Microorganismos - Nutricion, Crecimiento, Metabolismo y Antibioticos

requieren que los compuestos estén presentes en los
NUTRICION, CRECIMIENTO
MICROBIANO Y FISIÓN
BINARIA
N
medios, por lo tanto, resulta necesario proveerles los
factores de crecimiento que requieren para multiplicarse.
Existen tres tipos de fuentes nutricionales:
 Nutrientes exógenos: son obtenidos del medio donde
utrición es el proceso mediante el cual los
microorganismos toman del medio donde habitan
sustancias químicas ya sean orgánicas o inorgánicas que
necesitan para su desarrollo o su crecimiento o
proliferación.
Los organismos diferentes necesitan nutrientes diferentes,
y no todos los nutrientes se necesitan en las mismas
cantidades. Algunos, llamados macronutrientes, son
necesarios
en
gran
cantidad,
y
otros,
llamados
micronutrientes, solamente en cantidades traza.
Los macronutrientes se requieren en grandes cantidades, y
son el hidrógeno (H), oxígeno (O), carbono (C), nitrógeno
(N), fósforo (P), azufre (S) y selenio (Se). Con estos
elementos se forman los compuestos orgánicos. Solo este
pequeño grupo de elementos domina los sistemas vivos y
son esenciales. Además, de estos hay al menos otros
cincuenta elementos que, aunque no son necesarios para
los
organismos,
son
metabolizados
por
los
microorganismos.
Los micronutrientes reciben el nombre de elementos traza
o metales traza. Los elementos traza suelen actuar como
cofactores de las enzimas. Se requieren en pequeñas
cantidades. El principal de estos metales es el hierro (Fe),
habitan.
 Nutrientes endógenos:
son
producidos
por
los
microorganismos.
 Nutrientes productos de relaciones inter bacterianas:
son obtenidos a partir de microorganismos que
coexisten en un hábitat o en un mismo microorganismo,
y son utilizados por otro microorganismo que carecen de
la capacidad de sintetizar este componente.
Se conocen 4 factores que afectan al crecimiento
bacteriano, y estos son:
1) Temperatura: Los microorganismos no controlan su
temperatura, deben adaptarse a la temperatura ambiental,
cada especie tiene un rango de crecimiento. Para cada
microorganismo existe una temperatura mínima por debajo
de la cual no es posible el crecimiento (fluidez de la
membrana), una temperatura óptima a la que el
crecimiento es más rápido, y una temperatura máxima por
encima de la cual tampoco es posible el crecimiento
(desnaturalización de proteínas). Estas tres temperaturas,
llamadas temperaturas cardinales, son características para
cada microorganismo y pueden diferir enormemente entre
especies.
que tiene una función muy importante en la respiración
celular. El hierro es un componente fundamental de los
citocromos y de las proteínas de hierro y azufre que actúan
en las reacciones de transporte de electrones. Además, los
factores de crecimiento son micronutrientes orgánicos, a
este grupo corresponden las vitaminas (biotina, niacita,
tiamina), las bases puricas y pirimidicas que se necesitan
para elaborar los ácidos nucleicos y los factores X (hemina)
y V (NAD) (ciertas bacterias necesitan la hemina que la
toman de la hemoglobina, algunas bacterias crecen mejor
en presencia de hemoglobina. El factor V es un
transportador de electrones necesario para las reacciones
metabólicas).
Clasificación de los microorganismos según la temperatura:
En relación a esto cuando hablamos de bacterias
en relación a su temperatura de crecimiento óptima
prototróficas nos referimos a las que son capaces de
tenemos a los psicrófilos, con temperatura óptima baja;
sintetizar ciertos compuestos lo que permite que crezcan en
mesófilos, con temperatura óptima moderada; termófilos,
medios mínimos; y las bacterias auxotrófica, en cambio,
con temperatura óptima alta, e hipertermófilos, con
temperatura óptima muy alta.
1
2) pH: Cada microorganismo tiene un intervalo de pH,
Para sobrevivir en ambientes de alto soluto, los organismos
normalmente de entre 2 y 3 unidades, dentro del cual es
producen o acumulan solutos compatibles para mantener la
posible el crecimiento. Cada organismo muestra un valor
célula en el balance de agua positivo. La glicina, la betaína,
óptimo bien definido de pH para el crecimiento. La mayoría
un análogo del aminoácido glicina muy soluble, está
de los ambientes naturales tienen un pH de entre 3 y 9, y los
ampliamente distribuida entre las bacterias halófilas. Otros
organismos con pH óptimos de crecimiento en este intervalo
solutos compatibles habituales son azúcares como la
son los más habituales. Un factor fundamental para el
sacarosa y la trehalosa, el propionato de dimetilsulfonio,
carácter acidófilo es la estabilidad de la membrana
producido por algas marinas, y el glicerol, un soluto habitual
citoplasmática. Cuando el pH sube hasta valores neutros, la
de los hongos xerófilos, organismos que crecen a la menor
membrana citoplasmática de las bacterias muy acidófilas se
actividad de agua conocida. Algunos microorganismos
destruye y las células se lisan.
crecen mejor a potencial de agua reducido y algunos incluso
3) Osmolaridad: Para vivir bien en ambientes con muchos
solutos, los organismos tienen que hacer algunos ajustes
fisiológicos. La disponibilidad de agua se expresa en
términos de actividad de agua o actividad acuosa (aw), que
es la relación entre la presión de vapor de aire en equilibrio
con una sustancia o una solución y la presión de vapor del
agua pura. Los valores de aw varían de 0 a 1. El agua se
difunde desde regiones con alta concentración de agua (baja
concentración de solutos) a regiones con baja concentración
de agua (alta concentración de solutos): osmosis. El
citoplasma de una célula tiene, mayor concentración de
solutos que el ambiente, de manera que la tendencia es que
el agua se difunda hacia el interior. En estas condiciones la
célula tiene un balance de agua positivo, que es su estado
normal. Cuando una célula se encuentra en un medio en el
que la concentración de solutos supera la del citoplasma, el
agua saldrá hacia el medio. Si la célula no tiene una
estrategia para evitarlo, se deshidratará y será incapaz de
crecer.
requieren alta niveles de sales para el crecimiento.
4) Oxígeno: El oxígeno molecular (O2) no es tóxico, pero se
puede convertir en subproductos tóxicos, que dañan o
matan las células que no son capaces de contrarrestar su
efecto. Estos productos tóxicos del oxígeno son el anión
superóxido (O2 − ), el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el
radical hidroxilo (OH·). Todos ellos son subproductos de la
reducción que convierte el O2 en H2O en la respiración.
Independientemente de si puede respirar oxígeno, un
organismo expuesto a él entrará en contacto con formas
tóxicas de este elemento, y si no las destruye, estas
moléculas causarán estragos en las células, por lo tanto, un
requisito fundamental para habitar en un mundo óxico es
mantener bajo control las moléculas tóxicas de oxígeno.
Los aerobios y los aerobios facultativos normalmente
cuentan tanto con superóxido-dismutasas como con
catalasas. La superóxido-dismutasa es una enzima esencial
para los aerobios. Algunos anaerobios aerotolerantes
carecen de ella y en lugar usan complejos de manganeso no
proteínicos para llevar a cabo la dismutación de O2 − a H2O
Si bien los halófilos necesitan al menos un poco de NaCl para
y O2. Algunas arqueas y bacterias anaerobias estrictas no
crecer, la concentración óptima de NaCl observada varía con
tienen superóxidodismutasa y en su lugar es la enzima
el organismo y depende del hábitat. Los microorganismos
superóxidoreductasa la que elimina el superóxido. A
marinos crecen mejor con NaCl entre el 1 % y el 4 %. Los
diferencia de la superóxidodismutasa, la superóxido-
organismos de ambientes hipersalinos (ambientes con más
reductasa reduce el O2 − a H2O sin producción de O2, y evita
sal que el agua de mar), entre el 3 % y el 12 %. Los halófilos
así la exposición del organismo al oxígeno.
capaces de crecer en ambientes muy salinos reciben el
C
nombre de halófilos extremos requieren concentraciones
muy altas de NaCl, normalmente entre el 15 % y el 30 %,
para tener un crecimiento óptimo, y a menudo son
incapaces de crecer a concentraciones de NaCl más bajas.
Los organismos que pueden vivir en ambientes muy secos se
llaman xerófilos. Los organismos capaces de vivir en
ambientes con alta concentración de azúcares se llaman
osmófilos.
iclo celular es un conjunto ordenado de sucesos que
conducen al crecimiento de la célula y la división en dos
células hijas. El crecimiento es el aumento en el número de
células. Las células microbianas tienen un período de vida
limitado, y una especie se mantiene solo a resultas del
crecimiento continuado de su población. A medida que las
macromoléculas se acumulan en el citoplasma de una
célula, se ensamblan para formar las principales estructuras
2
celulares
como
la
pared
celular,
la
membrana
trata de una división desigual que implica la formación de
citoplasmática, los flagelos, los ribosomas, los complejos
yemas sobre el individuo que procrea; una vez desarrollados
enzimáticos, etcétera, lo que al final lleva al proceso de
se originará un nuevo ser que podrá separarse del
división celular. Para llegar a este resultado deben llevarse a
organismo. Se produce constricción, pero no se forma el
cabo 3 pasos importantes en la célula:
septo.
