1 Bioquímica y fisiología microbianaTema 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 ambienteCómo puede alterarse para contender con cambios en el ambiente Cómo puede reproducirse a partir de sustratos simples del ambiente
6 Palabras clave Prokaryotic Outer membrane Eubacteria (Bacteria)Periplasmic space Archaebacteria (Archaea) 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 microorganismosUbicuos, 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 microorganismosHabían 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 crecimientoPsicrófilos: -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 ~7Alcalinófilos: pH alto ~10
13 Salinidad Halófilos. Alta salinidad
14 Oxígeno Aerobios obligados: requieren O2Aerobios 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 Aceptor de electrones terminalenergía: luz vs química carbono: orgánica vs inorgánica Aceptor de electrones terminal
16 Púrpuras no sulfurosas CO2 fotoautótrofasFuente 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 indicusBastón 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 estudioTiempo 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 BFMEscherichia 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 LinealVarios circulares Varios lineales Circular a veces lineal a veces Ninguna de las anteriores
22 El paradigma de E. coli
23 Características morfológicas de los microorganismosForma, bacilos, cocos, espirilos Tamaño Coloración de Gram, positivo o negativo Formación de esporas, endosporas
24 Forma Bacilos: con forma alargada Cocos: con forma redondeadaEspirilos: con forma helicoidal Vibrión: con forma de coma ortográfica
25 Tamaño om/cou_pol/industries/ care/microbial_size.cfm
26 Movilidad Cilios, pequeños Flagelos, grandesFimbriae o pili, estructura tubular rígida
27 Diferencias entre eucariontes y procariontes
28 Gram Stain-Tinción de GramThe Cell Envelope Gram Stain-Tinción de Gram Gram Positive Gram Negative
29 The cell wall is outside of cell membrane 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 barrierspace between inner and outer membrane periplasmic space store degradative enzymes Gram positive bacteria no periplasmic space
31 GRAM NEGATIVE CELL ENVELOPEOuter Membrane (Major permeability barrier) Lipopolysaccharide Porin Braun lipoprotein Periplasmic space Degradative enzyme Periplasmic binding protein Permease Inner (cytoplasmic) membrane Cytoplasm
32 GRAM POSITIVE CELL ENVELOPEDegradative enzyme Peptidoglycan-teichoic acid Lipoteichoic acid Cytoplasmic membrane Cytoplasm
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34 Peptidoglicano y ácido teicóico
35 Essentials of GlycobiologyChapter 20, Figure 1 Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates Essentials of Glycobiology Second Edition FIGURE Schematic representation of the cell wall of Gram-negative bacteria showing several layers of polysaccharides and glycoconjugates. The periplasm contains peptidoglycan, which is a copolymer of N-acetylglucosamine and N- acetylmuramic acid with peptide cross-links, and a class of β-glucans known as membrane-derived oligosaccharides (MDO). The outer leaflet of the outer membrane is rich in lipopolysaccharide (LPS). In mucoid strains, a capsular polysaccharide covers the entire cell (not shown). (Red lipids) Phosphatidylethanolamine; (yellow lipids) phosphatidylglycerol; (Kdo) 3-deoxy-d-mannooctulosonic acid; (heptose) l- glycero-d-manno-heptose; (n) variable number of O-antigen repeats; (PPEtn) pyrophosphoethanolamine.
36 Synthesis of peptidoglycan occurs in three phasesChapter 20, Figure 4 Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases Essentials of Glycobiology Second Edition FIGURE Synthesis of peptidoglycan occurs in three phases: assembly of precursor in the cytoplasm, transport across the inner membrane, and polymerization. The lipid-linked muropeptide (lipid I) is generated in the cytoplasm from amino acids and UDP-MurNAc (MurNAc is depicted by orange squares). Transfer of N- acetylglucosamine (blue squares) from UDP-GlcNAc completes formation of the precursor lipid II. Translocation across the inner membrane occurs, and subsequently, the chain polymerizes while attached to the lipid carrier. The unit is then transferred to existing peptidoglycan. (PEP) Phosphoenolpyruvate; (m-DAP) meso-diaminopimelic acid.
