HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA

Nutrición bacteriana

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CONCEPTOS BÁSICOS
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CONCEPTOS BÁSICOS

Cualquier ser vivo, por su actividad vital (crecimiento, mantenimiento y reproducción) requiere continuos aportes de energía para reponer las pérdidas y, para que todo el sistema pueda funcionar. La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las sustancias químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para los dos objetivos que comprende el metabolismo:

  1. fines energéticos o catabolismo (reacciones de mantenimiento)
  2. fines biosintéticos o anabolismo (reacciones plásticas ).
Las biosíntesis de nuevos componentes celulares son procesos que requieren energía procedente del medio ambiente. Anteriormente señalamos los principales modos de captación y obtención de energía existentes en las bacterias.

El estudio de la nutrición microbiana se puede desglosar en varios apartados: así, podemos considerar los tipos de nutrientes requeridos, los aspectos cuantitativos, e incluso podemos abordar los aspectos ambientales (en cuyo caso entramos dentro del campo de la Ecofisiología). Igualmente podemos estudiar la aplicación práctica de la nutrición bacteriana, que se plasma sobre todo en el diseño de medios de cultivo para manejar los microorganismos en el laboratorio.

Es importante tener claros desde el principio una serie de conceptos y nomenclaturas relacionados con los principales tipos de nutrición bacteriana. Puesto que, como acabamos de ver, la nutrición presenta un aspecto de aprovisionamiento de energía y otro de suministro de materiales para la síntesis celular, podemos hablar de dos "clasificaciones" de tipos de nutrición:

Desde el punto de vista de los fines de aprovisionamiento de energía, las bacterias se pueden dividir en:

  1. litotrofas (del griego lithos = piedra): son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH2 , S0, NH3, NO2-, Fe, etc.).
  2. organotrofas: requieren compuestos orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, ......).

Desde el punto de vista biosintético (o sea, para sus necesidades plásticas o de crecimiento), las bacterias se pueden dividir en:

  1. autótrofas: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias inorgánicas sencillas. Ahora bien, habitualmente el concepto de autotrofía se limita a la capacidad de utilizar una fuente inorgánica de carbono, a saber, el CO2.
  2. heterótrofas: su fuente de carbono es orgánica (si bien otros elementos distintos del C pueden ser captados en forma inorgánica).
Otros conceptos:
bulletautótrofas estrictas: son aquellas bacterias incapaces de crecer usando materia orgánica como fuente de carbono.
bulletmixótrofas son aquellas bacterias con metabolismo energético litótrofo, pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético.

Sean autótrofas o heterótrofas, todas las bacterias necesitan captar una serie de elementos químicos, que se pueden clasificar (según las cantidades en que son requeridos) como

bulletmacronutrientes (C, H, O, N, P, S, K, Mg)
bulletmicronutrientes o elementos traza (Co, Cu, Zn, Mo...)

En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas y/o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso de nutrientes: desde autótrofos que obtienen su carbono por reducción del CO2 y los demás elementos a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterótrofos capaces de usar amplia gama de fuentes orgánicas de carbono.

A su vez, dentro de los heterótrofos, podemos encontrar muchos tipos de nutrición muy distintos, desde bacterias metilotrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de carbono y energía, hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar más de 100 tipos de fuentes de C, incluyendo sustancias tan "exóticas" como hidrocarburos alifáticos y cíclicos. De cualquier modo, entre los heterótrofos, una de las fuentes más típicas de carbono consiste en glucosa.

En los heterótrofos- organotrofos, los sustratos carbonados (con un nivel de oxidación no muy distinto del material celular -CH2O-) entran simultáneamente al:
bulletmetabolismo energético (o catabolismo, donde la fuente de C se transforma en CO2, o en CO2 junto con otras sustancias no totalmente oxidadas);
bulletmetabolismo plástico (anabolismo = biosíntesis de nuevo material celular).
Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H2O, CO2, N2, NO3--, NH3, SO4=, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son muy interesantes. De hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en procariotas.

Como paradigma de esto citaremos los microorganismos quimioautótrofos (o quimiolitoautótrofos): obtienen su energía de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas, el carbono procede del CO2, y el resto de elementos a partir de sales inorgánicas, por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales.

Lo habitual, sin embargo, es que muchas bacterias recurran, siempre que puedan, a tomar del medio ciertos compuestos más complejos, ya que carecen de ciertas rutas biosintéticas.