1) Replicación del DNA. Replicación semiconservativa, se
origina en OriC, dos horquillas dando las burbujas de
replicación en forma de letra griega, una se replica en forma
continua y la otra discontinua. La replicación de los genomas
circulares es bidireccional desde el origen de replicación.
Recordamos que el genoma es circular, la replicación es
bidireccional y esto le da rapidez a la replicación. En total en
Proteínas requeridas para la formación del septo y división
bacterias lleva 40 min. E. coli, en cambio, puede dividirse
celular:
cada 20 min en condiciones òptimas. Las células de E. coli
Fts son proteínas filamentosas sensibles a temperatura.
que se duplican en menos de 40 min contienen múltiples
Las FtsZ interaccionan en la célula para formar un aparato
horquillas de replicación del DNA, antes de que termine una
de división llamado divisoma. Esté dirige la síntesis de nuevo
ronda de replicación del DNA ya está empezando una ronda
material de la membrana y la pared celular, para ir formando
nueva de manera que algunos genes están presentes en más
un septo de división en el centro de la célula, hasta que este
de una copia.
alcanza el doble de su longitud original. Entonces, la célula
2) Los cromosomas hermanos viajan hacia los polos -
elongada se divide y da lugar a dos células hijas. ZipA es un
proteínas par- partición y condensación de cromosomas.
anclaje que conecta el anillo FtsZ con la membrana
3) La formación del septo o tabique en este paso se forma
citoplasmática y lo estabiliza.
un tabique que divide la célula en dos células hijas. Este
emparentada con la actina, contribuye a conectar el anillo
proceso recibe el nombre de fisión binaria («binaria» alude
FtsZ con la membrana citoplasmática e incorpora otras
a la formación de dos células a partir de una). El tabique que
proteínas del divisoma. El divisoma se forma hacia la última
se forma se llama septo y es el resultado del crecimiento
cuarta parte del ciclo de división celular.
FtsA, una proteína
hacia dentro de la membrana citoplasmática y la pared
celular desde posiciones opuestas; la formación del septo
continúa hasta que las dos células hijas se separan. Este es
el esquema general de la fisión binaria, pero hay algunas
variaciones: en algunas bacterias, como Bacillus subtilis, se
forma un septo sin constricción de la pared celular, mientras
que en Caulobacter, bacteria que se reproduce por
gemación, se produce constricción, pero no se forma el
septo. En cualquier caso, siempre que una célula se divide
para formar dos células hijas, decimos que ha habido una
generación, y el tiempo necesario para este proceso se
llama tiempo de generación, y puede variar según las
condiciones de crecimiento. Este patrón de crecimiento de
población, en el que el número de células se duplica a
MreB, forma un citoesqueleto simple en las bacterias y en
intervalos constantes de tiempo, se llama crecimiento
unas pocas especies de Archaea. Forma una hélice de
exponencial.
filamentos alrededor del interior de la célula, justo por
La gemación es el proceso comienza cuando las células van
debajo de la membrana citoplasmática. Se supone define la
formando una protuberancia llamada yema o gema y el
forma de la célula mediante la incorporación de otras
núcleo se va direccionando hacia la protuberancia e
proteínas que actúan en el crecimiento de la pared celular
ingresando a la yema. En el particular caso la gemación se
agrupándose para seguir un patrón específico. La
3
inactivación del gen que codifica MreB en los bacilos hace
en los polos que en ningún otro lugar durante el ciclo de
que las células tengan forma de coco (redondas). Esto indica
oscilación, el centro de la célula tendrá, de promedio, la
que la morfología «por defecto» es una esfera. Las
menor concentración de estas proteínas. Por tanto, el
variaciones en la disposición de los filamentos de MreB, en
centro de la célula se convierte en el sitio más permisivo
las células de las bacterias no esféricas, origina las diferentes
para la unión de FtsZ, de manera que el anillo se forma justo
morfologías.
allí. En esta inusual serie de acontecimientos, las proteínas
Las estructuras helicoidales que forma MerB no son
estáticas, sino que pueden rotar en el interior del citoplasma
de una célula en crecimiento. El peptidoglicano recién
sintetizado se asocia con las hélices de MreB en puntos en
los que estas entran en contacto con la membrana
citoplasmática. Se piensa que MreB localiza la síntesis de
nueva pared celular en ubicaciones específicas. Esto permite
que se forme nueva pared celular en varios puntos de la
célula.
Min aseguran que el divisoma se forma solamente en el
centro de la célula y no en los polos.
3-
Activación
del
divisoma
para
la
síntesis
del
peptidoglicano y separación de las células hijas. A medida
que continúa la elongación celular y empieza la formación
del septo, se separan dos copias del cromosoma, y cada una
va hacia una célula hija. La proteína FtsK y algunas otras
participan en este proceso. A medida que la célula se
constriñe, el anillo FtsZ empieza a despolimerizarse y
desencadena el crecimiento hacia dentro de los materiales
El modelado de la dinámica de MreB sugiere que MreB
de la pared para formar el septo y separar las dos células
estaría funcionando en la estabilización localización y
hijas. La actividad enzimática de FtsZ también hidroliza
movimiento preciso del complejo de elongación del péptido
trifosfato de guanosina para liberar la energía necesaria
glicano.
para la polimerización y la despolimerización del anillo de
FtsZ.
Etapas de la citoquinesis:
1-Ensamblado
del
anillo
FtsZ
en
la
membrana
citoplasmática, regulado temporal y espacialmente. FtsZ se
concentra en la parte central para formar el anillo, es
anclada a la membrana por ZipA.
2- Formación del divisoma (agregado de proteínas
esenciales para la división). Las proteínas MinC, MinD y MinE
interaccionan para guiar a FtsZ hasta el punto medio. La
proteína MinD forma una estructura en espiral en la
superficie interna de la membrana citoplasmática y ayuda a
MinC a situarse en la membrana citoplasmática. La espiral
de MinD oscila a lo largo del eje de la célula en crecimiento
Alternativas a la fisión binaria. Son formas de reproducción
asexual alternativas a la típica fisión binaria, donde se
presentan mecanismos y formas más complejas las cuales
también son esenciales para su propagación.
e inhibe la división celular al impedir que se forme el anillo
Multiple descendencia por fisión multiple. En las
FtsZ. No obstante, simultáneamente MinE oscila también de
cianobacterias, el ciclo de vida comienza con un baeocito
polo a polo y, al hacerlo, aparta del centro a las proteínas
(células pequeñas). En el crecimiento vegetativo, la célula se
MinC y MinD. Como MinC y MinD permanecen más tiempo
expande y produce una matriz densa y extracelular, llamada
4
capa F. El DNA se replica y el nucleoide se agrega. La célula
Al graficar vemos que las bacterias muestran un patrón de
empieza su fase reproductiva donde suceden múltiples
crecimiento exponencial. Cuando se representa el número
fisiones produciendo cientos o decenas de baeocitos. La
de células en escala logarítmica (log 10) en función del
matriz celular se abre y libera los baeocitos. En Stanieria:
tiempo la pendiente pasa a ser una línea recta que refleja el
Nunca ocurre la fisión binaria, ocurre fisión multiple.
hecho de que las células crecen exponencialmente y la
Crecimiento filamentoso: de actinomicetos. Las células se
población se duplica a intervalos constantes.
alargan para dar un filamnete. Cuando el microorganismo
crece, se replica el DNA en muchas copias a lo largo del
filamento, lo que permite que existan genomas en las zonas
de crecimiento del filamento y al final ocurre la
fragmentación de los filamentos y la separación.
Biosíntesis del pepetidoglicano: En los cocos, el nuevo
material de pared crece en sentido opuesto desde el anillo
FtsZ, en los bacilos crece en diversos sitios a lo largo de la
célula. La síntesis del nuevo peptidoglicano durante el
crecimiento requiere el corte controlado del peptidoglicano
preexistente y la inserción simultánea de los precursores del
peptidoglicano.
El bactoprenol es un alcohol C55 hidrófobo que se une a un
N-acetilglucosamina/ácido (precursor del peptidoglicano).
Transporta los precursores del peptidoglicano a través de la
Existe una relación fija entre el número inicial de células de
membrana. Una vez en el periplasma, el bactoprenol
un cultivo y el número presente tras un período de
interacciona con transglicosilasas, enzimas que insertan los
crecimiento exponencial, y esta relación se puede expresar
precursores en el punto de crecimiento de la pared celular y
como:
catalizan
la
formación
del
enlace
glicosídico.
