Factores Clave en la Nutrición, Metabolismo y Crecimiento Bacteriano

Factores que influyen en la Nutrición Bacteriana

Humedad

El agua es un elemento crucial para las bacterias:

• Principal constituyente del protoplasma bacteriano.
• Medio universal donde ocurren las reacciones biológicas.
• Producto resultante de algunas reacciones bioquímicas.

El agua puede ser:

• Endógena (producto de reacciones de óxido-reducción).
• Exógena (proveniente del medio).

La disponibilidad de agua se mide como actividad del agua (potencial de agua, a_w):

• Bacterias oligotróficas: a_w cercano a 1.
• Bacterias en sangre y fluidos: a_w = 0.995.
• E. coli y Streptococcus: a_w cercano a 0.995.
• V. cholerae y Pseudomonas: a_w de 0.980.
• Bacterias xerófilas: a_w de 0.75.

Temperatura

• Mesófilas: 20 – 40ºC (mayoría en agua, suelo y patógenos).
• Psicrófilas: por debajo de 20ºC (estrictas y facultativas).
• Termófilas: 40 – 70ºC.
• Termófilos extremos: por encima de 70ºC.
• Hipertermófilas: por encima de 100ºC.

Ejemplos:

• E. coli: 37ºC.
• Pseudomonas: hasta 5ºC (psicrótrofa o facultativa).

pH

• Acidófilas: Lactobacillus, Thiobacillus, Helicobacter.
• Neutrofílicas: Pseudomonas, E. coli.
• Alcalófilas: en lagos salinos, ej. Natronobacterium.

Presión osmótica

El contenido celular tiene mayor presión que el medio.

• Halófilas: viven en altas concentraciones de sal.

Presión hidrostática

• E. coli: crece hasta en 300 atmósferas.
• Barófilas: en el fondo del océano, hasta 1500 atmósferas.

Metabolismo Bacteriano

• Metabolismo aerobio: el O₂ es el aceptor final de electrones. La glucosa produce 38 moléculas de ATP.
• Metabolismo anaerobio (fermentación): una molécula orgánica es el aceptor final. Se producen 2 ATP.

Comprende 5 etapas secuenciales:

1. Mecanismos de entrada.
2. Reacciones catabólicas.
3. Biosíntesis.
4. Polimerización.
5. Ensamblaje.

Mecanismos de entrada

• En Gram (+), los sustratos deben atravesar las capas de mureína y plasmalema.
• En Gram (-), deben atravesar las porinas, el espacio periplásmico y el plasmalema.
• El plasmalema impide el paso de moléculas hidrofílicas. Las permeasas transportan a través de la membrana.

Reacciones catabólicas

Se transforman los sustratos en metabolitos precursores, ATP y poder reductor. La glucosa, principal carbohidrato, sigue 3 vías.

Reproducción Bacteriana

Ciclo celular

Secuencia de acontecimientos que comienza con la formación de una nueva célula y termina cuando dicha célula se divide en otras dos hijas.

Períodos

• Fase C (equivalente a la S eucariótica): replicación del ADN cromosómico.
• Fase D (equivalente a G2 + M): se distingue porque su terminación coincide con el final de la división celular.
• Fase innominada, equivalente a la G1 eucariótica.

Las fases C y D son relativamente constantes, y por lo tanto, cuando disminuye el tiempo de generación (g), lo hace a expensas de la fase “G1”. Por ejemplo, en Escherichia coli, C = unos 40 min, y D = unos 20 min.

Crecimiento Bacteriano

Se dividen por fisión binaria o bipartición.

• Tiempo de duplicación o de generación: período desde que crece una célula, se divide y da lugar a dos nuevas células.
• E. coli: 18’ en medio de cultivo, 12 horas en el intestino.
• Tasa de crecimiento: tiempo de duplicación por hora.
• E. coli: 60/18 = 3,3 generaciones por hora.
• Crecimiento microbiano: aumento de la masa celular = incremento del número de células. “Es exponencial”.