CLASES DE NUTRIENTES 

Podemos clasificar los nutrientes en las siguientes categorías:

  1. universales: agua, CO2, fosfatos y sales minerales;
  2. particulares
  3. factores de crecimiento

NUTRIENTES UNIVERSALES

El agua

Las bacterias necesitan grandes cantidades de agua. De hecho, salvo excepciones, se pueden considerar como organismos acuáticos. Requieren cierto grado de humedad para crecer. Desde el punto de vista de sus posibles papeles, el agua es:
bulletel principal constituyente del protoplasto bacteriano;
bulletel medio universal donde ocurren las reacciones biológicas;
bulletun reactante en exceso (es decir, un producto resultante de algunas reacciones bioquímicas).
Las fuentes de agua pueden ser:
bulletendógena: procedente de procesos de oxido-reducción;
bulletexógena (la más importante): procedente del medio, y que difunde a través de las membranas.
Ahora bien, no toda el agua de un ambiente está disponible para la bacteria:
bulletExisten determinadas sustancias y superficies que absorben y adsorben (respectivamente), de modo más o menos intenso, moléculas de agua, dejándolas inasequibles a la bacteria.
bulletLos solutos disueltos en agua (p. ej. , sales, azúcares) tienen afinidad por las moléculas de H2O que los rodean, por lo que éstas tampoco estarán a disposición del microorganismo.
La disponibilidad de agua se mide por un parámetro llamado actividad de agua o potencial de agua, indicativo del agua libre, y que se expresa como

aW= PS/PW

donde PS es la presión parcial de vapor de agua en la solución problema y PW es la presión parcial de vapor del agua destilada.

¿Cómo medir el potencial de agua de un medio líquido determinado? Se mide la humedad relativa del aire que hay encima del medio (en frascos), y este valor se refiere al valor de 100, que es la humedad del aire encima del agua destilada. O sea, la aW = humedad relativa/100).

Las bacterias tienen valores de aW normalmente entre 0.90 y 0.99.
bulletBacterias de hábitats oligotróficos (como Caulobacter, Spirillum) tienen aW cercanos a 1.
bulletBacterias como Escherichia y Streptococcus, que viven en sangre y fluidos corporales, tienen aW de alrededor de 0.995.
bulletBacterias marinas como ciertos Vibrio y Pseudomonas encuentran valores de 0.980.
bulletCiertos bacilos Gram-positivos que resisten mejor la sequedad poseen valores de 0.950.
En el extremo de resistencia encontramos ciertas bacterias xerófilas, capaces de vivir a aW muy bajos (en torno a 0.75). Muchas de estas bacterias viven de hecho en medios acuosos, pero donde gran parte del agua no está disponible por las razones arriba citadas:
bulletbacterias halófilas extremas, como la arqueobacteria Halobacterium, que habita lagunas hipersalinas;
bulletbacterias (y sobre todo, ciertos microorganismos eucarióticos como levaduras) sacarófilas, que viven en jugos y zumos con altas concentraciones de azúcares.

El anhídrido carbónico (CO2)

El anhídrido carbónico es requerido por todo tipo de bacterias:
bulletLas autótrofas lo requieren como fuente de carbono, y lo reducen usando como fuente de energía la luz (en el caso de las fotoautótrofas) u oxidaciones de determinadas sustancias inorgánicas (los quimioautolitotrofos).
bulletLas arqueobacterias metanogénicas pueden usar el CO2 como aceptor de los electrones procedentes de la oxidación del H2, proceso por el que obtienen su energía:
CO2 + 4H2 ---------> CH4 + 2H2O ( DG'0<0)
bulletLos heterótrofos, aunque no usan el CO2 como fuente de C ni como aceptor de electrones, necesitan pequeñas cantidades para las carboxilaciones en determinadas rutas anabólicas y catabólicas.
El origen del CO2 puede ser:
bulletendógeno: procedente de descarboxilaciones que ocurren al degradar la fuente orgánica de carbono;
bulletexógeno: el CO2 de la atmósfera o disuelto en las soluciones acuosas.
Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO2 atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias (Neisseria, Brucella), cuando se aíslan por primera vez, requieren atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO2. Ello parece deberse a que poseen alguna enzima con baja afinidad hacia el CO2; sin embargo, tras varios subcultivos, suelen adaptarse a crecer a tensiones normales.

