Procesos Metabólicos y Tipos de Respiración PDF

**Procesos Metabólicos y Tipos de Respiración** **1. Nutrición y cultivos** **Nutrición microbiana** La nutrición microbiana se refiere a la obtención de nutrientes esenciales que los microorganismos necesitan para crecer y realizar funciones metabólicas. Estos nutrientes incluyen: - **Macronu...

**Procesos Metabólicos y Tipos de Respiración** **1. Nutrición y cultivos** **Nutrición microbiana** La nutrición microbiana se refiere a la obtención de nutrientes esenciales que los microorganismos necesitan para crecer y realizar funciones metabólicas. Estos nutrientes incluyen: - **Macronutrientes:** Elementos en grandes cantidades, como carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), y azufre (S), esenciales para formar biomoléculas como proteínas, lípidos y ADN. - **Micronutrientes:** Oligoelementos necesarios en pequeñas cantidades, como hierro (Fe), zinc (Zn), y manganeso (Mn). - **Factores de crecimiento:** Compuestos orgánicos esenciales, como vitaminas y aminoácidos, que algunos microorganismos no pueden sintetizar. **Tipos de medios de cultivo** Los microorganismos se cultivan en medios de cultivo, que proporcionan los nutrientes necesarios. Estos medios se clasifican en: - **Medios simples:** Contienen nutrientes básicos (ejemplo: agar nutritivo). - **Medios selectivos:** Favorecen el crecimiento de ciertos microorganismos e inhiben a otros (ejemplo: agar MacConkey para bacterias gramnegativas). - **Medios diferenciales:** Permiten distinguir entre microorganismos según sus características metabólicas (ejemplo: agar sangre para detectar hemólisis). - **Medios enriquecidos:** Contienen nutrientes adicionales para microorganismos exigentes (ejemplo: agar chocolate). **2. Metabolismo microbiano** El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en una célula para mantenerla viva. Se divide en dos procesos principales: - **Catabolismo:** Procesos degradativos que descomponen moléculas complejas en compuestos más simples, liberando energía almacenada en forma de ATP. Ejemplo: la glucólisis. - **Anabolismo:** Procesos de síntesis que construyen moléculas complejas a partir de compuestos simples, utilizando energía. Ejemplo: la síntesis de proteínas. **Vías metabólicas clave** 1. **Glucólisis:** Ruta catabólica que degrada la glucosa en ácido pirúvico, produciendo ATP y NADH. 2. **Ciclo de Krebs:** Completa la oxidación de compuestos orgánicos, generando NADH y FADH2 para la cadena de transporte de electrones. 3. **Fermentación:** Vía metabólica anaerobia donde el piruvato se convierte en productos como ácido láctico o etanol, produciendo pequeñas cantidades de ATP. 4. **Fotosíntesis:** En microorganismos fotosintéticos como cianobacterias, la energía lumínica se utiliza para sintetizar compuestos orgánicos a partir de CO2. **3. Tipos de respiración** La respiración es el proceso mediante el cual los microorganismos obtienen energía a partir de compuestos orgánicos o inorgánicos. Se clasifica según el aceptor final de electrones: **Respiración aerobia** - Utiliza oxígeno como aceptor final de electrones. - Es altamente eficiente, produciendo hasta 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada. - **Ejemplo:** Bacterias como *Escherichia coli* realizan este tipo de respiración cuando hay oxígeno disponible. **Respiración anaerobia** - No utiliza oxígeno; en su lugar, otros compuestos como nitratos (NO3-), sulfatos (SO4\^2-), o carbonatos (CO3\^2-) actúan como aceptores finales de electrones. - Menos eficiente que la respiración aerobia, pero permite a los microorganismos sobrevivir en ambientes sin oxígeno. - **Ejemplo:** *Desulfovibrio* utiliza sulfatos para generar energía. **Fermentación** - Proceso metabólico anaerobio en el que los microorganismos producen energía sin la necesidad de una cadena de transporte de electrones. - Los productos