37 Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acidChapter 20, Figure 5 Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid Essentials of Glycobiology Second Edition FIGURE Structure of Streptococcus pyogenes peptidoglycan with teichoic acid. The strands of peptidoglycan are cross-linked by a pentapeptide with an amino acid composition different from that of E. coli. The teichoic acid consists of a polymer of glycerol phosphate linked to peptidoglycan. Lipoteichoic acids and teichuronic acids are not shown. (Orange squares) N-acetylmuramic acid (MurNAc); (blue squares) N- acetylglucosamine (GlcNAc); (green square) N-acetylmannosamine (ManNAc); (R) monosaccharides or d-alanine.
38 Structure of the cell wall of mycobacteriaChapter 20, Figure 8 Structure of the cell wall of mycobacteria Essentials of Glycobiology Second Edition FIGURE Structure of the cell wall of mycobacteria. (Derived from Brennan P.J. and Crick D.C Curr. Top. Med. Chem. 7: 475–488.)
39 FLAGELLA Some bacteria are motile Locomotory organelles- flagellaTaste environment Respond to food/poison chemotaxis
40 flagelos Flagella embedded in cell membrane project as strandFlagellin (protein) subunits move cell by propeller like action
41 Axial filaments spirochetes similar function to flagellarun lengthwise along cell snake-like movement
42 Making Wall-less formsResult 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 GenusMycloplasma Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos. Pleiomórficos
44 Pili (fimbriae) hair-like projections of the cell sexual conjugationadhesion to host epithelium
45 Capsules and slime layersoutside 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.
47 Endospores (spores) Dormant cell Produced when starvedResistant to adverse conditions high temperatures organic solvents contain calcium dipicolinate Bacillus and Clostridium
48 Pared celular de ArchaeaNo 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.)
51 La membrana celular Estructura:Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al colesterol En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman monocapas.
52 Estructura de la Membrana Citoplasmática
53 Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces químicosEster - Bacteria Eter - Archea Isopreno
54 Funciones de Membrana CitoplasmáticaBarrera de Permeabilidad sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, pueden atravesar la membrana por difusión. Ancla de Proteínas transporte, generación de energía, quimiotaxis Generación de fuerza proton motriz En fotótrofas: Estructuras intracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintético (Vesículas, túbulos, tipo tilacoides) Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.
55 Membrana citoplasmática de E. coli
56 Nutrición Fuente de Aceptor de electrones terminalenergía: luz vs química carbono: orgánica vs inorgánica Aceptor de electrones terminal
57 Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y EucaryaPropiedad Bacteria Eucarya Archaea Membrana nuclear NO SI Organelos Tamaño ribosoma 70S 80S Peptidoglicano en la pared Esteroles en membrana (hopanoides) Lípidos de membrana Ester unidos a glicerol Ester unido a glicerol Eter, ramificados
58 Ejemplo Coloramator indicusBastón Gram positivo inmóvil no esporulante. Quimiorganotrófico y anaerobio obligado Alcalinotrófico, termófilo que puede fermentar una gran cantidad de carbohidratos
59 Los microorganismos como modelo de estudioTiempo 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
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61 Clasificación por la nutrición y la fuente de energíaRedox quimiótrofos Luz fotótrofos Carbono Orgánico quimioheterótrofos CO2 quimioautótrofos Orgánico Fotoheterótrofos Verdes no sulfurosas Púrpuras no sulfurosas CO2 fotoautótrofas Aceptor final de electrones O2 Animales, protozoarios, hongos, bacterias H2O No H2O No O2 Fotosíntesis Anoxigenica verdes y púrpuras sulfurosas Fotosíntesis Oxigenativa Orgánico Streptococcus Inorgánico Clostridium