Bioquímica y fisiología microbiana

1. Bioquímica y fisiología microbiana Tema 1. Introducción

2. ¿Qué es BFM? • Fisiología • El estudio de las funciones de los organismos entendiendo que los procesos de la vida están mediados por sus estructuras, relación estructura-función. • Bioquímica • El estudio de las reacciones químicas que soportan la vida. • También están relacionadas la estructura con la posibilidad de llevar al cabo reacciones bioquímicas.

3. Objetivos • Introducir la bioquímica y fisiología microbiana como tema de estudio científico. • Describir la importancia de los microorganismos y su diversidad en la naturaleza. • Describir a Escherichia coli como modelo de estudio de la composición estructural y molecular de las células bacterianas. • Describir las diferencias entre células Gram-positivas y Gram-negativas.

4. Objetivos • Entender las estructuras celulares, factores de crecimiento, metabolismo y composición genética de los microorganismos • Presenta las inter-relaciones entre la microbiología, bioquímica y genética en el contexto del funcionamiento de las células bacterianas. • Tomar a los organismos unicelulares como un modelo para tratara de entender organismos más complejos.

5. Metas • Entender: • Cómo una célula funciona en su ambiente • Cómo puede alterarse para contender con cambios en el ambiente • Cómo puede reproducirse a partir de sustratos simples del ambiente

6. Archaebacteria (Archaea) Palabras clave Prokaryotic Outer membrane Eubacteria (Bacteria) Periplasmic space Oxidative phosphorylation Eukaryotic Spheroplast/protoplast Plasmid Flagella Chromosome Chemotaxis Ribosome Axial filament Peptidoglycan (murein, mucopeptide) Periplasmic binding protein Gram stain Permeases Gram negative Storage Granules Gram positive Pili (fimbriae) Cell envelope Capsule (slime layer, glycocalyx) Cell membrane Endospore (spore) Cell wall

7. Importancia de los microorganismos • Ubicuos, se encuentran en todos los nichos del ambiente • Ambientes extremos, temperatura, presión salinidad, etc. • En procesos del ambiente • Flora bacteriana natural en intestinos de rumiantes • En procesos industriales, bioremediación, fermentaciones (alcohol, ac. Acético, etc. ) producción de antibióticos • Estructura comunitaria de los microorganismos. Los individuos participan en procesos particulares pero la comunidad se requiere para procesos completos.

8. Clasificación de los microorganismos • Habían 5 reinos. Pero ahora hay tres Dominios • Eukarya, organismos con núcleo y compartamentalizados, todos los multicelulares y algunos unicelulares. • Bacteria, no compartamentalizados, unicelulares. • Archaea, unicelulares con membranas características y genoma muy alejado del bacteriano.

9. Nota: • Bacteria (con mayúscula) se refiere al dominio, • bacteria, (con minúscula) se refiere a los procariontes, los miembros de los dos dominios, Bacteria y Archaea son procariontes.

10. Los microorganismos se definen por su fenotipos o características físicas.

11. Temperatura óptima de crecimiento • Psicrófilos: -12 a 20 ºC • Mesófilos: 14 a 45 ºC • Termófilos moderados 42 a 69ºC • Termófilos extremos 66 a 105 ºC

12. pH • Acidófilos: pH bajo ~ 3 • Neutrófilos: pH ~7 • Alcalinófilos: pH alto ~10

13. Salinidad • Halófilos. Alta salinidad

14. Oxígeno • Aerobios obligados: requieren O2 • Aerobios facultativos: no requieren O2 pero crecen mejor si está presente • Microaerofílicos: requieren muy pequeñas cantidades de O2 • Aerotolerantes: no se requiere el O2 y su adición no mejora el crecimiento. • Anaerobios obligados: el O2 inhibe el crecimiento.

15. Nutrición • Fuente de • energía: luz vs química • carbono: orgánica vs inorgánica • Aceptor de electrones terminal

16. Fuente de Carbono Orgánico quimioheterótrofos CO2 quimioautótrofos Orgánico Fotoheterótrofos Verdes no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas CO2 fotoautótrofas Aceptor final de electrones O2 Animales, protozoarios, hongos, bacterias No O2 H2O No H2O Fotosíntesis Anoxigenica verdes y púrpuras sulfurosas Fotosíntesis Oxigenativa Orgánico Streptococcus Inorgánico Clostridium

17. Energía Redox quimiótrofos Luz fotótrofos

18. Ejemplo • Coloramator indicus • Bastón Gram positivo inmóvil no esporulante. • Quimiorganotrófico y anaerobio obligado • Alcalinotrófico, termófilo que puede fermentar una gran cantidad de carbohidratos

19. Los microorganismos como modelo de estudio • Tiempo corto de generación • Pueden reproducirse hasta cada 20 minutos • Buenos para estudiar mutaciones • Se pueden estudiar un gran número de células idénticas • Tamaño pequeño • Permite estudiar grandes poblaciones • Tamaño pequeño de su genoma • Diversidad nutricional

20. Escherichia coli como modelo de estudio en BFM • Escherichia coli es usada como paradigma. • Paradigma: es —desde fines de la década de 1960— un modelo o patrón en cualquier disciplina científica u otro contexto epistemológico. • Pero no es representativo de todos los microorganismos. • Cada microorganismo tiene sus carácterísticas particulares.

