las enzimas en la catálisis de reacciones bioquímicas. Pueden ser iones metálicos (como los microelementos mencionados) o moléculas orgánicas (coenzimas). Pueden también estabilizar la estructura de la enzima, participar directamente en la reacción química o ayudar en la unión del sustrato a la enzima. Fuente de carbono Característica Autótrofos Heterótrofos Fuente de energía Luz (fotoautótrofos) o Nutrientes orgánicos reacciones químicas (quimioautótrofos) Fuente de carbono Dióxido de carbono Nutrientes orgánicos (CO₂) Proceso clave Fotosíntesis Respiración celular o (fotoautótrofos) o fermentación quimiosíntesis (quimioautótrofos) Organismos Plantas, algas, algunas Animales, hongos, representativos bacterias muchos tipos de bacterias Fuente de H o Electrones Característica Litótrofos Organótrofos Fuente de energía Reacciones Reacciones químicas inorgánicas químicas orgánicas Donadores de Compuestos Compuestos electrones inorgánicos (ej: orgánicos (ej: amoniaco, azufre, carbohidratos, hierro) lípidos, proteínas) Hábitat común Ambientes extremos Amplia variedad de (ej: manantiales ambientes hidrotermales, suelos ácidos) Organismos Algunas bacterias y La mayoría de las representativos arqueas bacterias, hongos, protozoos y animales Fuente de energía Característica Quimiótrofos Fotótrofos Fuente de energía Reacciones químicas Luz (orgánicas o inorgánicas) Proceso clave Quimiosíntesis (si Fotosíntesis usan compuestos inorgánicos) o respiración celular/fermentación (si usan compuestos orgánicos) Organismos Algunas bacterias y Plantas, algas, representativos arqueas algunas bacterias TIPO DE METABOLISMO Inorgánico a Fuente de energía, moléculas moléculas Inorgánico orgánicas Moléculas orgánicas Proteínas, carbohidratos, etc. Cuando las bacterias aerobias como Pseudomonas aeruginosa y los coliformes facultativos crecen en presencia de oxígeno, la glucosa se metaboliza por completo mediante la respiración aeróbica, utilizando oxígeno como aceptor final de electrones: Cuando los coliformes crecen en ausencia de oxígeno, metabolizan la glucosa mediante un proceso de fermentación menos eficiente, donde los ácidos mixtos son los productos finales. Esta reacción es la siguiente: Requerimiento de N, P, S Se obtienen a partir de fuentes orgánicas e inorgánicas N: Purinas y pirimidinas, aminoácidos, reducción asimilatoria de nitratos P: Ácidos nucleicos, fosfolípidos, proteínas y fuentes inorgánicas como fosfatos S: Cisteína, metionina, biotina, tiamina Reducción asimilatoria de sulfato Factores de crecimiento Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos esenciales que algunas bacterias no pueden sintetizar por sí mismas debido a la falta de las enzimas necesarias. Aminoácidos: Necesarios para la síntesis de proteínas. Ejemplo: Neisseria gonorrhoeae requiere ciertos aminoácidos del medio ambiente porque no puede sintetizarlos por sí misma. Purinas y pirimidinas: Esenciales para la síntesis de ácidos nucleicos (ADN y ARN). Ejemplo: Mycoplasma sp. necesita purinas y pirimidinas del medio ambiente debido a su incapacidad para sintetizarlas. Vitaminas: Actúan como cofactores enzimáticos, facilitando diversas reacciones metabólicas. Ejemplos: Haemophilus sp. requiere ciertas vitaminas para su crecimiento; Bacilos gram-negativos anaerobios necesitan vitamina K como cofactor enzimático. Captación de nutrientes Difusión Pasiva: Movimiento de moléculas desde una región de mayor concentración a una de menor concentración, sin necesidad de energía. Ejemplos: Agua (H2O), oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) se mueven a través de la membrana por difusión pasiva. Difusión Facilitada: Movimiento de moléculas desde una región de mayor concentración a una de menor concentración, pero con la ayuda de proteínas transportadoras de membrana. Ejemplos: Moléculas como glucosa y aminoácidos que no pueden atravesar la membrana por sí solas utilizan proteínas transportadoras para facilitar su paso. Los procariotas suelen usar Transporte activo Transporte activo Permite a las bacterias concentrar nutrientes en contra del gradiente de concentración, es decir, desde una región de menor concentración a una de mayor concentración. Este proceso requiere energía, que puede provenir de ATP (adenosín trifosfato) o de la fuerza motriz de protones. Proteínas de Transporte Son altamente específicas para las moléculas que transportan, asegurando que solo los nutrientes necesarios sean importados. Tipos: Transportadores ABC (ATP-Binding Cassette): Utilizan la energía del ATP para transportar diversas moléculas a través de la membrana. Sistemas de transporte de proteínas ligadoras del espacio periplásmico: Estos sistemas son comunes en bacterias gramnegativas y utilizan proteínas en el espacio periplásmico para capturar y transportar nutrientes como azúcares y aminoácidos. Ejemplos de Transporte Azúcares: Los sistemas de transporte específicos permiten la importación de azúcares esenciales para el metabolismo bacteriano. Aminoácidos y otros nutrientes: Además de azúcares, estos sistemas también transportan aminoácidos, vitaminas y otros nutrientes necesarios para el crecimiento y la reproducción bacteriana.  