finales son compuestos orgánicos como ácido láctico, etanol o ácido acético. - **Ejemplo:** *Saccharomyces cerevisiae* (levadura) realiza fermentación alcohólica. **Respiración quimioautotrófica** - Característica de microorganismos quimioautótrofos, que utilizan compuestos inorgánicos como fuente de electrones (amoniaco, sulfuros, hierro, etc.). - Generan energía sin necesidad de compuestos orgánicos. - **Ejemplo:** Las bacterias nitrificantes como *Nitrosomonas* y *Nitrobacter*. **Procesos Metabólicos y Tipos de Respiración** **1. Nutrición y Cultivos** **Nutrición microbiana** Los microorganismos requieren nutrientes esenciales para mantener su estructura y realizar procesos metabólicos. Según cómo obtienen estos nutrientes, los microorganismos se clasifican en: - **Según su fuente de carbono:** - **Autótrofos:** Obtienen el carbono del dióxido de carbono (CO₂) atmosférico. Ejemplo: cianobacterias. - **Heterótrofos:** Obtienen el carbono de compuestos orgánicos. Ejemplo: muchas bacterias patógenas. - **Según su fuente de energía:** - **Fotótrofos:** Usan la luz como fuente de energía. Ejemplo: bacterias fotosintéticas. - **Quimiótrofos:** Obtienen energía de reacciones químicas. - **Litótrofos:** Usan compuestos inorgánicos como fuente de electrones (ejemplo: *Nitrosomonas*). - **Organótrofos:** Usan compuestos orgánicos como fuente de electrones (ejemplo: *Escherichia coli*). **Cultivos microbianos** Los microorganismos se cultivan en medios diseñados para satisfacer sus necesidades nutricionales. Estos medios pueden ser: - **Definidos (sintéticos):** Composición química conocida con precisión. - **Complejos:** Contienen extractos no definidos, como peptonas o extracto de levadura. - **Selectivos:** Favorecen el crecimiento de ciertos microorganismos e inhiben otros (ejemplo: agar MacConkey). - **Diferenciales:** Permiten distinguir entre microorganismos según sus propiedades metabólicas (ejemplo: agar sangre). **2. Metabolismo microbiano** El metabolismo incluye todas las reacciones químicas que ocurren en una célula. Se divide en: - **Catabolismo:** Degradación de moléculas complejas en compuestos simples, liberando energía. Ejemplo: glucólisis, fermentación. - **Anabolismo:** Síntesis de moléculas complejas a partir de compuestos simples, utilizando energía. Ejemplo: síntesis de proteínas o ácidos nucleicos. **Rutas metabólicas principales** 1. **Glucólisis (vía de Embden-Meyerhof):** - Convierte la glucosa en ácido pirúvico. - Genera 2 moléculas de ATP y 2 de NADH por cada molécula de glucosa. 2. **Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico):** - Completa la oxidación del piruvato a CO₂. - Genera NADH y FADH2, que se usan en la cadena de transporte de electrones. 3. **Cadena de transporte de electrones:** - Usa los electrones del NADH y FADH2 para generar un gradiente de protones. - El gradiente impulsa la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa. 4. **Fermentación:** - Proceso anaerobio que convierte el piruvato en productos como ácido láctico, etanol o ácido acético. - Genera menos ATP que la respiración aerobia. **3. Tipos de Respiración** **Respiración aerobia** - El oxígeno es el aceptor final de electrones. - Produce hasta 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa en procariotas. - Ejemplo: *Escherichia coli* (en condiciones aeróbicas). **Respiración anaerobia** - Utiliza compuestos inorgánicos como nitratos (NO₃⁻), sulfatos (SO₄²⁻) o carbonatos (CO₃²⁻) como aceptores finales de electrones. - Genera menos ATP que la aerobia. - Ejemplo: *Desulfovibrio* usa sulfato como aceptor de electrones. **Fermentación** - No usa cadena de transporte de electrones ni oxígeno. - El piruvato se convierte en compuestos finales como: - Ácido láctico (fermentación láctica). Ejemplo: *Lactobacillus*. - Etanol y CO₂ (fermentación alcohólica). Ejemplo: *Saccharomyces cerevisiae*. - Produce 