Microbiologia General Trimestre 16-P

5. Nutrición microbiana

nutrición Masa celular de un organismo (biomasa)  formada casi en su totalidad por moléculas con 4 tipos de átomos: 

Carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O) e hidrógeno (H)

Otros elementos indispensables para el metabolismo: 

P, K, Ca, Mg, S, Fe, Zn, Mn, Cu, Mo y Co

Agua: 80 - 90% del peso total de la biomasa  principal componente (también aporta nutrientes: H y O)

Nutrientes: sustancias empleadas para la biosíntesis y producción de energía en TODOS los organismos vivos

Con base en la cantidad requerida para una célula, los nutrientes se dividen en: 

Macronutrientes (C, H, O, N, P, S, K, Fe, Mg):  



Necesarios en grandes cantidades

Primarios (g/L)

Secundarios (mg/L)

Micronutrientes o microelementos (Ca, Mn, Zn, Cu, Co y Mo): 



~ 95% del peso seco de una célula

Necesarios en cantidades pequeñas  mg por litro

Factores de crecimiento (mg por litro) Composición química de la célula  indicador de los principales elementos necesarios para el crecimiento

macronutrientes Primarios (g/L)  C, H, O, N, P, S BM*

(% bs)

Formas comunes

C

50

 Inorg: CO2  Org: comp. org. (CHO)n

O

20

H2O, O2, (CHO)n

N

14

H

8

 Inorg: NH4+, NO3-, NO2, N2  Org: aa, péptidos

P

3-5

PO42- (fosfatos)

1-3

SO42-, aa, H2S, sulfuros metálicos

S

H2O, (CHO)n

Función en la célula Componente estructural básico de los compuestos orgánicos

Componente del agua y biomoléculas. O2  aceptor final de ē en la respiración aerobia Constituyente de aminoácidos y nucleótidos Constituyente de compuestos orgánicos

En ácidos nucleicos, fosfolípidos, coenzimas y ATP Constituyente de aa (Cys, Met), vitaminas (tiamina, biotina), enlaces disulfuro (prots)

*Contenido en biomasa  g/100 g BM seca

Macronutrientes (secundarios) Y MICRONUTRIENTES BM

K

(% bs)

Na

Mg Cl

Ca Fe

1.0

1.0

0.5

0.5

Formas comunes K+ (sales)

Na+ (sales) Mg2+ (sales) Cl- (sales)

0.2

Ca2+ (sales)

0.2

Fe2+ (sales)

Micronutrientes* (< 0.01%): Mn, Zn, Co, Cu, Mo, Ni, Se

Sales

Función en la célula Cofactor de enzimas, mantiene el balance eléctrico celular Transporte transmembrana, balance eléctrico Estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucléicos, cofactor de enzimas

Mantenimiento del balance eléctrico celular

Estabiliza la pared y endosporas bacterianas, cofactor de enzimas Componente de citocromos y ferroproteínas involucradas en el transporte de ē

Cofactores de enzimas, constituyentes de vitaminas y enzimas

* En general, sus requerimientos se conocen cualitativamente y varían en función de la fase de crecimiento  se adicionan al medio en cantidades arbitrarias (µg/L)

FACTORES DE CRECIMIENTO Compuestos orgánicos esenciales (mg/L) que los organismos:

 Necesitan como precursor o constituyente celular

 No pueden sintetizar  hay que agregarlos en el medio Tres tipos: 

 

Bases nitrogenadas: purinas (A, G) y pirimidinas (C, T, U): síntesis de ácidos nucleicos Vitaminas: centros activos y cofactores de enzimas Aminoácidos: síntesis de proteínas  peptonas  

Hidrolizados proteicos  péptidos, aa, minerales y micronutrientes

Peptona de soya, extracto de levadura y extracto de malta

5. Nutrición microbiana

CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Requerimientos nutricionales de los microorganismos:  Fuente de energía: para producción de ATP  

Luz  fotosíntesis

Oxidación de compuestos químicos

 Fuente de electrones: donadores de ē para la biosíntesis  

Compuestos orgánicos

Compuestos inorgánicos

 Fuente de carbono: para el crecimiento  

Compuestos orgánicos CO2

Tipos nutricionales

TIPOs NUTRICIONALES Tipo de nutrición

Fuente de energía

Donador de H+/ē

Fuente de carbono

Quimiótrofos

Química

-

-

Fotótrofos

Luz

-

-

Organótrofos

-

Litótrofos

-

Autótrofos

-

Heterótrofos

-

Comps. orgánicos

Comps. inorgánicos

-

Inorgánica (CO2) Orgánica (CHO)n

Fuente de energía

Luz -Foto-

Química -Quimio-

Donador de electrones Orgánico -organo-

Inorgánico -litoOrgánico -organoInorgánico -lito-

Fuente de carbono

Orgánica -heterótrofoCO2 -autótrofo-

Orgánica -heterótrofoCO2 -autótrofo-

Orgánica -heterótrofo-

Nombre Fotoorganoheterótrofo Fotoorganoautótrofo Fotolitoheterótrofo Fotolitoautótrofo Quimioorganoheterótrofo Quimiolitoheterótrofo

CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Por ejemplo: 

Organismo quimio-lito-heterótrofo   



Fuente de E: Fuente de ē:

Fuente de C:

Química

Comp. inorgánico Comp. orgánico

Organismo foto-organo-autótrofo   

Fuente de E:

Luz

Fuente de C:

CO2

Fuente de ē:

Comp. orgánico

Ser autótrofo es vida!

Heterótrofo

Heterótrofo

Heterótrofo

Yo uso luz para alimentarme H2S

CLASIFICACIÓN DE MICROORGANISMOS Tipo de nutrición Quimio-organoheterótrofos*

(fotoheterótrofos)

Quimio-litoautótrofos

(quimioautótrofos)

Foto-litoautótrofos*

(fotoautótrofos)

Fuente de carbono

Compuestos orgánicos

(azúcares, carbohidratos)

(quimioheterótrofos)

Foto-organoheterótrofos

Donador de ē

Fuente de energía

Compuestos orgánicos

Luz

(azúcares, carbohidratos, ácidos grasos, alcoholes)

Compuestos inorgánicos

(H2S, Fe , 2+

Luz

CH4, H2, NH4+, NO2)

NO3,

C. inorgánicos (S2-)

Ejemplos Hongos, bacterias patógenas, animales, protozoos Bacterias verdes que no oxidan azufre

Inorgánica (CO2)

Bacterias nitrificantes, muchas arqueas

Inorgánica (CO2)

Organismos fotosintéticos: cianobacterias, algas, plantas

* La mayoría de los organismos

De acuerdo con los balances, podemos saber el tipo de organismo: Foto-lito-autótrofo



6 CO2 + 6 H2O + Luz  C6H12O6 + 6 O2



C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O

Quimio-organo-heterótrofo



6 CO2 + 6 H2S  C6H12O6 + 6 S0

Quimio-lito-autótrofo

Otros tipos de microorganismos:

 Mixótrofos: obtienen C a partir de compuestos orgánicos o inorgánicos

 Auxótrofos: por una mutación en su genoma pierden la capacidad para sintetizar un nutriente esencial (comúnmente aa)  requieren una fuente exógena del compuesto para crecer (factor de crecimiento)



Quimiolitoautótrofos  varios tipos en función del donador inorgánico de ē que oxidan: Fuente ē Reacción de oxidación



H

H2  H2O

Fe

Fe2+  Fe3+

S

S0 + 1½O2 + H2O  H2SO4

N

 2NH4+ + 3O2  2NO2- + 4H+ + 2H2O  2 NO2+ + O2  2 NO3-

Ejemplo

Cupriavidus necator

Acidithiobacillus ferrooxidans

Bacterias del azufre: colonias en “respiraderos calientes”: H2S

M. mazei

Thiobacillus thiooxidans

B. nitrificantes: Nitrosomonas Nitrobacter

Arqueas metanógenas  obtienen energía oxidando H2 y usan CO2 como aceptor de ē?: 4 H2 + CO2  CH4 () + 2 H2O ()

Methanosarcina mazei

Quimiolitoautótrofo  E: química; ē: comp. inorg; C: CO2

Bacterias que oxidan Fe2+ para obtener energía

5. Nutrición microbiana

MEDIOS DE CULTIVO Es el material nutritivo en el que se pueden recuperar, multiplicar y aislar microorganismos 

Provee los requerimientos para el cultivo de microorganismos en un laboratorio

Formulación de un medio de cultivo  se basa en la composición química de una célula microbiana

PREPARACIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO Agua destilada Fuentes de C (azúcares) y N (sales) Macronutrientes

Ajuste de pH

Micronutrientes

Esterilización

Factores de crecimiento (vitaminas, peptonas, extractos)

Agente solidificante

(15 lb/plg2, 15 min)

Inoculación Incubación

CLASIFICACIÓN DE MEDIOS DE CULTIVO Con base en sus características, los medios se clasifican en:  Estado físico:



 Composición:







Sólidos Líquidos Definidos (sintético) Complejos

 Naturaleza de sus componentes:  Propósitos de uso:

    

 

Mínimo Rico Selectivo Diferencial Enriquecimiento

Sintéticos Naturales

Estado físico Útiles para:

Sólidos  llevan un agente solidificante

 Aislamiento e identificación  características de las colonias  Agente solidificante más común y utilizado: agar (1 – 2%)  

Polisacárido extraído de algas rojas: funde a ~100°C, gelifica a ~45°C La mayoría de los microorganismos no lo degrada

Líquidos  sin agente solidificante Útiles para:

 Recuperar y cuantificar la biomasa de un cultivo

 Analizar el medio para detectar cambios en su composición (consumo/producción de un compuesto)

composición Sintéticos o químicamente definidos Se conoce la composición exacta de sus componentes (cantidad y calidad)  Fuentes de C: azúcares  lactosa, glucosa, sacarosa, almidón

 Fuentes de otros elementos: sales  NaNO3, (NH4)2SO4, NH4NO3

Usos: para estudios fisiológicos o descriptivos

 Cuando se quieren resultados definidos y repetitivos

 Para conocer los requerimientos nutricionales exactos de un microorganismo (efecto de la adición/eliminación de un compuesto)

composición Complejos o químicamente indefinidos  Contenido conocido de ingredientes, pero al menos uno tiene composición desconocida (es químicamente indefinido)  no se sabe su composición cualitativa ni cuantitativa  Sustancias nutritivas  fuente de C, N y energía   

Fuentes de C: melazas, extracto de malta, celulosa, aceites Fuentes de N: peptonas (hidrolizados proteicos)

Vitaminas y péptidos: ext. de carne y levadura, infusión de cerebro

 Usos: cuando se desconocen los requerimientos nutricionales  contienen sustancias útiles para cualquier microorganismo

USO

Mínimo = químicamente definido

 Aporta solo los nutrientes indispensables para el crecimiento de un organismo 

Ejemplo: medio Czapek (pH 6.8)  común para cultivo de hongos ¿El medio Czapek podría convertirse en medio rico? ¿Cómo?

Componente Sacarosa NaNO3

K2HPO4

Cantidad (g/L) 30.0

3.0 1.0

MgSO4.7H2O

0.5

FeSO4.7H2O

0.01

KCl

Agar*

0.5

15.0

Rico = químicamente indefinido  Contiene nutrientes esenciales + compuestos que aportan fuentes complejas de nutrientes?  aa, vitaminas, precursores de ácidos nucleicos

USO

Diferencial

 Tiene indicadores que permiten diferenciar (a simple vista) entre grupos bacterianos por diferencias metabólicas  generalmente cambio de color  NO inhibe el desarrollo de otros microorganismos  Usos: para diferenciar entre grupos microbianos 

Ejemplo:

Medio agar-sangre: 5% sangre (caballo)  capacidad de hemólisis  bacterias hemolíticas y no hemolíticas (este medio también es rico) β-hemólisis en agar sangre

USO

Selectivo

 Favorece el crecimiento de un grupo microbiano específico e inhibe el crecimiento de los no deseados: adición de compuestos  Usos: principalmente aislamiento  Ejemplos:    

Ajuste de factores ambientales (pH, T)  termófilos, acidófilos … Uso de CO2 como fuente de C  autótrofos Celulosa  selectivo para degradadores de celulosa

EMB: selectivo para Gram(-)  el cristal violeta inhibe Gram(+)

USO

Selectivo-Diferencial

Agar MacConkey  lactosa, peptonas, rojo neutro, sales biliares y cristal violeta  Selectivo   

No crecen bacterias Gram (+) por el cristal-violeta

No crecen algunas Gram (-) por las sales biliares [SB] (tensoactivos que desorganizan membranas)

Enterobacterias  naturalmente crecen con SB (intestino)

 Diferencial 



Enterobacterias Lac(+)  producen AO  colonias rojas con halo (pp de SB)

Enterobacterias Lac(-)  usan peptonas y excretan NH4+  colonias amarillas ( pH)

USO

Enriquecimiento

 Contiene factores de crecimiento 



Favorece el crecimiento de microorganismos que se encuentran en bajo número Usos: para  la concentración de ciertos microorganismos

 Ejemplos: 

Adición de sangre, suero, extractos de tejidos animales y vegetales



Cultivo de enriquecimiento para microorganismos halófilos:

Alta concentración de sales (15% de NaCl)  favorece el crecimiento de microorganismos halófilos e inhibe el de otros grupos