Fósforo

Suele requerirse en forma de fosfatos, sea orgánicos o inorgánicos. Las bacterias que pueden usar los fosfatos orgánicos (merced a la posesión de fosfatasas) no dependen absolutamente de ellos, ya que pueden recurrir igualmente a los fosfatos inorgánicos. Los fosfatos orgánicos son hidrolizados por fosfatasas extracelulares o (en las Gram-negativas) periplásmicas (p.ej., la fosfatasa alcalina).

El fósforo se usa principalmente para la síntesis de los ácidos nucleicos y los fosfolípidos, pero aparece también en coenzimas y en proteínas.

Sales minerales

Las sales minerales son la fuente de aniones (p. ej. el Cl-) y de cationes para la célula. Los siguientes cationes, concretamente, se necesitan en cantidades relativamente grandes: K+, Mg++, Ca++, Fe++.

El ión potasio (K+):
bulletEl ión potasio interviene en la activación de una variedad de enzimas, incluyendo las que participan en la síntesis de proteínas.
bulletEn Gram-positivas está asociado con los ácidos teicoicos de la pared.
El ión magnesio (Mg++):
bulletestabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos;
bulletcomo cofactor en muchas reacciones, especialmente las que implican transferencia de grupos fosfato. Por ejemplo, en las reacciones que requieren ATP, el Mg++ puede unir la enzima al sustrato durante el mecanismo de acción de la primera.
bulletParticipa de las clorofilas y bacterioclorofilas de bacterias fotosintéticas.
El ión calcio (Ca++): es un cofactor de ciertas enzimas, como proteinasas.

El hierro (principalmente como ión ferroso, Fe++) suele estar acomplejado en la naturaleza, formando sales insolubles. Las bacterias disponen de una serie de moléculas, denominadas sideróforos, capaces de captar ese hierro. El hierro:
bulletparticipa en muchas moléculas implicadas en procesos de respiración, como citocromos y ferroproteínas no hémicas (proteínas con Fe-S);
bulletinterviene como cofactor en ciertas enzimas.
bulletforma parte de los magnetosomas, de los cuales depende el comportamiento magnetotáctico capacidad de orientarse en el campo magnético de ciertas bacterias. Se encuentra bajo la forma de magnetita (óxido de hierro ferromagnético) Fe3O4
Aparte de estos iones que se requieren en cantidades relativamente grandes, las bacterias necesitan minúsculas cantidades de otros elementos (oligoelementos), a los que también se denomina como micronutrientes o elementos traza.
bulletEl manganeso (Mn++) es un cofactor de ciertas enzimas, y a veces puede sustituir al Mg++.
bulletEl cobalto (Co++) se requiere casi exclusivamente para la vitamina B12 (de hecho, si suministramos esta vitamina al medio, la bacteria se vuelve independiente del Co++ libre).
bulletEl zinc interviene en la estabilización de complejos enzimáticos como las ADN- y ARN-polimerasas.
bulletEl molibdeno participa en las llamadas molibdoflavoproteínas, implicadas en la asimilación de nitratos. Por otro lado, participa como cofactor, junto con el Fe, en el complejo nitrogenasa de las bacterias fijadoras de N2 atmosférico.
bulletEl níquel participa en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H2.

NUTRIENTES PARTICULARES

Se trata de elementos que pueden ser cubiertos de modo muy distinto, dependiendo del tipo de bacteria que consideremos. Concretamente, los elementos N y S (que requieren todos los seres vivos) pueden ser captados por las bacterias de modos muy distintos, dependiendo de sus capacidades biosintéticas.

Tanto el N como el S se encuentran en la célula en estado reducido:
bulletel radical -NH2 forma parte de los aminoácidos (que a su vez son los sillares de las proteínas) y de las bases nitrogenadas (que participan en los ácidos nucleicos y en algunas coenzimas);
bulletel radical -SH interviene en determinados aminoácidos y en coenzimas como la CoA.
¿En qué formas químicas entran N y S a las bacterias?

La mayoría de bacterias fotosintéticas y muchas heterotrofas asimilan estos elementos en forma combinada inorgánica oxidada:
bulletcomo NO3--, merced a la actuación secuencial de nitrato- reductasas y nitrito- reductasas asimilatorias
bulletcomo SO4=. Este sulfato se activa con ATP, y luego se reduce hasta sulfito y finalmente sulfhídrico, que ya tiene el estado de reducción adecuado para la incorporación del S.
Muchas bacterias heterótrofas pueden usar alguna forma reducida:
bulletde N inorgánico: amonio (NH4+)
bulletde S inorgánico: sulfuros (S=, SH-)
bulletde N orgánico: aminoácidos, péptidos
bulletde S orgánico: cisteína.
Muchas de las bacterias que pueden usar amonio como única fuente de nitrógeno también pueden usar nitratos.