2 ATP por molécula de glucosa. **Respiración quimioautótrofa** - Propia de microorganismos litótrofos que oxidan compuestos inorgánicos para obtener energía. - Ejemplo: bacterias nitrificantes como *Nitrosomonas* (oxida amonio a nitrito). **Fotosíntesis bacteriana** - Realizada por microorganismos fotótrofos, como cianobacterias. - Usa luz como fuente de energía y CO₂ como fuente de carbono. **Principios de Unidad Celular** A continuación, se detalla información extensa y estructurada sobre los principios relacionados con la unidad celular en microorganismos: **1. Microorganismos como células** Los microorganismos, a excepción de los virus, están compuestos por células que representan la unidad estructural y funcional de la vida. **Características esenciales de las células microbianas** - **Autonomía:** Pueden llevar a cabo procesos metabólicos para sobrevivir y reproducirse. - **Tamaño:** Generalmente microscópicas; las procariotas miden entre 0.1 y 10 µm, mientras que las eucariotas son mayores (10-100 µm). - **Composición básica:** Incluyen una membrana plasmática, citoplasma, material genético (ADN) y ribosomas. - **Versatilidad metabólica:** Los microorganismos tienen una notable capacidad de adaptarse a diferentes ambientes y fuentes de energía. **2. Estructura y función celular** **Componentes comunes a todas las células** 1. **Membrana plasmática:** Bicapa lipídica que regula el intercambio de sustancias con el medio externo, mantiene la homeostasis y alberga proteínas esenciales para el transporte y metabolismo. 2. **Citoplasma:** Solución acuosa que contiene enzimas, ribosomas, moléculas orgánicas y organelos (en eucariotas). 3. **Ribosomas:** Realizan la síntesis de proteínas; son más pequeños en procariotas (70S) que en eucariotas (80S). 4. **Material genético:** Contiene la información necesaria para el funcionamiento y reproducción celular. - En procariotas: ADN circular en el nucleoide. - En eucariotas: ADN lineal contenido en un núcleo rodeado por una membrana. **Funciones clave de las células microbianas** - **Metabolismo:** Procesos químicos que permiten la obtención y uso de energía. - **Reproducción:** La mayoría se reproducen asexualmente (fisión binaria en bacterias). - **Adaptación:** Poseen mecanismos para responder a estímulos ambientales. **3. Diferencias entre células procariotas y eucariotas** **Célula procariota** - **Tamaño:** Más pequeña (0.1--10 µm). - **Estructura:** - Carece de núcleo y organelos membranosos. - ADN circular, localizado en el nucleoide. - Pared celular compuesta de peptidoglicano (en bacterias). - **Reproducción:** Fisión binaria. - **Organismos:** Bacterias y arqueas. **Célula eucariota** - **Tamaño:** Más grande (10--100 µm). - **Estructura:** - Núcleo definido con membrana nuclear. - Organelos membranosos especializados (mitocondrias, cloroplastos, etc.). - ADN lineal organizado en cromosomas. - **Reproducción:** Mitosis (asexual) y meiosis (sexual). - **Organismos:** Hongos, protozoos, algas microscópicas. **4. Morfología microbiana** La forma de los microorganismos está estrechamente relacionada con su función y adaptación al medio. **Bacterias** 1. **Cocos (esféricos):** - *Diplococos:* En pares. - *Estreptococos:* En cadenas. - *Estafilococos:* En racimos. 2. **Bacilos (en forma de bastón):** - Ejemplo: *Escherichia coli*. 3. **Espiroquetas (helicoidales):** - Ejemplo: *Treponema pallidum*. 