Metabolismo y Crecimiento Bacteriano

Metabolismo: Total de las reacciones químicas que ocurren en la célula. El flujo de energía y la participación de las enzimas lo hacen posible. Se da en dos partes:

-Catabolismo: Moléculas grandes y complejas son rotas a moléculas más simples con la consecuente liberación de energía. Parte de esta energía puede ser atrapada y utilizada para el anabolismo, el resto es liberada como calor.

-Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples con utilización de energía.

Energía: Se define como la capacidad para producir trabajo. En las células se pueden llevar a cabo 3 tipos de trabajo:

- Químico: síntesis de moléculas biológicamente complejas a partir de precursores simples
- Transporte: moléculas e iones son transportados por la membrana plasmática en contra gradiente de concentración (interiorización de nutrientes, eliminación de desechos y mantenimiento del balance de iones.
- Mecánico

La energía utilizada principalmente por los organismos fotosintéticos es la luz solar, que es transformada a energía química para utilizar el CO2 atmosférico como fuente de carbono para elaboración de glucosa y otras moléculas.

Las moléculas complejas elaboradas por estos organismos sirven como fuente de carbono a los quimioheterótrofos que utilizan el O2 como aceptor de electrones cuando oxidan la glucosa y otras moléculas orgánicas a para reducirlo a CO2 y liberan mucha energía. Este CO2 puede ser nuevamente reincorporado como fuente de carbono por los fotosintéticos. Con esto, se tiene el ecosistema un flujo de carbono y energía.

La célula debe de tener un sistema de transferencia de energía muy eficiente, por lo que utiliza una forma práctica de energía disponible por medio del ATP (adenosín trifosfato) que al perder un grupo fosfato libera la energía requerida para producir trabajo.

Luego por procesos como la fotosíntesis, respiración aerobia, fermentación y otros es resintetizado.

Para comprender el rol del ATP: existen mayormente 2 tipos de reacciones químicas:

- Exergónicas: producen energía, ∆G° es negativo
- Endergónicas: requieren de energía, ∆G° es positivo

Las reacciones endergónicas no son eficientes sin energía, el ATP es una molécula altamente energética (∆G°= -7.3 kcal/mol) que al perder el ortofosfato es una reacción altamente exergónica que provee la energía necesaria para que la reacción endergónica se lleve a cabo.

Metabolismo Bacteriano: El metabolismo bacteriano puede dividirse en 3 etapas:

1.Moléculas complejas son hidrolizadas a sus constituyentes. Las reacciones no generan mucha energía.

2.Moléculas obtenidas son degradadas a moléculas más simples: Acetil CoA, piruvato e intermediarios del ciclo del ácido tricarboxílico. Aerobia o anaerobiamente y se produce ATP, NADH y/o FADH2.

3.Ciclo del ácido tricarboxílico: Moléculas son oxidadas a CO2 con la producción de ATP, NADH y FADH2. Aerobiamente y produce mucha energía, mucho del ATP generado es derivado de la oxidación de NADH y FADH2.

Las vías metabólicas consisten en reacciones catalizadas por enzimas arregladas de tal manera que el producto de una reacción sirve como sustrato de la otra. La existencia de varias vías catabólicas comunes aumenta la eficiencia del metabolismo.

La energía es liberada como resultado de reacciones de oxido-reducción en el catabolismo y luego es almacenada y transportada en la forma más común: compuestos con uniones fosfato de alta energía y luego sirven como intermediarios en la conversión de energía en trabajo útil. El compuesto de fosfato de alta energía más importante es el adenosíntrifosfato (ATP).

Para el metabolismo de los carbohidratos las bacterias poseen 3 vías centrales:

-Vía Glucolítica o Embden-Meyerhof
-Vía de las Pentosas fosfato
-Vía de Enter-Doudoroff

La vía glucolítica: por cada molécula de glucosa se producen 4 moléculas de ATP, pero se consumen 2, por lo que se producen 2 ATP netos por molécula de glucosa. En las vías restantes sólo se produce 1 ATP por molécula de glucosa.

En las bacterias los sistemas de oxido-reducción incluyen dos procesos importantes:

-Fermentación: aceptores y donadores de electrones son moléculas orgánicas. Oxidación parcial, se libera sólo una parte de la energía contenida, el rendimiento energético es bajo. Diferentes tipos.

-Respiración: aceptor final exógeno (O2 en respiración aerobia y compuesto inorgánico en respiración anaerobia). El sustrato es oxidado completamente a CO2 y agua.