21. Pregunta ¿Cómo es el cromosoma bacteriano? Circular Lineal Varios circulares Varios lineales Circular a veces lineal a veces Ninguna de las anteriores

22. El paradigma de E. coli

23. Características morfológicas de los microorganismos • Forma, bacilos, cocos, espirilos • Tamaño • Coloración de Gram, positivo o negativo • Formación de esporas, endosporas

24. Forma Bacilos: con forma alargada Cocos: con forma redondeada Espirilos: con forma helicoidal Vibrión: con forma de coma ortográfica

25. Tamaño http://www.camfilfarr.com/cou_pol/industries/care/microbial_size.cfm

26. Movilidad • Cilios, pequeños • Flagelos, grandes • Fimbriae o pili, estructura tubular rígida

27. Diferencias entre eucariontes y procariontes

28. The Cell Envelope Gram Stain-Tinción de Gram Gram Positive Gram Negative

29. Oxidative phosphorylation occurs at cell membrane (since there are no mitochondria). Cell Wall Cytoplasm Cell membrane • The cell wall is outside of cell membrane • rigid, protecting cell from osmotic lysis.

30. Outer Membrane • Gram negative bacteria • major permeability barrier • space between inner and outer membrane • periplasmic space • store degradative enzymes • Gram positive bacteria • no periplasmic space

31. GRAM NEGATIVE CELL ENVELOPE Outer Membrane (Major permeability barrier) Lipopolysaccharide Porin Braun lipoprotein Periplasmic space Degradative enzyme Periplasmic binding protein Permease Inner (cytoplasmic) membrane Cytoplasm

32. GRAM POSITIVE CELL ENVELOPE Degradative enzyme Peptidoglycan-teichoic acid Lipoteichoic acid Cytoplasmic membrane Cytoplasm

34. Peptidoglicano y ácido teicóico

35. Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates Essentials of Glycobiology Chapter 20, Figure 1 Second Edition

36. Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases Essentials of Glycobiology Chapter 20, Figure 4 Second Edition

37. Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid Essentials of Glycobiology Chapter 20, Figure 5 Second Edition

38. Structure of the cell wall of mycobacteria Essentials of Glycobiology Chapter 20, Figure 8 Second Edition

39. FLAGELLA • Some bacteria are motile • Locomotory organelles- flagella • Taste environment • Respond to food/poison • chemotaxis

40. flagelos • Flagella • embedded in cell membrane • project as strand • Flagellin (protein) subunits • move cell by propeller like action

41. Axial filaments • spirochetes • similar function to flagella • run lengthwise along cell • snake-like movement

42. Making Wall-less forms • Result from action of: • enzymes lytic for cell wall • antibiotics inhibiting peptidoglycan biosynthesis • Usually non-viable • Wall-less bacteria that don’t replicate: • spheroplasts (with outer membrane) • protoplasts (no outer membrane). • Wall-less bacteria that replicate • L forms

43. Naturally Wall-less Genus • Mycloplasma • Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos. • Pleiomórficos

44. Pili (fimbriae) • hair-like projections of the cell • sexual conjugation • adhesion to host epithelium

45. Capsules and slime layers • outside cell envelope • well defined: capsule • not defined: slime layer or glycocalyx • usually polysaccharide • often lost on in vitro culture • protective in vivo

46. Colonies of Bacillus anthracis. CDC. • The slimy or mucoid appearance of a bacterial colony is usually evidence of capsule production. • In the case of B. anthracis, the capsule is composed of poly-D-glutamate. • The capsule is an essential determinant of virulence to the bacterium. • In the early stages of colonization and infection the capsule protects the bacteria from assaults by the immune and phagocytic systems. http://bioinfo.bact.wisc.edu/themicrobialworld/structure.html

47. Endospores (spores) • Dormant cell • Produced when starved • Resistant to adverse conditions • high temperatures • organic solvents • contain calcium dipicolinate • Bacillus and Clostridium

48. Pared celular de Archaea • No contiene peptidoglicano • Puede ser de • pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+ • pseudomureina cubierta de proteína, tiñe G+ • monocapa superficial de proteina o glicoproteina, sin pseudomureina (algunos halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G- • Existen Archaea sin pared

49. Pseudopeptidoglicano de Archaea

50. Funciones de la pared • Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis). • Comunicación con el medio exterior. • Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) • Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). • Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)