4. **Vibrios (forma de coma):** - Ejemplo: *Vibrio cholerae*. **Otros microorganismos** - **Hongos:** - *Levaduras:* Unicelulares (como *Saccharomyces cerevisiae*). - *Mohos:* Filamentosos, compuestos por hifas. - **Protozoos:** Diversas formas, algunos móviles gracias a flagelos, cilios o pseudópodos. - **Algas microscópicas:** Pueden ser unicelulares o formar colonias. **5. Tinciones microbianas** Las tinciones son técnicas fundamentales en microbiología para observar y diferenciar microorganismos. **Tinción de Gram** - Clasifica bacterias según su pared celular: - **Gram positivas:** Pared gruesa de peptidoglicano; se tiñen de morado. - **Gram negativas:** Pared delgada y membrana externa; se tiñen de rosa. **Tinción ácido-alcohol resistente (Ziehl-Neelsen)** - Identifica microorganismos como *Mycobacterium tuberculosis* gracias a su pared rica en ácidos micólicos. **Tinción de cápsulas (tinción negativa):** - Destaca las cápsulas bacterianas (estructura protectora). **Tinción de esporas:** - Detecta esporas bacterianas (estructuras resistentes). Ejemplo: *Bacillus* y *Clostridium*. **Tinción flagelar:** - Resalta los flagelos, responsables de la motilidad bacteriana. Control de microorganismos: Agentes físicos, y químicos. Agentes físicos: Métodos de esterilización: Físicos (calor seco) Ventajas: No es corrosivo para metales e instrumentos. Permite la esterilización de sustancias en polvo y no acuosas, y de sustancias viscosas no volátiles. Desventajas: Requiere mayor tiempo de esterilización que el calor húmedo debido a la baja penetración del calor. Físicos (radiaciones) lonizantes: Producen iones y radicales libres que alteran las bases de los ácidos nucleicos, estructuras proteicas y lipídicas y componentes esenciales para la viabilidad de los microorganismos. lonizantes: Se les utiliza para esterilizar materiales termolábiles o termosensibles, como jeringuillas desechables, sondas, guantes, medicamentos, vacunas, alimentos, entre otros. No se utilizan para medios de cultivos o soluciones proteicas porque producen alteraciones de los componentes. Físicos (filtraciones) Filtración: es muy útil para la esterilización de líquidos que no pueden ser esterilizados por otros medios, como es el caso de los sueros, soluciones de azúcares que son termosensibles. se utiliza para esterilizar soluciones de antibióticos, soluciones oftálmicas, soluciones intravenosas, vitaminas y medios para el cuitivo de células animales. Membranas filtrantes: Constituyen los tipos de filtro más usados en el campo de la microbiologia, consisten en discos de acetato de celulosa o nitrato de celulosa que contienen un gran número de pequeños poros, cuyo tamaño varía entre 1 um hasta menos de 0,005 um. Químicos (antisépticos) Antisépticos: Sustancias químicas que destruyen los microorganismos y son suficientemente no tóxicos para ser aplicados a tejidos vivos. Los antisépticos controlan y reducen la presencia de microorganismos potencialmente patógenos sobre piel y/o mucosa, solo pueden aplicarse externamente sobre seres vivos Algunas sustancias antisépticas son el peróxido de hidrógeno, el alcohol etilico al 70 % y el yodo. Alcohol etilico al 70% Agente que lesiona la membrana celular de los microorganismos y desnaturaliza proteínas celulares, desorganiza la estructura fosfolipidica. No destruye las esporas y tiene una acción microbicida lenta. Se utilizan a una concentración del 50 al 70%, los más utilizados son el etanol y el alcohol isopropilico. Yodo: Es un agente oxidante que modifica a grupos funcionales de proteínas y ácidos nucleicos. Inactiva proteínas y enzimas por oxidación de los grupos sulfidrilos a disulfuro, pudiendo atacar también grupos aminos e indoles. Se utiliza como desinfectante de la piel (tintura de yodo: yodo molecular al 2% y yoduro de sodio al 2% en alcohol), aunque es irritante. Es efectivo contra esporas. Químicos (agentes desinfectantes) Cloro: El cloro, los hipocloritos y las cloraminas son desinfectantes que actúan sobre proteínas y ácidos nucleicos, oxidan grupos sulfidrilos, atacan grupos aminos e indoles. CLORO El producto clorado más utilizado es el hipoclorito de sodio, que es activo sobre todas las bacterias, incluyendo esporas. Es efectivo para un amplio rango de temperatura. Colorantes: Interfieren en la sintesis de ácidos nucleicos y proteínas o interfieren en