N=No. 2 n
Las autolisinas, actúan hidrolizando los enlaces que
N es el número de células finales. No es el número de células
conectan
N-
iniciales. n es el número de generaciones durante el período
el
de crecimiento exponencial.
la
acetilmurámico
N-acetilglucosamina
al
esqueleto,
y
hacen
el
ácido
cortes
en
peptidoglicano existente. El material nuevo se añade a la
El tiempo de generación (g) de la población con crecimiento
pared a través de esos cortes. La unión entre el
exponencial es t/n, donde t es la duración del crecimiento
peptidoglicano viejo y el nuevo, forma un cordoncillo en la
exponencial expresada en días, horas o minutos. Sabiendo
superficie celular de las bacterias grampositivas que se llama
el número inicial y final de células en una población de
banda de pared. Es imprescindible que la síntesis del
crecimiento exponencial, es posible calcular n, y a partir de
peptidoglicano sea un proceso coordinado de manera
n, sabiendo t, el tiempo de generación, g.
precisa, se debe impedir la formación de una brecha en el
Reemplazando N=No. 2 t/g.
punto de empalme, que podría causar la lisis espontánea de
Las ecuaciones exponenciales son muy difíciles de manejar
la célula, llamada autolisis.
gráficamente, por ello es mejor transformarlas en otras más
Practica
simples. Para transformar una ecuación exponencial en una
Velocidad de crecimiento de un cultivo microbiano. Si
hacemos el experimento en el laboratorio. El ejemplo de un
cultivo cuyo tiempo generacional es de 30 minutos
obtenemos los siguientes datos:
recta, tomamos logaritmos en los dos términos y resulta:
lnN-lnNo = (t/g) x ln2. En un crecimiento equilibrado, todos
los parámetros de crecimiento (número de células, biomasa
de
cultivo,
acumulación
de
metabolitos primarios,
proteínas, ácidos nucléicos etc), evolucionan en paralelo.
5
Por tanto, en la ecuación anterior N puede representar
Crecimiento diauxico (diauxie). El crecimiento diaúxico es un
cualquiera de estos factores.
tipo crecimiento microbiano bifásico, tiene lugar cuando
El tiempo de generación (g) también se puede calcular
una bacteria crece en un medio con dos fuentes de carbono,
directamente a partir de la pendiente de la función lineal
una de las cuales se usa con preferencia frente a la otra. Este
obtenida en una representación semi-logarítmica del
crecimiento es consecuencia de la represión metabólica
crecimiento exponencial.
(mecanismos de regulación de la expresión génica). Ocurre
Durante el crecimiento exponencial, el aumento del número
porque la bacteria crece primero a expensas de la fuente de
de células es inicialmente bastante lento, pero aumenta a
carbono preferida, cuando la agota entra en fase
una velocidad cada vez mayor. En las últimas etapas del
estacionaria hasta que sintetiza enzimas para utilizar otra
crecimiento exponencial, esto provoca un aumento
fuente de carbono y retoma el crecimiento exponencial, si
explosivo del número de células.
bien con una pendiente más suave. Da lugar a una curva de
Curva de crecimiento. Es la representación gráfica del
crecimiento con dos fases exponenciales separadas por una
logaritmo del número de células en función de tiempo. La
fase estacionaria corta.
curva teórica sería una recta si los microorganismos estarían
Respuestas bacterianas ante baja disponibilidad de
creciendo constantemente pero en la práctica la curva
nutrientes. La falta de nutrientes provoca que las bacterias
presenta distintas fases:
se estanquen en la fase estacionaria mientras que las Gram
1) Fase de latencia (lag): Período de adaptación a las nuevas
positivas inducen la formación de esporas. La formación de
condiciones ambientales en un nuevo medio de cultivo.
esporas permite la sobrevida frente largos periodos de
2) Fase exponencial o logarítmica (log): La población se
hambruna y fuertes resistencias a múltiples-stress.
incrementa de modo regular, duplicándose a intervalos
MEDIDAS DEL CRECIMIENTO MICROBIANO
regulares de tiempo. Se considera que son fisiológicamente
iguales y el tiempo de generación es constante. La población
aumenta en proporción a los componentes celulares. La
velocidad de crecimiento exponencial varía mucho, y
depende de las condiciones ambientales (temperatura,
composición del medio de cultivo), así como de las
El crecimiento de la población se mide a partir de los
cambios en el número de células o en la concentración de
algún componente celular como estimación del número de
células. Estos componentes pueden ser proteínas, ácidos
nucleicos o el propio peso seco de las células.
características genéticas del propio organismo.
Recuento en cámara por microscopía. El método más
3) Fase estacionaria: Hay una merma del crecimiento
habitual es el recuento celular microscópico. Se pueden
poblacional por agotamiento de nutrientes y acumulación
hacer recuentos microscópicos en muestras secas sobre
de productos tóxicos.
portaobjetos o en muestras líquidas. Las muestras secas se
4) Fase de muerte de muerte: Pérdida de viabilidad, lisis
celular. Se debe al agotamiento de reservas de energía.
6
pueden teñir para aumentar el contraste entre las células y
suspensión celular y mide la luz no dispersada que emerge.
el entorno). Con las muestras líquidas, se usan cámaras de
Un espectrofotómetro utiliza un prisma o una rejilla de
recuento que consisten en una rejilla con cuadrados de área
difracción para generar luz incidente de una longitud de
conocida grabados en la superficie de un portaobjetos de
onda específica. Las longitudes de onda utilizadas
cristal. Cuando el cubreobjetos se coloca sobre la cámara,
normalmente
cada cuadrado de la rejilla tiene un volumen exacto medido.
bacterianas incluyen 480 nm (azul), 540 nm (verde), 600 nm
Se puede contar al microscopio el número de células por
(naranja) y 660 nm (rojo). La sensibilidad es mejor a
unidad de área de la rejilla, y se obtiene una medida del
longitudes de onda más cortas, pero las mediciones de
número de células por volumen de la cámara. El número de
suspensiones celulares densas son más precisas a longitudes
células por mililitro se calcula mediante un factor de
más grandes. La unidad de turbidez es la densidad óptica
conversión basado en el volumen de la muestra de la
(DO) a la longitud de onda especificada, por ejemplo, DO540
cámara.
para mediciones a 540 nm.
Citómetro. Las células de las muestras líquidas también se
pueden contar con un citómetro de flujo, que es una
máquina que utiliza un haz de láser y una electrónica
compleja para contar células individuales. La citometría de
flujo no se suele utilizar para el recuento rutinario de células
E
para
las
mediciones
turbidimétricas
METABOLISMO MICROBIANO
l metabolismo es un conjunto de reacciones químicas
que se dan en un organismo, catalizadas por un sistema
enzimático cuya finalidad es el intercambio de materia y
microbianas, pero tiene aplicaciones en el campo de la
energía entre la célula y el entorno. Son todas las reacciones
medicina para contar y diferenciar células sanguíneas y
que ocurren en la célula. Las finalidades de este proceso son:
otros tipos de células en las muestras clínicas. También se
 Obtener energía química del entorno, almacenarla, para
ha utilizado en ecología microbiana para separar diferentes
tipos de células con fines de aislamiento
utilizar luego en diferentes funciones celulares.
 Convertir
los
nutrientes
exógenos
en
unidades
Turbidimetría. Durante el crecimiento exponencial, todos
precursoras de los componentes macromoleculares de
los componentes celulares aumentan en proporción al
las células microbianas: Vías Metabólicas Centrales.
aumento del número de células. Uno de estos componentes
 Formar y degradar moléculas necesarias para funciones
es la propia masa celular. Las células dispersan la luz, y un
celulares específicas, por ejemplo, movilidad y captación
método rápido y práctico de estimación de la masa celular
de nutrientes.
es la medición de la turbidez. Una suspensión de células
Las aplicaciones del conocimiento del metabolismo
tiene un aspecto nebuloso (túrbido) a la vista porque las
microbiano son clasificación de aislamientos microbianos,
células dispersan la luz que pasa a través de la suspensión.
intervenciones terapéuticas (β-lactámicos), en cuanto a la
Cuantas más células hay, más se dispersa la luz y más túrbida
ecología, se pueden predecir las rutas metabólicas así como
es la suspensión. Como la masa celular es proporcional al
de phyla presentes en un determinado ecosistema a partir
número de células, se puede usar la turbidez para estimarlo
de datos de secuenciación de genes y genomas; también se
y es una técnica muy utilizada en microbiología.
puede aplicar al aislamiento y mejoramiento de cepas
La turbidez se mide con un espectrofotómetro, un
microbianas para la producción de productos de interés
instrumento que hace pasar la luz a través de una
biomédico o biotecnológico (antibióticos, biofármacos,
7
aminoácidos,
alcoholes,
biocombustibles,
polímeros
hacerlo en ausencia de oxígeno: anaerobios. Otros pueden
biodegradables, etc.), y para el aislamiento y mejoramiento
degradar los compuestos orgánicos tanto en presencia
de cepas microbianas para la degradación de xenobióticos.
como en ausencia de oxígeno: aerobios facultativos.