Gradiente de protones generado durante el transporte de electrones Gradiente de protones: Durante el transporte de electrones en la cadena de transporte de electrones, los protones (H+) son bombeados desde el interior de la célula hacia el espacio periplásmico (en bacterias gramnegativas) o hacia el exterior de la membrana plasmática (en bacterias grampositivas). Este gradiente de protones crea una diferencia de concentración y carga eléctrica a través de la membrana, conocida como fuerza motriz de protones, que se utiliza para generar ATP mediante la ATP sintasa. Sistemas de Transporte Uniporte: Transporta una sola sustancia en una dirección a través de la membrana. Ejemplo: Transporte de iones de potasio (K+) hacia el interior de la célula. Simporte:Transporta dos sustancias en la misma dirección a través de la membrana. Ejemplo: Transporte de glucosa junto con iones de sodio (Na+) hacia el interior de la célula. Antiporte:Transporta dos sustancias en direcciones opuestas a través de la membrana. Ejemplo: Intercambio de iones de sodio (Na+) hacia el exterior de la célula y iones de hidrógeno (H+) hacia el interior. Translocación de Grupo: Durante el transporte, la sustancia es químicamente modificada. Este proceso asegura que la sustancia no pueda salir de la célula una vez que ha sido transportada. Ejemplo: El sistema de fosfotransferasa (PTS) es un ejemplo clásico de translocación de grupo. Transporte de Azúcares: En el sistema PTS, los azúcares como la glucosa son transportados al interior de la célula y fosforilados simultáneamente. Fosforilación: La fosforilación es llevada a cabo por el fosfoenolpiruvato (PEP), que dona un grupo fosfato al azúcar durante su transporte. Presencia en Bacterias Facultativas: Este sistema es común en bacterias facultativas, que pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno. Ejemplos incluyen Escherichia coli y Salmonella. Crecimiento Microbiano El crecimiento microbiano se mide generalmente por el aumento en el número de células en una población. Tiempo de Generación: Es el tiempo requerido para que una célula se divida en dos. Este tiempo puede variar dependiendo de las condiciones ambientales y el tipo de microorganismo. Ejemplo: En condiciones óptimas, Escherichia coli puede tener un tiempo de generación de aproximadamente 20 minutos. Mecanismos de Reproducción Fisión Binaria: Es el método más común de reproducción en bacterias. La célula madre se divide en dos células hijas idénticas. Incluye la replicación del ADN, elongación de la célula, y la formación de un septo que divide la célula en dos. Gemación: En este método, una nueva célula se forma como una protuberancia o yema en la célula madre. La yema crece y eventualmente se separa para formar una nueva célula. Ejemplo: Algunas bacterias y levaduras, como Saccharomyces cerevisiae, se reproducen por gemación. Fases del Crecimiento Microbiano Fase Lag (Latencia): Es el período inicial después de la inoculación, donde las bacterias se están adaptando al nuevo medio ambiente. Las células no se dividen rápidamente, pero están activamente sintetizando enzimas, proteínas y otros componentes necesarios para el crecimiento. Fase Logarítmica (Log): También conocida como fase exponencial, es el período de crecimiento rápido y constante. Las células se dividen a una tasa constante y máxima, y el número de células aumenta exponencialmente. Fase Estacionaria: El crecimiento se desacelera y se estabiliza cuando los nutrientes se agotan y los productos de desecho se acumulan. La tasa de división celular es igual a la tasa de muerte celular, por lo que el número total de células vivas se mantiene constante. Fase de Muerte: Las células comienzan a morir a una tasa exponencial debido a la falta de nutrientes y la acumulación de productos tóxicos. La tasa de muerte celular supera la tasa de división celular, lo que resulta en una disminución