la sintesis de la pared celular. Colorantes como el violeta genciana, verde malaquita y verde brillante, actúan bloqueando la conversión del ácido UDP acetilmurámico en UDP acetil-muramil-péptido. Microbiología de granos almacenados Micotoxinas Las micotoxinas son compuestos tóxicos producidos por una serie de hongos que atacan los cultivos en campo, principalmente de cereales, leguminosas, frutos secos, frutas y hortalizas en condiciones favorables de temperatura y humedad. La presencia de micotoxinas en los alimentos y piensos puede afectar a la salud humana y sanidad animal por sus efectos adversos, como la inducción del cáncer, genotoxicidad y mutagenicidad, efectos estrogénicos, inmunodepresores, gastrointestinales, hepáticos o renales dependiendo de la toxicidad de cada micotoxina. Las micotoxinas pueden entrar en la cadena alimentaria por las siguientes vías: Directamente a través de los alimentos sin procesar o procesados procedentes de los cultivos afectados: Los alimentos sin procesar susceptibles de la contaminación por micotoxinas son: cereales, legumbres, semillas oleaginosas, frutas, hortalizas, frutos secos, frutas desecadas, habas de café, habas de cacao y especias. PRESENCIA DE MICROORGANISMOS **Hongos (mohos)** - Son los microorganismos predominantes en granos almacenados debido a su capacidad para sobrevivir en condiciones de baja humedad. - **Géneros comunes:** - *Aspergillus:* Incluye especies como *A. flavus* y *A. parasiticus*, productoras de aflatoxinas. - *Penicillium:* Productores de micotoxinas como ocratoxinas. - *Fusarium:* Asociado a granos dañados en campo, produce toxinas como tricotecenos y zearalenona. - **Impactos:** - Deterioro de los granos, reducción de peso y valor nutricional. - Producción de micotoxinas tóxicas para humanos y animales. **Bacterias** - Comúnmente presentes en granos húmedos o dañados. - **Especies comunes:** - *Bacillus spp.:* Formadores de esporas que sobreviven en condiciones adversas. - *Pseudomonas spp.:* Asociadas con granos húmedos. - *Lactobacillus spp.:* Pueden proliferar en granos almacenados en condiciones anaerobias. - **Impactos:** - Fermentación no deseada, generación de olores y pérdida de calidad. - Contaminación cruzada con patógenos en el procesamiento. **Levaduras** - Se desarrollan en granos con alta actividad de agua (humedad elevada). - **Impactos:** - Fermentación y producción de compuestos volátiles no deseados. - Deterioro de productos derivados del grano. - La HR del entorno debe mantenerse baja (\ - El nivel seguro es menor al 13% para la mayoría de los granos. - Si el contenido de agua supera este límite, se incrementa la actividad de agua (*Aw*), facilitando la proliferación de microorganismos como *Aspergillus* y *Penicillium*. - La temperatura influye directamente en la tasa de deterioro y el crecimiento microbiano. - **Altas temperaturas (\25 °C):** - Favorecen el desarrollo de hongos productores de micotoxinas como *Aspergillus flavus*. - Incrementan la actividad metabólica de insectos y microorganismos. - **Bajas temperaturas (\ - Los cambios bruscos de temperatura pueden provocar condensación dentro de los silos, generando puntos húmedos que favorecen el crecimiento microbiano. - El oxígeno es esencial para el desarrollo de hongos, insectos y la respiración del grano. - Reducir el nivel de oxígeno mediante atmósferas controladas puede limitar la actividad microbiana y de plagas. - Atmósferas con niveles elevados de CO₂ (\15%) inhiben el desarrollo de microorganismos y plagas. - Las atmósferas modificadas se utilizan como estrategia de preservación. - Aunque los granos almacenados generalmente no necesitan luz, su exposición puede contribuir al deterioro: - Promueve la fotosíntesis en algas microscópicas presentes en ambientes húmedos. - Incrementa la temperatura en almacenes mal ventilados, lo que puede provocar condensación