La clasificación del metabolismo según su fuente de energía.
Los organismos que obtienen su energía a partir de
compuestos químicos se llaman quimiótrofos, y los que
utilizan compuestos orgánicos son quimioorganótrofo. La
energía se obtiene por la oxidación del compuesto químicos.
La energía obtenida es atrapada por la célula en los enlaces
de alta energía del compuesto trifosfato de adenosina (ATP).
Bioenergética. La energía se define como la capacidad para
Normalmente, los grupos de quimiolitótrofos relacionados
realizar trabajo. En microbiología, las transformaciones
entre sí se especializan en la oxidación de un grupo de
energéticas se miden en kilojulios (kJ). Todas las reacciones
compuestos inorgánicos que también están relacionados;
químicas que tienen lugar en una célula van acompañadas
así, tenemos las bacterias «del azufre», las bacterias «del
de cambios en la energía, es necesaria para que ocurra la
hierro»,
etcétera. Los
reacción, o es liberada. La energía libre (G), que es la energía
quimiolitótrofos: no compiten con los quimioorganotrofos
disponible para realizar trabajo. El cambio en la energía libre
sino que a veces usan desechos de los quimioorganotrofos
durante una reacción se expresa como ΔG0I , donde el
(ej: H2, H2S). Los microorganismos fotótrofos contienen
símbolo se lee como «incremento». Los superíndices «0» y
pigmentos que les permiten convertir la energía lumínica en
«prima» indican que el valor de la energía libre se refiere a
energía química.
condiciones estándar. Si ΔG0I para esta reacción es negativo,
• Autótrofos: fijan CO2 , a través del Ciclo de Calvin o
la reacción procederá con liberación de energía libre,
Inversión del Ciclo del ácido Cítrico u otras. Necesitan ATP
energía que la célula puede conservar como ATP. Estas
o poder reductor (NADH o NADPH). Ejemplo: mayoría
reacciones que producen energía se llaman exergónicas. Si
fotótrofos y muchos quimiolitótrofos.
ΔG0I es positivo, la reacción requiere energía para llevarse a
las
bacterias
«nitrificantes»,
• Heterótrofos: compuestos orgánicos. Ejemplos: todos los
quimioorganotrofos (la mayoría de las bacterias).
cabo. Estas reacciones se llaman endergónicas. El cambio de
energía libre que se produce en las condiciones reales en las
que está creciendo el organismo. La ecuación para G tiene
en cuenta la concentración real de reactivos y productos del
hábitat del organismo, y es ΔG = ΔG0 ′ + RT ln K, donde R y T
son constantes físicas y K es la constante de equilibrio de la
reacción.
Enzimas, coenzimas y grupos prostéticos. Los enzimas son
catalizadores biológicos que sólo modifican la velocidad a la
que se produce la reacción. Muchas enzimas contienen
moléculas pequeñas no proteicas que participan en la
catálisis pero no son sustratos en sí mismas. Según la forma
de asociarse con la enzima: grupos prostéticos y coenzimas.
Los grupos prostéticos se unen con fuerza a sus enzimas,
normalmente de manera covalente y permanentemente. Ej:
el grupo hemo presente en citocromos, como el citocromo
c. Las coenzimas, en cambio, se unen de manera laxa a las
enzimas, y una sola coenzima se puede asociar con varias
La clasificación de los microorganismos metabolismo según
si utilizan o no oxígeno. Algunos microorganismos pueden
obtener energía de un compuesto orgánico solo en
presencia de oxígeno: aerobios. Otros solamente pueden
enzimas diferentes. Ej: NAD+, un derivado de la vitamina
niacina.
Fuente de energía. En las reacciones de este tipo, llamamos
a la sustancia oxidada (en este caso el H2) donador de
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electrones, y a la sustancia reducida (en este caso el O2)
energía porque su energía libre de hidrólisis es solo la mitad
aceptor de electrones. A los donadores de electrones
de la del ADP o el ATP.
también se les llama habitualmente fuentes de energía. Las
Diversidad catabólica. La fermentación y la respiración son
sustancias difieren en su tendencia inherente a donar o
dos de las principales estrategias para la conservación de la
aceptar electrones. Esta tendencia se expresa como su
energía de los quimioorganótrofos. La fermentación es una
potencial de reducción (E0′, en condiciones estándar) y se
forma de catabolismo anaerobio en el que un compuesto
mide en voltios (V) tomando como referencia el de una
orgánico es a la vez donador y aceptor de electrones. La
sustancia estándar, el H2. El dador de electrones (reductor,
respiración es la forma de catabolismo aerobio o anaerobio
E0 ′ más negativo), es tan importante como el aceptor
en el que un donador de electrones es oxidado por el O2 o
(oxidante, E0 ′ más positivo). Sin uno de ellos, la reacción
un sustituto del O2 como aceptor terminal de electrones. La
REDOX no puede ocurrir. A mayor diferencia de potencial,
respiración genera mucho más ATP que la fermentación. Los
mayor será la energía libre generada. El donador de e- es la
aceptores de electrones en la respiración anaeróbica son el
fuente de E, ya que en la reacción de donación de e- se libera
nitrato, el hierro férrico, el sulfato, el carbonato, algunos
energía. Cuanto mayor es la diferencia de potencial de
compuestos orgánicos como el fumarato, producto
reducción entre el donador y el aceptor de electrones, más
intermedio del ciclo del ácido cítrico. Los metabolismos
energía libre se libera.
quimiolitótrofos son típicamente aerobios y empiezan con
la oxidación del donador de electrones inorgánico por parte
de una cadena de transporte de electrones. Esto genera una
fuerza
protonmotriz.
Los
quimioorganótrofos
son
heterótrofos, de manera que usan compuestos orgánicos
(glucosa, acetato y similares) como fuente de carbono; los
quimiolitótrofos, en cambio, usan dióxido de carbono (CO2),
Transportadores de electrones y el ciclo de NAD/NADH. El
NAD+/NADH es un transportador de electrones y protones,
ya que transporta 2 e− y 2 H+ al mismo empo. El potencial
de reducción del par NAD+/NADH es de −0,32 V, lo que lo
sitúa bastante arriba en la escala redox; es decir, el NADH es
un buen donador de electrones, y el NAD+ un aceptor
bastante débil. Las coenzimas como NAD+/NADH aumentan
la diversidad de las reacciones redox posibles en una célula
al actuar como intermediarios en la interacción de
donadores y aceptores de electrones químicamente
diferentes. El NADP+ es una coenzima redox relacionada en
la que se ha añadido un grupo fosfato al NAD+. El par
NADP+/NADPH participa en reacciones redox diferentes de
las que utilizan NAD+/NADH, sobre todo en reacciones
anabólicas (biosintéticas).
Compuestos de alta energía. El más importante en las
células es el trifosfato de adenosina (ATP). El ATP es la
principal moneda energética de todas las células se genera
de modo que son autótrofos. En el metabolismo fotótrofo
se sintetiza ATP a partir de la actividad de la ATPasa durante
la fotofosforilación, el análogo luminoso de la fosforilación
oxidativa. Ya sea que los electrones provengan de la
oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos o de
procesos luminosos, en todas las formas de respiración y
fotosíntesis la conservación de la energía está unida al
establecimiento de una fmp y su disipación por la ATPasa
para formar ATP.
Pasos secuenciales que deben seguir los nutrientes
exógenos (la materia prima). 1) Transporte hacia el interior
celular, 2) Catabolismo, a través de las vías metabólicas
centrales para la formación de los precursores, la utilización
de la fuerza motora para la producción de ATP o de poder
reductor almacenado en forma de NADH y NADPH, 3)
Reacciones anabólicas como: a-Biosíntesis, b-Polimerización
y c-Ensamblado.
Vías metabólicas centrales
en las reacciones exergónicas y se consume en las
En los microorganismos existe una gran diversidad
endergónicas. En la estructura del ATP se ve que solamente
metabólica, se utilizará de modelo la bacteria E. coli que
dos de los enlaces fosfato (ATP S ADP + Pi y ADP S AMP + Pi)
habita en el intestino. Esta bacteria puede ingerir glucosa y
son fosfoanhídridos y, por tanto, tienen energías de
producir reacciones de mantenimiento para obtener ATP,
hidrólisis de más de −30 kJ. En cambio, el AMP no es de alta
12 metabolitos precursores y poder reductor. A partir de
9
estos tres productos se obtienen todas las unidades
directamente a partir de productos intermedios de alta
estructurales
azucares,
energía durante las etapas del catabolismo del sustrato
aminoácidos y nucleótidos. A partir de acá se obtiene
fermentable. Por otra parte, durante la fosforilación
macromoléculas
oxidativa, que se produce en la respiración, el ATP se
como
son
como
ácidos
lípidos,
grasos,
lipopoli-sacaridos,
glucógeno, peptidoglucano, proteínas, ARN, ADN, entre
otras; y a partir de acá se van a obtener todas las estructuras
celulares importantes (inclusiones, pared, flagelos fimbrias,
citosol, polirribosomas y nucleoide).