FIJACIÓN DE NITRÓGENO

La atmósfera contiene enormes cantidades de nitrógeno no combinado (libre) en estado gaseoso: el nitrógeno molecular o dinitrógeno (N2), que procede de microorganismos denitrificantes (véase el capítulo 15). Sin embargo, esta gran reserva sólo puede servir de fuente de nitrógeno a ciertos procariotas, las llamadas bacterias fijadoras de nitrógeno o diazotrofos. Esta notable capacidad bioquímica no ha evolucionado en eucariotas. (Lo más a que ha llegado la evolución es a seleccionar ciertos tipos de asociaciones simbióticas entre procariotas diazotrofos y ciertos eucariotas). En una época todo el nitrógeno de los seres vivos fue procesado por estas bacterias, que toman el nitrógeno atmosférico (N2) y lo modifican en manera tal que pueden ser utilizados por los organismos vivos como nitratos o amoníaco NH3

Desarrollo de un nódulo en una raíz de ciertas plantas (en general leguminosas) donde viven bacterias en simbiosis con ella 

 

Vía metabólica que fija el nitrógeno atmosférico N2, y lo convierte en amoníaco NH3

La fijación del N2, es un proceso de reducción que convierte el nitrógeno molecular en amoniaco, según la siguiente ecuación:

N2 + 8H+ + 8e + 18 ATP -->2NH3 + H2 + 18 (ADP + Pi)

Esta reacción está catalizada por un complejo enzimático denominado nitrogenasa o dinitrogenasa, que consta de dos componentes:
bulletComponente I o nitrogenasa propiamente dicha; posee un cofactor de hierro y molibdeno (FeMoCo) que forma parte del centro activo. Por ello, a este componente también se le conoce como molibdoferroproteína. (En realidad existen dos copias del cofactor, cuya estequiometría es MoFe7S9-homocitrato)
bulletComponente II o nitrogenasa- reductasa, que posee átomos de Fe acomplejados con S de determinadas cisteínas (por lo que este componente se denomina a veces ferroproteína).
Dos cosas llaman la atención de la ecuación anterior:
bulletObsérvese que la reacción requiere un gran aporte de energía en forma de al menos 18 ATP (en ocasiones puede llegar a 24 ATP). Ello se debe a que el dinitrógeno (N=N) es una molécula extremadamente inerte (su energía de disociación es de 940 kJ), y su reducción precisa una gran energía de activación para transferirle 6 electrones.
bulletParte de la actividad nitrogenasa (así como ATP y electrones) "se pierden" en reducir dos iones H+ hasta H2. Se desconoce la razón de este "despilfarro", pero se sabe que es un efecto intrínseco de este complejo enzimático.
Los electrones para la reducción llegan al complejo por medio de una ferredoxina, que los transfiere al componente II, que queda reducido al tiempo que por cada dos electrones transferidos se hidroliza una molécula de ATP. La nitrogenasa-reductasa reducida se asocia entonces con la nitrogenasa (=componente I), y le transfiere los electrones. Una vez reducida la molibdoferroproteína, ésta transfiere los electrones (y los protones) al N2, hasta convertirlo en dos moléculas de amoniaco. (El centro activo es FeMoCo).

Un aspecto muy importante del complejo nitrogenasa es su extrema sensibilidad al oxígeno, de modo que queda rápida e irreversiblemente inactivado por este gas. Ahora bien, esto no significa que la capacidad de diazotrofía esté relegada a bacterias anaerobias, ya que, la evolución ha "inventado" distintas estrategias para proteger a la nitrogenasa en fijadores aerobios como las cianobacterias que han confinado el sistema al interior de células con gruesas paredes (los heterocistos).

Debido a lo "caro" que resulta fijar nitrógeno, no es extraño comprobar que este proceso esté regulado de forma muy estricta ante la presencia en el medio de fuentes combinadas de nitrógeno (nitratos, amonio, aminoácidos):
bulletla actividad nitrogenasa se ve inhibida ante la presencia de N combinado; ante N combinado,
bulletse reprime la transcripción de los genes codificadores de la nitrogenasa y demás funciones relacionadas (genes nif, fijadores de nitrógeno).
La nitrogenasa es una enzima relativamente "inespecífica", ya que puede reducir otras pequeñas moléculas provistas de triples enlaces, como cianuros (N=C-) y acetileno (HC=CH). La reducción de acetileno a etileno sirve de base al método más usual de medir la actividad nitrogenasa, el llamado ensayo de reducción del acetileno, que se registra mediante aparatos de cromatografía gaseosa.