Cultivo continuo (sistema abierto)

Cultivo balanceado mantenido por tiempo indefinido por un sistema abierto de flujo compuesto por:

• Una cámara de cultivo de volumen constante.
• A la que llega un suministro de nutrientes desde una cámara reservorio.
• Desde la cámara de cultivo se elimina parte del cultivo y de sustancias tóxicas por un dispositivo de rebosadero.

Métodos de Determinación del Crecimiento Bacteriano

Número de células

Vivas y muertas

• Recuento en cámara.
• Recuento indirecto en portaobjetos.
• Contador automático de partículas.
• Nefelometría.

Vivas

• Recuento en medio sólido.
• Filtración sobre membrana.

Masa celular

Directos

• Determinación de peso seco.
• Estimación de proteínas.

Indirectos

• Turbidimetría.
• Acumulación de metabolito.
• Consumo de un nutriente.

Pared Bacteriana

Peptidoglucano (PG)

Composición química

La unidad disacarídica que se repite es:

• N-acetilglucosamina (NAG).
• N-acetilmurámico (NAM).

Las distintas unidades disacarídicas se unen entre sí mediante enlaces β(1—4): Muy compacto. Este enlace puede ser roto por la lisozima. La cadena tetrapeptídica sale desde el grupo –COOH del lactilo de cada NAM y suele ser: L-ala à D-glu à m-DAP à D-ala.

Estructura global del PG de bacterias Gram +

• Múltiples capas de PG (distintos niveles, hasta 50 en especies de Bacillus).
• La mayoría de NAM tienen tetrapéptidos.
• Contiene inmerso:
  • Ácidos teicoicos: polímeros de ribitol-P o glicerol-P.
  • Ácidos teicurónicos: copolímeros de urónicos y aminoazúcares.
  • Ácidos lipoteicoicos: glicerol-teicoicos unidos al plasmalema. Sus extremos quedan expuestos hacia el exterior.

Consecuencia: red tridimensional gruesa, con poros pequeños, más compacta que en Gram (-).

Pared de las bacterias ácido-alcohol resistentes (AAR)

Pared especial de ciertas Gram-positivas: Nocardia, Mycobacterium. Resisten la decoloración con clorhídrico-etanol (ácido-alcohol resistentes). Esta propiedad deriva de:

• Ácidos micólicos: forman parte de un esqueleto muy peculiar de la pared celular: PG à arabinogalactano à ácidos micólicos.
• Glucolípidos.
• Ceras.

PG de bacterias Gram-negativas

• 1 o unas pocas capas de PG.
• Malla floja con grandes “poros”: 50% de NAM carece de tetrapéptidos.
• Estructuralmente más compleja que Gram-positivas.
• El delgado peptidoglucano está inmerso en un compartimento llamado espacio periplásmico.
• Espacio periplásmico (lleno con el gel periplásmico), el cual a su vez limita con la membrana externa.

Membrana externa de Gram (-)

Bicapa proteolipídica:

• Lámina externa: 60% proteínas, 40% lipopolisacáridos (LPS).
• Lámina interna: fosfolípidos, lipoproteínas.

LPS

• Región proximal: lípido A (hidrófobo).
• Región intermedia: oligosacárido medular.
• Región distal: polisacárido hidrófilo à antígeno “O”.

Membrana externa de Gram (-)

Lípido A (endotoxina)

• Resistencia a detergentes y solventes.
• Activa el sistema inmune.
• Induce fiebre, hipotensión, necrosis de tejidos.

• Antígeno “O”: condiciona la virulencia.
• Lipoproteína de Braun: inmersa en el espacio periplásmico, une las lipoproteínas del plasmalema con la de la membrana externa.
• Porinas: canales que atraviesan la membrana externa. En enterobacterias protege contra sales biliares. Existen canales específicos para ciertos nutrientes, vitamina B12, etc.

Papel de la membrana externa de bacterias Gram (-)

• Permite el paso de moléculas relativamente pequeñas.
• Protección frente a antibacterianos:
  • Antibióticos.
  • Colorantes.
  • Enzimas (Ej. Lisozima).
  • Ácidos biliares.
• Fijación de proteínas del complemento.
• Adsorción de ciertos fagos.
• Adhesividad, humedad, carga eléctrica.