En las reacciones de mantenimiento existen 3 vías
metabólicas centrales que proveen los precursores para
todas las otras vías metabólicas, estas son: EmbdenMeyerhof-Parnad (EMP-glicolisis), Pentosas fosfato (PPP) y
Entner Doudoroff (ED). Las tres vías convierten glucosa en
gliceraldehído-3P,
aunque
por
rutas
diferentes.
El
gliceraldehído-3P se oxida a piruvato por las mismas
sintetiza a expensas de la fuerza protonmotriz.
Glucosa + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi –- 2 piruvato + 2 NADH + 2
ATP
La via Entner-Doudoroff (ED) se encuentra ausente en
eucariotas, pero es común en bacterias aeróbicas Gram
negativas, en bacterias que carecen de fosfofructoquinasa o
fructosa bisfosfato aldolasa, en bacterias con alto
crecimiento de ácidos aldónicos. No suele encontrarse en
bacterias aneróbicas. El rendimiento energético menor que
la EMP.
reacciones en las tres vías. La glucolisis es más eficaz en la
Glucosa + NAD + ADP + Pi + NADP –- 2 piruvato + NADH +
obtención de energía, se obtienen 2 ATP por cada glucosa
ATP + NADPH
metabolizada mientras que por Ender Doudoroff se obtiene
solo una.
Las pentosas se sintetizan a partir de hexosas, y la ruta
principal para este proceso es la ruta de la pentosa fosfato.
La glicolisis es una ruta prácticamente universal para el
En esta ruta, la glucosa se oxida a CO2, NADPH y el producto
catabolismo de la glucosa , que degrada la glucosa a
intermedio clave, ribulosa-5-fosfato; a partir de este último
piruvato. La glicólisis (o glucólisis) se llama también ruta de
compuesto se forman varios derivados de la pentosa.
Embden-Meyerhof-Parnas
principales
Cuando se usan pentosas como donadores de electrones,
descubridores. Tanto en la respiración como en la
entran directamente en la ruta de los fosfatos de pentosa,
fermentación, la glucosa viaja por esta ruta. En la
normalmente fosforilándose para formar fosfato de ribosa o
fermentación, el ATP se sintetiza mediante una fosforilación
un compuesto relacionado antes de ser catabolizados.
a nivel de sustrato. En este proceso, el ATP se sintetiza
Además de su importancia en el metabolismo de las
por
sus
10
pentosas, mediante la ruta de la pentosa fosfato también se
seguir funcionando si en cada vuelta del ciclo se regenera
producen en la célula muchos azúcares importantes que no
oxalacetato; cualquier extracción de oxalacetato (o de
son pentosas, incluyendo azúcares de C4 a C7. Estos
cualquier otro producto intermedio del ciclo) para
azúcares pueden convertirse finalmente en hexosas para
biosíntesis impedirían terminar el ciclo. Por tanto, cuando se
fines catabólicos o para biosíntesis. Un aspecto final
usa acetato como donador de electrones, se utiliza una
importante de la ruta de la pentosa fosfato es que genera
variante del ciclo del ácido cítrico llamada ciclo del glioxilato,
NADPH, una coenzima que se usa en muchos procesos
que recibe este nombre porque el glioxilato, un compuesto
reductores de biosíntesis, en particular como reductor para
C2, es un producto intermedio fundamental. El ciclo del
la producción de desoxirribonucleótidos. Aunque muchas
glioxilato está formado por la mayoría de las reacciones del
células tienen un mecanismo de intercambio para convertir
ciclo del ácido cítrico más dos enzimas adicionales: la
NADH en NADPH, la ruta de la pentosa fosfato es el medio
isocitrato-liasa, que escinde el isocitrato en succinato y
principal de síntesis directa de esta importante coenzima.
glioxilato, y la malato-sintasa, que convierte el glioxilato y la
acetil-CoA en malato. La escisión de isocitrato da succinato,
Destinos del piruvato
que se puede usar en biosíntesis, y glioxilato, que se
Oxidación del piruvato a Acetil-CoA.
combina con acetil-CoA (C2) para dar malato (C4). A partir
1.
Aerobiosis: Piruvato Deshidrogenasa
2.
Anaerobiosis:
Piruvato
Ferredoxina
del malato se puede producir la molécula aceptora
oxido-
reductasa, y Piruvato formato liasa.
Formación de alcoholes o ácidos orgánicos.
Ciclo de Krebs es la ruta por la cual el piruvato es oxidado a
CO2. El ciclo de Krebs provee intermediarios para la
biosíntesis. En el ciclo del ácido cítrico, primero se
descarboxila el piruvato y se produce CO2, NADH y el
compuesto de alta energía acetil-CoA. A continuación, el
grupo acetilo de la acetil-CoA se combina con el oxalacetato,
de cuatro carbonos, para formar el ácido cítrico, de seis
carbonos. Siguen una serie de reacciones en las que se
forman otras dos moléculas de CO2, tres de NADH y una de
FADH. Por último, el oxalacetato es regenerado como
aceptor de acetilos y se completa el ciclo.
El cliclo de Kreb reductivo ocurre durante crecimiento
fermentativo. No hay actividad de la enzima α-cetoglutarato
deshidrogenasa. La enzima fumarato reductasa reemplaza a
la succinato deshidrogenasa. Disminuye la producción de
oxalacetato, que puede entrar en una nueva ronda de
oxidación de la acetil-CoA del ciclo del ácido cítrico. Los
compuestos de tres carbonos como el piruvato o los
compuestos que se convierten en piruvato (por ejemplo el
lactato o glúcidos) tampoco se pueden catabolizar solo a
través del ciclo del ácido cítrico. Pero en este caso el ciclo
del glioxilato es innecesario, porque cualquier escasez de
productos intermedios del ciclo del ácido cítrico se corrige
sintetizando oxalacetato a partir de piruvato o de
fosfoenolpiruvato por adición de CO2 mediante las enzimas
piruvato-carboxilasa
o
fosfoenolpiruvato-carboxilasa,
respectivamente.
2 Acetil-CoA + NAD –- succinato + 2 CoA + NADH + H+
VÍAS METABÓLICAS DE LOS ORGANISMOS
QUIMIOORGANOTROFOS
Los organismos quimioorganotrofos obtienen la energía de
las reacciones químicas, los compuestos orgánicos actúan
como donadores de energía.
NADH y FADH2. Sigue produciéndose oxalacetato, succinil-
Si realizan respiración aeróbica el aceptor final de electrones
CoA y α-cetoglutarato, necesarios para la biosíntesis de
es el O2 y se libera CO2. La bomba de protones produce ATP
aminoácidos y otros compuestos.
por fosforilación oxidativa. En cambio, en la respiración
El citrato, el malato, el fumarato y el succinato son
productos naturales comunes, y los organismos que usan
estos compuestos C4 o C6 como fuentes de energía utilizan
el ciclo del ácido cítrico para su catabolismo. En cambio, los
compuestos de dos carbonos como el acetato no pueden
utilizarse como sustratos para el crecimiento solo mediante
el ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico solo puede
anaeróbica algunos de los aceptores de electrones son los
nitratos, el hierro férrico, los sulfatos, carbonatos, y
compuestos orgánicos, que aceptan electrones y liberan
CO2. La bomba de protones produce ATP por fosforilación
oxidativa. En la fermentación la síntesis de ATP es menor, y
se produce a nivel de sustrato en lugar de bomba de
protones. Este proceso ocurre en ausencia de oxígeno y de
11
aceptores de electrones apropiados. El ATP se forma sur
protones extruídos reingresan por la ATP sintasa y se
ante los pasos de catabolismo de un compuesto orgánico.
produce la síntesis de ATP.
En la RESPIRACIÓN, el NADH se oxida usando un aceptor de
electrones EXTERNO. En la FERMENTACIÓN, el NADH se
oxida usando un aceptor de electrones INTERNO.
- Bombas de protones: traslocación vectorial de H+.
- Loop Q: traslocación escalar de H+ Los electrones retornan
a la superficie de la membrana interna donde la quinona es
reducida, tomando dos protones del citoplasma. La quinona
RESPIRACIÓN
reducida difunde hacia la superficie externa de la
Uno de los objetivos de la respiración es convertir a los
membrana, donde es oxidada, liberando dos protones hacia
precursores metabólicos en energía. Los donadores de
el exterior.
electrones tienen un poder reductor negativo, es decir son
electro-negativos, y tienen tendencia a perder electrones.