FACTORES DE CRECIMIENTO

Los factores de crecimiento son moléculas orgánicas específicas que, en muy pequeña cantidad, algunas bacterias necesitan para crecer. Salvo excepciones no tienen función plástica (no son sillares de macromoléculas) ni sirven como fuente de energía. Suelen ser coenzimas o sus precursores, vitaminas, que determinadas bacterias no pueden fabricar por sí mismas, al carecer de parte o toda de una ruta biosintética.

Ejemplos:
bulletlas bacterias del género Brucella requieren como factores de crecimiento en sus medios de cultivo la biotina, niacina, tiamina y ácido pantoténico.
bulletHaemophilus necesita suplementos de grupos hemo y  piridín-nucleótidos.
bulletEn la siguiente tabla se muestran algunas de las vitaminas y cofactores requeridos por algunas bacterias:
 
Factor o vitamina Funciones principales
p-aminobenzoico (PABA) Precursor del ácido fólico
Ácido fólico Metabolismo de compuestos C1, transferencia de grupos metilo.
Biotina Biosíntesis de ácidos grasos; fijación de CO2
Cobalamina (vitamina B12) Reducción y transferencia de compuestos C1; síntesis de desoxirribosa
Niacina (ácido nicotínico) Precursor del NAD; transferencia de electrones en reacciones redox
Riboflavina Precursor de FAD y FMN 
Ácido pantoténico Precursor de la CoA
Tiamina (vitamina B1) Descarboxilaciones; transcetolasas
Complejo B6 (piridoxal, piridoxamina) Transformaciones de aminoácidos y cetoácidos
Grupo Vitamina K, quinonas Transportadores de electrones (ubiquinonas)

MEDIOS DE CULTIVO Y CONDICIONES DE CRECIMIENTO

El conocimiento de la nutrición microbiana permite el cultivo de los microorganismos en el laboratorio. Como acabamos de ver, en general, todos los microorganismos tienen parecidos requerimientos de macro- y micronutrientes, aunque ha quedado claro que la forma en que cada nutriente es captado puede variar mucho entre unas bacterias y otras, así como la cantidad relativa de cada nutriente. Los microbiólogos, en su trabajo cotidiano, están acostumbrados a manejar multitud de "recetas" o fórmulas correspondientes a muchos tipos de medios de cultivo.

Un medio de cultivo es una solución acuosa (bien como tal, o bien incorporada a un coloide en estado de gel) en la que están presentes todas las sustancias necesarias para el crecimiento de un (os) determinado (s) microorganismo (s). Los medios de cultivo se pueden clasificar, en primera instancia, en tres grandes tipos:

1) Medios complejos o indefinidos: su composición química exacta se desconoce, ya que son el producto de realizar infusiones y extractos de materiales naturales complejos:

Ejemplos:
bulletExtracto de carne
bulletExtracto de levadura
bulletAutolizado de levadura
bulletPeptona de carne o de soja
bulletDigeridos de caseína (de la leche).
bulletDigeridos de embrión de semilla de algodón
Con ellos se logra un tipo de medio rico nutricionalmente, aunque indefinido químicamente. Si lo que pretendemos simplemente es obtener un buen crecimiento bacteriano, este tipo de medios es ideal, ya que su confección es fácil y rápida (basta pesar una cierta cantidad del extracto desecado, suministrado por casas comerciales, disolverlo en agua y esterilizar en autoclave, antes de inocular e incubar la bacteria con la que queramos trabajar). Estos medios contienen fuentes variadas de C y N orgánicos, sales minerales y micronutrientes. Sin embargo, con ellos no podemos tener un control nutricional preciso, ya que desconocemos la composición química y proporción exacta de los distintos nutrientes.

2) Medios sintéticos o definidos: se obtienen disolviendo en agua destilada cantidades concretas de distintas sustancias químicas puras, orgánicas y/o inorgánicas. La composición concreta de un medio sintético dependerá de la bacteria que queramos cultivar: lógicamente, un medio definido para una bacteria con grandes capacidades biosintéticas será más sencillo que el medio definido de otra bacteria con menores posibilidades biosintéticas.