del número total de células vivas. Crecimiento Exponencial Durante la fase logarítmica, el crecimiento es exponencial, lo que significa que el número de células se duplica en intervalos regulares de tiempo. Microorganismo Rango de Ambiente típico Adaptaciones Ejemplo temperatura (°C) Psicrófilos 0 - 20 Frío (aguas Enzimas y Polaromonas polares, nieve, proteínas vacuolata suelos fríos) adaptadas al frío, membranas con ácidos grasos insaturados Mesófilos 20 - 45 Moderado No requieren Escherichia coli (suelo, agua adaptaciones dulce, cuerpo especiales humano) Termófilos 45 - 80 Caliente Enzimas y Bacillus (manantiales proteínas stearothermophilus termales, termoestables, géiseres) membranas con lípidos saturados Hipertermófilos 80 - 122 (o más) Extremadament Enzimas y Thermococcus e caliente proteínas celer, Pyrolobus (fumarolas extremadamente fumarii volcánicas termoestables, submarinas) membranas con lípidos y arqueas especiales Estenotermos Microorganismos que crecen en intervalos de temperatura muy estrechos. Ejemplo: Bacterias que crecen entre 20°C y 35°C. Estos microorganismos tienen adaptaciones específicas que les permiten prosperar solo dentro de este rango de temperatura. Euritermos Microorganismos que pueden crecer en un amplio rango de temperaturas. Ejemplo: Bacterias que crecen entre 0°C y 30°C. Estos microorganismos son más flexibles y pueden adaptarse a diversas condiciones térmicas. Extremófilos Microorganismos que crecen en condiciones extremas de temperatura, pH, salinidad, presión, etc. Tipos: Criofilos (Psicrófilos): Ejemplo: Psychrobacter. Hipertermófilos: Ejemplo: Thermococcus. Clasificación Rango de Ambiente típico Adaptaciones Ejemplos pH óptimo Acidófilos pH < 5.5 Ambientes Bombas de Thiobacillus ferrooxidans ácidos (suelos protones para (bacteria que oxida el volcánicos, mantener el pH hierro en ambientes aguas termales, interno neutro, ácidos), Lactobacillus algunos membranas acidophilus (bacteria alimentos celulares utilizada en la producción fermentados) resistentes a la de yogur) acidez Neutrófilos 6.5 - 7.5 La mayoría de No requieren Escherichia coli (bacteria los ambientes, adaptaciones intestinal), Staphylococcus incluyendo el especiales para aureus (bacteria de la piel) cuerpo humano, pH extremo el suelo y el agua dulce Alcalófilos pH > 8.5 Ambientes Intercambiadores Bacillus alcalophilus alcalinos (lagos de iones para (bacteria que produce alcalinos, suelos mantener el pH enzimas utilizadas en ricos en interno neutro, detergentes) carbonatos) enzimas y proteínas adaptadas a pH alcalino Hábitat: Es un microorganismo marino que se encuentra en las Photobacterium kishitanii profundidades del océano. Presión: Puede soportar presiones extremadamente altas, de hasta 600- 1100 atmósferas. Temperatura: Crece a temperaturas frías, típicas de las profundidades oceánicas (2-3°C). Efecto en microorganismos terrestres: No afecta a los microorganismos de la superficie terrestre, ya que estos no están adaptados a las altas presiones y bajas temperaturas del océano profundo. Barotolerancia: Un aumento de la presión puede afectarles negativamente. En el caso de Photobacterium kishitanii, aunque puede tolerar altas presiones, se clasifica como barófilo ya que estas son las condiciones en las que mejor se desarrolla. Barofilia: Es la condición de aquellos organismos que requieren altas presiones para crecer y reproducirse. Photobacterium kishitanii es un ejemplo de barófilo, ya que no solo tolera altas presiones, sino que las necesita para su crecimiento óptimo. Característica Bacterias Aerobias Bacterias Anaerobias Requerimiento de oxígeno Necesitan oxígeno molecular No necesitan oxígeno molecular (O2) para crecer y sobrevivir. (O2) para crecer; algunas incluso son dañadas por su presencia. Metabolismo energético Respiración celular aeróbica Fermentación o respiración (utiliza O2 como aceptor final de anaeróbica (usan otros electrones). compuestos como aceptor final de electrones). Tipos de bacterias Gram positivas Bacillus, Listeria, Nocardia Clostridium (algunas especies) Gram negativas Pseudomonas, Neisseria, Bacteroides, Fusobacterium, Acinetobacter Prevotella Infecciones comunes Infecciones respiratorias, Infecciones intraabdominales, infecciones de heridas, infecciones de tejidos blandos, infecciones del torrente infecciones dentales, sanguíneo, infecciones urinarias. infecciones ginecológicas. Ejemplos de enfermedades Neumonía, meningitis, sepsis, Abscesos, gangrena gaseosa, infecciones de la piel. tétanos, botulismo. Nocardia sp.