Mientras que el oxígeno tiene un potencial redox positivo, y
tiene tendencia aceptar electrones, y convertirse en agua.
La diferencia de potecial redox entre las parejas que aceptan
y cede electrones es proporcional a la energia que se genera
en la transferencia, en este caso, la diferencia es importante,
y se libera gran cantidad de energía. Los transportadores de
la cadena de transporte están dispuestos en la membrana
en orden creciente positivo del potencial de reducción, y el
transportador final de la cadena dona los electrones y los
protones a un aceptor terminal de electrones como el O2.
Durante el transporte de electrones se liberan iones H+ a la
superficie externa de la membrana. Estos H+ proceden de
dos fuentes: (1) NADPH y (2) la disociación de H2O en H+ y
OH− en el citoplasma. La liberación de H+ al medio externo
provoca la acumulación de OH− en el interior de la
membrana. No obstante, a pesar de su pequeño tamaño, ni
H+ ni OH− pueden difundirse a través de la membrana,
porque están cargados y muy polarizados (Sección 2.8).
Como resultado de la separación de H+ y OH− , las dos caras
de la membrana difieren tanto en carga como en pH; esto
La transcripción de los genes que codifican para nitrato
reductasa, fumarato reductasa y las otras reductasas está
reprimida en presencia de oxígeno En ausencia de oxígeno
pero presencia de nitrato, se induce la transcripción del gen
de la nitrato reductasa, pero los genes que codifican las
otras reductasas son reprimidos. Sólo en ausencia de O2 y
nitrato se expresa la fumarato reductasa. En ausencia de
aceptores de electrones externos E. coli obtiene ATP por
provoca un potencial electroquímico a través de la
fermentación.
membrana. Este potencial, junto con la diferencia de pH a
FERMENTACIÓN
través de la membrana, se llama fuerza protonmotriz (fpm)
y hace que la membrana esté activada, igual que una
batería. Parte de la energía potencial de la fpm se conserva
en la formación de ATP. No obstante, además de impulsar la
síntesis de ATP, la fpm también puede utilizarse para otras
formas de trabajo en la célula, como las reacciones de
transporte, la rotación de los flagelos y otras reacciones que
requieren energía.
Via en la cual el NADH (o algún otro aceptor reducido de
electrones) generado en reacciones de oxidación de la
misma, es reoxidado por metabolitos producidos en esa
ruta. Compuestos orgánicos sirven como dadores y
aceptores de electrones. La síntesis de ATP ocurre mediante
fosforilación a nivel sustrato, en lugar de bomba de H+ .
Sucede en ausencia de oxígeno y de aceptores de electrones
apropiados. El O2 no es muy soluble y los ambientes se
Lugares dentro de la cadena transportadora de electrones
hacen anóxicos fácilmente. Entonces, la descomposición de
en los cuales las reacciones redox están acopladas a la
materia orgánica ocurre anaeróbicamente. Si no existen
extrusión de protones, creando un gradiente protomotriz
suficientes aceptores de e- (O2 , SO4=, NO3 -, Fe+++), los
(Δp). Directamente ligado a la síntesis de ATP, ya que los
compuestos
orgánicos
serán
metabolizados
por
fermentación.
12
Las fermentaciones se clasifican por el sustrato que se
utiliza la piruvato-formiato liasa para obtener acetil-CoA en
fermenta o por los productos que se forman y, con raras
lugar de la piruvato deshidrogenasa.
excepciones, en todas se genera ATP mediante fosforilación
a nivel de sustrato. Glicolisis en fermentación, ocurre una
oxidación de NADH a NAD+, con la producción de productos
de fermentación. Se consideran productos de desecho en la
regeneración de NAD+ en ausencia de O2. Los productos de
fermentación
contienen
energía
(no
son
oxidados
completamente). Como consecuencia, la producción de ATP
• Fermentación butanodiólica Es una alternativa a la
fermentación ácido-mixta. Llevada a cabo por algunas
bacterias entéricas, anaerobias facultativas (Serratia,
Erwinia, Enterobacter y Klebsiella).
VÍAS METABÓLICAS DE LOS ORGANISMOS
QUIMIOLITROFOS
por fosforilación a nivel sustrato es menos eficiente que la
Los organismos que obtienen la energía de la oxidación de
fosforilación oxidativa.
• Fermentación láctica: ocurre en músculo animal cuando se
necesita más energia y hay poco O2, y en bacterias (en
yogur)
y
hongos.
Esta
puede
ser:
- Homofermentativo: producción única de ácido láctico a
partir de la fermentación de glucosa. Llevada a cabo por
bacteriaslácticas, anaerobias aerotolerantes.
los compuestos inorgánicos se llaman quimiolitótrofos. La
mayoría de las bacterias quimiolitótrofas son también
autótrofas. Como ya hemos apuntado con los fotótrofos,
para crecer con CO2 como única fuente de carbono, un
organismo necesita (1) ATP y (2) poder reductor. Algunos
quimiolitótrofos crecen como mixótrofos, lo que significa
que si bien pueden obtener energía de la oxidación de un
Glucosa + 2ADP + 2Pi –- 2 lactato + 2 ATP
compuesto inorgánico, necesitan compuestos orgánicos
- Heterofermentativo: producción de varios productos,
como fuente de carbono (es decir, que no son autótrofos).
como lactato, etanol, CO2 a partir de la fermentación de la
Los quimiolitótrofos pueden utilizar muchas fuentes
glucosa. Llevada a cabo por bacterias lácticas, anaerobias
naturales de donadores inorgánicos de electrones, tanto
aerotolerantes. Carecen de la enzima aldolasa. Producen
geológicas como biológicas y antropogénicas. El poder
sólo 1mol de ATP/glucosa. Producen CO2, fácilmente
reductor de los quimiolitótrofos se obtiene de dos maneras:
evidenciable en cultivos de laboratorio.
directamente del compuesto inorgánico (si tiene un
potencial de reducción suficientemente negativo, como el
Glucosa + ADP + Pi –- etanol + lactato + CO 2 + ATP
H2) o a partir de las reacciones de transporte inverso de
• Fermentación etanólica: importante en producción de
electrones, si el donador inorgánico de electrones es más
pan, cerveza y vino. Normalmente solo un producto es
electropositivo que el NADH. Como veremos, la mayoría de
deseable: en pan el alcohol se descarta, en el vino el CO2 se
los quimiolitótrofos necesitan el transporte inverso de
elimina. Zymomonas mobilis: una de las pocas bacterias
electrones, ya que sus donadores de electrones son
anaeróbicas que posee piruvato decarboxilasa. Usa via de
electroquímicamente negativos.
las pentosas para producir piruvato. Otras bacterias que no
poseen piruvato decarboxilasa pueden producir etanol
usando aldehido deshidrogenasa y alcohol deshidrogenasa.
• Fermentación ácido-mixta: Llevada a cabo por bacterias
entéricas,
anaerobias
Salmonella,
Shigella,
facultativas
patógenos,
(Escherichia
causan
coli,
infecciones
intestinales como disentería, fiebre tifoidea o intoxicación
alimentaria).
Produce
una
mezcla
de
compuestos:
succinato, lactato, acetato, etanol, formiato, CO2 e H2. El
ciclo de Krebs funciona en el modo reductivo porque el
organismo está en anaerobiosis. No hay actividad αcetoglutarato deshidrogenasa ni succinato deshidrogenasa,
esta última es reemplazada por la fumarato reductasa. Se
13
• Macrólidos.
ANTIBIOTICOS
Sustancia producida por el metabolismo de organismos
vivos,
a)
principalmente
Agentes
hongos
antimicrobianos
y
para
bacterias.
uso
externo:
• Cloramfenicol.
3) Clasificación de según su espectro de acción:
a) Espectro reducido: son activos selectivamnete frente a un
• Productos usados para el control de microorganismos en
aplicaciones
comerciales
e
industriales.
Ejemplos:
alimentos, torres de refrigeración de aire acondicionado,
productos textiles y papelero, depósitos de combustible
• Productos diseñados para prevenir el crecimiento de
patógenos para los seres humanos en ambientes
inanimados y en superficies corporales externas. Se dividen
en
esterilizantes,
b)
Agentes
desinfectantes
antimicrobianos
y
antisépticos.
utilizados
in
vivo:
• Utilizados en el interior del cuerpo humano para el control
de enfermedades infecciosas. Pueden ser sintéticos
(quimioterápicos) o naturales (antibióticos).