Fermentaciones: En ausencia de O2, el NADH no es oxidado por la cadena transportadora de electrones porque no hay aceptores externos disponibles. Muchos microorganismos han solucionado este problema utilizando el piruvato o algunos de sus derivados como aceptores de electrones y H+ en la reoxidación del NAHD, llevando a la producción de más ATP, pero por fosforilación de sustrato.

- Fermentación alcohólica: Fermentación de azúcares a etanol y CO2.

- Fermentación láctica: Conversión de piruvato a lactato Se separan en dos grupos:

a. Fermentadores homolácticos: Utilizan la vía glicolítica y directamente reducen casi todo el piruvato a lactato con la lactato deshidrogenasa

b. Fermentadores heterolácticos: producen además de lactato etanol y CO2 por la vía fosfocetolasa

- Fermentación del Acido Fórmico: es convertido a H2 y CO2 por la hidrogenilasa fórmica:

a. Fermentación ácido mixta: producción de etanol y una mezcla compleja de ácidos, particularmente acético, láctico, succínico, y fórmico. (E.coli, Salmonella, Proteus)

b. Fermentación Butanediol: piruvato es convertido a acetoína que luego es reducido a 2,3 butanediol con NADH. Se produce una gran cantidad de etanol con pequeñas cantidades de ácido.

CRECIMIENTO BACTERIANO:

CRECIMIENTO: Incremento en los constituyentes celulares. En el caso de los microorganismos el crecimiento involucra un aumento en el número de células al reproducirse por procesos como gemación o fisión binaria.

Ciclo de crecimiento: se logra en base al análisis de la Curva de Crecimiento de un cultivo microbiano.

Microorganismos cultivados en un medio líquido en un sistema cerrado, no se provee de medio fresco durante la incubación, por lo que la concentración de nutrientes disminuye y la de desechos se incrementa.

El crecimiento se puede graficar como el logaritmo del número de células versus el tiempo de incubación. Lo que resulta en una curva de 4 fases distintas:

FASE LAG:

Los microorganismos son introducidos a un medio fresco, no ocurre un incremento inmediato en el número de células o masa celular. No hay división celular pues la célula se encuentra sintetizando nuevos componentes, esto debido a varias razones: cultivo viejo o dañado, medio diferente.

Luego de esta fase de síntesis y recuperación las células están en óptimo estado para replicar su ADN, crecer en masa celular y dividirse. Esta fase puede variar considerablemente dependiendo de la condición de los microorganismos inoculados y la naturaleza del medio empleado.

FASE DE CRECIMIENTO EXPONENCIAL O LOG:

Los microorganismos se encuentran en la tasa máxima posible de crecimiento y división determinada por: potencial genético, la naturaleza del medio y las condiciones de crecimiento.

La tasa de crecimiento es constante, se dividen y doblan en número a intervalos regulares. Debido a que cada célula se divide en un momento ligeramente distinto, la curva de crecimiento aumenta progresivamente en vez de hacer saltos.

FASE ESTACIONARIA:

El crecimiento cesa y la curva se convierte en una línea horizontal. El tamaño final de la población depende: disponibilidad de los nutrientes y de otros factores como el tipo de microorganismo inoculado.

La cantidad total de microorganismos viables se mantiene constante, existe balance entre la división y la muerte celular o porque simplemente la población cesa la división y se mantiene metabólicamente activa. Se llega a esta fase por: limitación de nutrientes, disminución de oxígeno, acumulación de desechos tóxicos.

FASE DE MUERTE:

Los cambios perjudiciales en el ambiente de crecimiento llevan a disminuir la cantidad de células viables. La fase de muerte al igual que la fase exponencial del crecimiento es logarítmica, una proporción constante de células muere cada hora.

Factores que afectan el crecimiento:

Para obtener energía y sintetizar nuevos componentes celulares, los organismos deben de poseer un suplemento de nutrientes.

Composición alrededor del 95% del peso seco está constituido por: carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio y hierro
Estos son los llamados Macroelementos o macronutrientes.


Macroelementos: Componentes de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos y algunos existen en la célula en forma de cationes y juegan una serie de papeles importantes (cofactores enzimáticos, citocromos, aceptores de electrones)

Los microorganismos requieren también de Microelementos o elementos traza, estos constituidos por: manganeso, cobalto, zinc, molibdeno, níquel y cobre.

Estos requerimientos son agregados generalmente por contaminantes en el agua, cristalería y componentes en el medio.

Clasificación de Microorganismos según el modo de obtención de energía:

Fuentes de energía:

- Fototrofos: luz para la fotosíntesis
- Quimiotrofos: oxidación de moléculas orgánicas e inorgánicas.

Hidrógeno y electrones:

- Litotrofos: reducción de sustancias inorgánicas
- Organotrofos: reducción de sustancias orgánicas