Antibacteriano: sustancia capaz de inhibir (bacteriostáticos)
o
matar
(bactericidas)
a
las
bacterias.
grupo determinado de bacterias. Ej: macrólidos, y
Quimioterápico: Sustancia producida de manera sintética
Gentamicina.
que posee la propiedad de inhibir el crecimiento o destruir
b) Espectro amplio: presentan actividad frente a la mayoría
microorganismos.
de los grupos bacterianos de importancia clínica. Ej:
Toxicidad
selectiva:
deben
matar
o
inhibir
los
microorganismos patógenos sin causar daño en el
hospedador.
CLASIFICACIÓN DE LOS ANTIBIÓTICOS
penicilina y ampicilina.
- Determinación de la sensibilidad: antibiograma: Se
observan los halos de inhibición de cada uno de los
antibióticos ensayados sobre la cepa correspondiente. El
1) Según su origen:
diámetro del halo de inhibición del crecimiento se utiliza
- Quimioterapéutico o Sintético Sustancia producida de
como indicativo de la sensibilidad o resistencia a cada
manera sintética que posee la propiedad de inhibir el
antibiótico.
crecimiento o destruir microorganismos.
- Productos Naturales Sustancia producida por el
metabolismo de organismos vivos, principalmente hongos y
bacterias, que posee la propiedad de inhibir el crecimiento
o destruir microorganismos.
- Semisintéticos Productos naturales con modificaciones
- Determinación de la CIM: método clásico: mínima cantidad
del agente que se necesita para inhibir el crecimiento de un
microorganismo. Para determinarla se realiza una serie de
diluciones del agente inhibidor, se incuban y luego se mide
e crecimiento en cada tubo.
químicas en su estructura, que poseen mejoras en sus
4) Según su actividad sobre microorganismos: número de
propiedades fisicoquímicas y/o farmacológicas.
células
2) Clasificación según su estructura: Esta diversidad
estructural les permite interactuar con diferentes sitios
blancos en las bacteria.
totales
vs
número
de
células
viables.
-Bacteriostáticos: inhiben el crecimiento bacteriano.
-Bactericidas: producen la muerte, sin provocar lisis.
-Bacteriolíticos: producen la muerte mediante la lísis.
• β-lactámicos: penicilinas, cefalosporinas.
Saber si un compuesto posee efecto bacteriostáticos o
• Tetraciclinas.
bactericidas pueden proporcionar información valiosa sobre
• Aminoglicósidos.
la acción potencial de los agentes antibacterianos in vitro, es
• Quinolonas.
necesario
• Polipéptidos.
farmacocinéticos y farmacodinámicos para proporcionar
combinar
esta
información
con
datos
14
una predicción más significativa de la eficacia in vivo. La
decisión definitiva para el tratamiento de cualquier
infección debe ser el resultado del estudio clínico.
MECANISMOS DE RESISTENCIAS
1) Inactivación del antibiótico por modificaciones químicas:
Este tipo de modificaciones generan impedimentos
Factores que afectan el efecto bacteriostático o bactericida:
• Concentración alcanzada en el sitio de la infección.
estéricos para la unión del sitio blanco o la hidrolisis del
antibiótico.
• Tipo de germen.
2) Modificación del sitio blanco: Mutación en el gen del sitio
• Tamaño del inóculo.
blanco, lo que lleva a una proteína con un sitio blanco
• Tiempo de acción.
anormal. También se puede activar la transcripción de otro
• Fase de crecimiento de la bacteria (ß-lactmamicos en fase
tipo de proteínas, que se unen al sitio blanco impidiendo
estacionaria).
que el antibiótico se una a este.
¿Por qué es importante conocer el sitio blanco y el
3) Disminución de la concentración intracelular: se busca la
mecanismo de acción de los ATBs?
disminución
1- Sentar las bases de la toxicidad selectiva.
antimicrobiano, a través de la disminución de la entrada (a
2- Categorizar los nuevos ATB.
través de la modificación de la porinas) y el aumento de la
3- Generar nuevos derivados.
salida (que la velocidad de salida sea mayor o igual a la
4- Estudiar los mecanismos de Resistencia.
velocidad de entrada).
5- Utilizar terápias combiantorias.
de
la
concentración
intracelular
del
Evolución de la resistencia en Staphyloccocus aureus. Es una
6- Estudiar procesos celulares.
bacteria Gram-positiva que causa graves infecciones
¿Cuál es la base de la toxicidad selectiva de los antibióticos?
intrahospitalarias. El Linezolid (Zyvox) del grupo de las 2-
- procesos celulares presentes solo en microorganismos:
oxazolidona. Su mecanismo de acción consiste en inhibir la
síntesis
síntesis proteica de la bacteria al impedir la formación del
de
pared
o
folato.
- procesos similares, pero con diferencia estructurales:
complejo de iniciación.
ribosomas o replicación.
Resistencia Microbiana
La resistencia microbiana a los antibióticos es la capacidad
de un microorganismo para resistir los efectos de un agente
antimicrobiano.
Hay dos tipos de resistencia intrínseca o adquirida:
 INTRINSECA: Este tipo de mecanismo deja a la bacteria
sin la molécula/reacción blanco del antibiótico, también
puede prevenir la entrada de la droga, o expulsar al
antibiótico a través de bombas de flujo.
 ADQUIRIDA: Adquisición de genes de resistencia se
produce por trasferencia horizontal (conjugación,
transformación o transducción), también se puede
adquirir por mutaciones espontáneas.
Origen de Mecanismos de Resistencia a ATB en Patógenos:
uso muy frecuente de antibióticos,
terapias muy
prolongadas o uso de dosis bajas, interrupción del
tratamiento
terapéutico,
propagación
de
cepas
MODIFICACIÓN DE LA DROGA
hospitalarias resistentes, uso de los antibióticos en la cría de
RESISTENCIA BACTERIANA A B-LACTAMICOS. Mecanismo de
ganado.
acción de todos los antibióticos B-lactámicos: Inhiben
reacción
de
transpeptidación,
impidiendo
los
15
entrecruzamientos entre cadenas de peptidoglicano.
RESISTENCIA BACTERIANA A VANCOMICINA. Mecanismos
Activan el mecanismo autolítico endógeno bacteriano.
de acción propuesto: La porción peptídica bloquea la
Target primario: proteínas PBPs - implicadas en la fase final
reacción de transpeptidación al unirse irreversiblemente a
de la formación de la pared celular.
la secuencia terminal de D-alanil-D-alanina - Secuestro del
Las B-lactamasas son enzimas hidrolíticas que rompen el
enlace amida en el anillo B-lactámico antes de que alcance
sustrato.
Antibiótico
reservado
para
grampositivas,
especialmente MRSA.
su sitio activo. Las β-lactamasas en el periplasma evitan que
Modificación de sitio blanco: Modificación del extremo del
los ATB lleguen a sus blancos. Existen diferentes B-
muramil pentapéptido, la bacteria sintetiza un dipéptido D-
lactamasas: enzimas dependiente de serina (Tipo A, C y D),
Ala-D-lactato o D-Ala-D-serina, pérdida de afinidad de
dependiente de metal (Tipo B, Zn+2 ); periplasmicas o
unión. (VRE especies de streptococo resistentes a
unidas a membrana interna (Gram -) o extracelulares (Gram
vancomicina).
+).
- Fenotipo VanA: resistencia a vancomicina y teicoplanina.
Modificación de sitio blanco: PBPs menos sensible por
mutación espontánea para disminuir la reacción con B-
- Fenotipo VanB: resistencia a vancomicina, suceptible a
teicoplanina.
lactámicos pero manteniendo la actividad transpeptidasa.
Resistencia en vancomicina de 2 componentes: Consta de
Mecanismo principal de resistencia a Gram-positivos.
sistema regulador de dos componentes (vanS-vanR):
Ejemplo: adquisición y expresión del gen mecA por S.
responde a la presencia de vancomicina, a la disrupción de
aureus: codifica una nueva PBP de baja afinidad (PBP2a o
la pared celular o ambos. VanS es la proteina sensora que al
captar a la vancomicina va a activar a vanR que es el
Sistema de transporte de dos componentes
activador transcripcional. Esta activa la expresión de:
1) La proteína sensora se encuentra en la membrana,
y en el extremo de su parte interna tiene unida una
histeina. Esta proteína sensora puede sensar al
antibiótico.
2) Cuando el antibiótico se une a ella va a producir
un cambio en su estructura haciendo que se
fosforile.
3) Se transfiere el grupo fosfato a una proteína
reguladora.
4) La proteína reguladora activa la síntesis de la
transcripción.
-
vanH:
-
vanA/B:
-
vanX:
Lactato
deshidrogenasa.
Ligasa
D-ala-D-lactato.
D-ala-D-ala
dipeptidasa.
- vanY: Carboxipeptidasa
Especies
de
Staphylococcus
aureus
vancomicina
resistentes
a
(VRSA).
Especies de Enterococcus resistentes a vancomicina (VRE).
Otra especie resistente es VISA que posee una pared celular
muy gruesa que le confiere resistencia.
PBP2'). Le confiere resistencia a practivamente todos los
Blactámicos. Conserva su actividad transpeptidasa.
RESISTENCIA BACTERIANA A LOS AMINOGLICÓSIDOS.
Mecanismo de acción: se unen al rRNA 16S de la subunidad
Disminución de la permeabilidad y aumento de flujo:
ribosómica 30S cerca del sitio A - Provocan lectura
Pérdida de porinas o cambios en la estructura de las porinas.
incorrecta y terminación prematura del ARNm. Ejemplo:
Bombas de flujo de baja especificidad (a medida que va
kanamicina.
ingresando el antibiótico va a ser expulsado por la bomba de
Disminución de la entrada por reducción en la cantidad de
flujo). Mecanismo importante de resistencia en especies
gramnegativas. Ejemplo: sistema MexAB-OprM de P.
aeruginosa.
Estrategias para superar la resistencia: Desarrollo de Blactámicos semisintéticos resistentes a las B-lactamasas. Blactámicos
sensibles
se
pueden
coadministrar
con
inhibidores de la B-lactamasa, como el ácido clavulánico,
sulbactam y tazobactam.
porinas expresadas y aumento de la salida por bombas de
eflujo dependientes de energía.
Modificación del sitio blanco: Producción de rRNA metilasas
que modifican el rRNA 16S en posiciones críticas para la
unión del antibiótico pero sin modificar su actividad.
Mutaciones puntuales en gen que codifica para el rRNA 16S.
Inactivación del antibiótico: Modificación covalente de
grupos hidroxilos y grupos amino claves en la estructura del
16
antibiótico: acetilación (aminoglicósido acetiltransferasa),
fosforilación (aminoglicósido fosfotransferasa) y adenilación
(aminoglicósido adeniltrasferasa).
RESISTENCIA BACTERIANA AL CLORANFENICOL. Mecanismo
de acción: interacciona con la secuencia conservada de la
cavidad peptidil transferasa del rRNA 23S de la subunidad
50S. Inhibe la síntesis de proteínas al impedir que el aa-tRNA
se una al sitio A.
Inactivación del antibiótico: Modificación covalente en la
estructura del antibiótico: acetilación, fosforilación y
hidrólisis.
RESISTENCIA BACTERIANA A LA TETRACICLINA. Mecanismo
de acción: Se unen al rRNA 16S de la subunidad 30S del
ribosoma y previene la unión de aminoacil-ARNt (aa-ARNt)
en el sitio A del ribosoma. La unión es reversible.
Genes de resistencia a tetraciclina se encuentran en
elementos
móviles:
Transposones:
Codifican
para
transportadores de membrana dependientes de energía:
exportan el antibiótico fuera de la célula a velocidad ≥ que
la
que
ingresa.
Gen
tetA.
Proteínas de protección ribosomal: se unen cerca de los
sitios blanco del ribosoma y lo rpotegen de la interaccion
con
el
antibiótico.
Enzimas inactivadoras de tatraciclinas: oxidoreductasa
dependiente de NADPH (tetX), oxida la tetraciclina.
Modificación del sitio blanco: Mutaciones puntuales en gen
que codifica para el rRNA 16S, o del sitio blanco
puntualmente.
Operón Tetraciclina: En ausencia del antibiótico (tet) el
represor /(TetR) permanece unido a secuencias operadoras
(tetO) de los genes tetR y tetA, impidiendo su transcripción.
En el interior celular, la tetraciclina se combina con un catión
de magnesio y se une al represor TetR, provocando un
cambio conformacional y se libera del operador,
reactivando así tanto la síntesis de más represor como la
síntesis de TetA, que bombea el antibiótico al exterior.
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GRUPO
ANTIBIOTICO
Fosfomicina
MIEMBROS
Cicloserina
Bactoprenol
BIOSINTESIS DE
LA PARED
CELULAR
BACTERIANA
Tunicamicinas,
liposidomicina,
y
mureidomicinas.
Bacitracina
Vancomicina
B-lactamicos
Monobactamas
Penicilinas
naturales
Cefalosporinas
Carbapenemas
Ac. clavulámico
Estreptomicina
Aminoglicósidos
Gentamicina
Tetraciclinas
Macrólidos
BIOSINTESIS DE
PROTEINAS
Cloranfelicol
Eritromicina,
Azitromicina
MECANISMO
Inhibe la primera reacción de la síntesis de peptidoglicano
Actúa como inhibidor competitivo de las dos reacciones
secuenciaciones de la síntesis del péptidoglicano donde
aparece la D-ala.
Actúa inhibiendo la síntesis de la pared celular interfiriendo en
la acción de los transportadores de los precursores de la pared.
Se une al undecaprenolpirofosfato en presencia de Mg+2 ,
bloqueando su desfosforilación, impidiendo la regeneración del
transportador de membrana
Se liga directamente al di péptido terminal D-ala-D-ala e inhibe
la transcripción.
Inhibición de la reacción de transpeptidación y del
entrecruzamiento del peptidoglicano activan el mecanismo
autolítico endógeno bacteriano. Inhiben la TP, acumulación de
precursores del PG, activación de autolisinas. Si esta en medio
hipotónico la bacteria se lisa. Cuando la bacteria no está
creciendo no tienen efecto.
Se unen al rRNA 16S de la subunidad 30S cerca del sitio A.
Provocan lectura incorrecta y terminación prematura del
ARNm.
Se unen al rRNA 16S de la subunidad 30S del ribosoma y
previenen la unión de aminoacil-ARNt (aa-ARNt) en el sitio A
del ribosoma.
Se ligan a la subunidad 50s del ribosoma e inhiben la
elongación de la cadena peptídica.
Interacciona con la secuencia conservada de la cavidad peptidil
transferasa del rRNA 23S de la subunidad 50S. Inhibe la síntesis
de proteínas al impedir que el aa-tRNA se una al sitio A.
ESPECTRO
Reducido
EFECTO
Bactericida
Amplio
Bactericida
Amplio
Bactericida
Amplio
Bactericida
Reducido
Bactericida
Reducido (gram -)
Reducido (gram +)
Reducido (gram +)
Amplio
Bacteriolitico
Reducido (aerobias gram
+)
Amplio (gram +,
Mycobacterium)
Bactericida
Amplio (gram + y -,
Rickettsia, Chlamydia)
Estático
Amplio (gram +, algunas
gram -)
Estático
Amplio (gram + y -,
Rickettsia, Chlamydia)
Bactericida
Oxazolidona
Previenen la iniciación y bloquean el ensamblado del ribosoma
Amplio (gram +)
Bactericida
(estreptococo)
Estático
(estafilococo)
Mupirocina
Se une a la isoleucil-tRNA sintetasa del microorganismo, de
manera que impide la incorporación de la isoleucina a las
proteínas.
Depende la
concentración
Bactericida o
Estático
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Quinolonas
BIOSINTESIS DE
ACIDOS
NUCLEICOS
Ciprofloxacina,
norfloxacina y
ofloxacina
Rifampicina
Sulfamidas
BIOSINTESIS DE
DNA
BIOSINTESIS DE
LA MEMBRANA
CELULAR
Nitroimidazoles
Polimixina B
Daptomicina
BIOSINTESIS DE
ATP
Bedaquilina
Metronidazole
Actúan sobre la ADN girasa y la topoisomerasa IV
Amplio
Bactericida
Se une de modo no covalente a la subunidad B de la ARN
polimerasa dependiente de DNA bloqueando la síntesis del
mRNA. Bloquearia la entrada del primer nucleótido necesario
para la activación de la polimerasa.
Mycobacterium, y
algunas gram – como
neisseira meningitidis y
Haemophilus influenzae
b.
Bactericida
Inhiben la dihidropteroato sintetasa, necesaria para la
incorporación del PABA al ácido dihidropteroico (precursor del
ácido fólico).
Activada por reductasas del huesped a bajos potenciales redox
o en condiciones de anaerobiosis. Generando especies
reactivas del oxígeno.
Péptidos catiónicos que se insertan en la membrana. ATB se
une al LPS o a las cargas negativas de la membrana,
desorganizando la MC y generando permeabilidad de la misma
y despolarización de la membrana
En presencia de Ca+2 produce una rápida despolarización de la
membrana y muerte bacteriana, sin lisis celular.
es el primer fármaco en el mercado que se dirige a la ATP
sintasa micobacteriana. El flujo de protones a través del
dominio F0 conduce a una rotación de las subunidades c y γ del
dominio F1. Esta rotación impulsa la síntesis de ATP en el
hexámero α3β3. El sitio de unión principal de bedaquilina se
encuentra entre las subunidades a y c del dominio F0. La
bedaquilina inhibe la síntesis de ATP al bloquear el flujo de
protones y los cambios conformacionales posteriores.
Protozoarios, bacterias
anaeróbicas y
microaerófilos.
Gram +
Bactericida
Se usa para tratamiento
de tuberculosis
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