3) En tercer lugar, podemos fabricar un tipo de medio "mezcla" de los anteriores, denominado medio semisintético: llevan algunas sustancias químicas cuya naturaleza y cantidad conocemos, junto con sustancias de naturaleza y composición indefinidas.

Cualquiera que sea el tipo de medio, de los tres que acabamos de citar, podemos elaborar dos tipos de "versiones", según su estado aparente:
bulletmedios líquidos
bulletmedios sólidos: derivan de los líquidos simplemente añadiendo a la solución nutritiva un coloide en estado de gel, que solidifica (da consistencia) a esta solución.
En los primeros tiempos de la Bacteriología sólo se conocía como sustancia gelificante incorporable a los medios la gelatina. Sin embargo, presenta muchos inconvenientes, ya que funde a 25oC (por encima de esta temperatura el medio se licua), y además, muchas bacterias presentan gelatinasas que hidrolizan la gelatina.

El gelificante más usado es el agar-agar, extraído de algas rojas (p. ej. Gelidium), del cual existen versiones más o menos purificadas (las más puras están más enriquecidas en el polisacárido agarosa; son las que se emplean para los medios definidos, con objeto de evitar la introducción de sustancias "contaminantes" inadvertidas que falseen las interpretaciones sobre el comportamiento nutricional de la bacteria).

El agar presenta la gran ventaja de que una vez gelificado, no funde hasta cerca de los 100 oC, lo que permite su uso para la inmensa mayoría de bacterias, que son mesófilas.

Para cultivar ciertas bacterias (sobre todo los quimioautótrofos) se suele recurrir a un gelificante inorgánico, el silicagel o gel de sílice.

Finalmente, introduciremos otra serie de conceptos relativos a medios de cultivo, que al igual que los anteriores, serán tratados con la suficiente amplitud en las sesiones de clases prácticas:

Concentración de iones hidrógeno

El establecimiento de un pH inicial óptimo y en muchos casos su mantenimiento durante el crecimiento es de gran importancia, sobre todo para aquellos microorganismos que a pesar de producir ácidos no los toleran. La mayoría de los microorganismos desarrolla a pH 7 (Alcaligenes, Pseudomonas), tan solo unos pocos lo hacen a valores de pH bajos por lo cual se denominan acido tolerantes (Lactobacillus, Acetobacter) o realmente acidófilas (Thiobacillus, Sulfolobus, Helicobacter) que medran a pH alrededor de 2, la figura que sigue muestra un esquema de distribución de preferencias de algunas bacterias. 

Temperatura: Los microorganismos presentan distintos comportamiento en cuanto a temperatura requerida para su incubación. La mayoría de las bacterias del agua o del suelo son mesófilas crecen entre 20 oC y 42 oC. Otros comportamientos en referencia la temperatura son: psicrófilo, por debajo de 20 oC; termófilo: entre 40 y 70 oC; termófilos extremos: por encima de los 70 oC; hipertermófilos: por encima de 80 y 100 oC. La figura muestra algunos ejemplos de bacterias que crecen a diferentes temperaturas.

RELACIONES DE LAS BACTERIAS CON EL OXÍGENO

Dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos. Veamos los tipos de bacterias según sus relaciones con el oxígeno:

Bacterias aerobias: Necesitan O2 para crecer, ya que lo usan (al menos en algunas ocasiones) como aceptor final de electrones para la captación de energía química.
bulletAlgunos aerobios requieren para crecer tensiones de oxígeno inferiores a la atmosférica (del 2 al 10% de O2, en lugar del 20%). A estas bacterias se las califica como microaerófilas.
bulletAlgunas microaerófilas lo son permanentemente (microaerófilas estrictas).
bulletOtras se comportan como microaerófilas sólo cuando crecen usando determinadas fuentes de energía química o de nitrógeno (microaerófilas condicionales).
Bacterias anaerobias: Son aquellas que pueden crecer en ausencia de oxígeno, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del oxígeno, o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo.
bulletAnaerobias estrictas: El oxígeno les resulta tóxico ya que carecen de catalasa y peroxidasa. Por lo tanto, no pueden eliminar los productos nocivos resultantes del oxígeno. (Por ejemplo, las especies de Clostridium, y las arqueobacterias metanogénicas).
bulletAnaerobias aerotolerantes: Al igual que las anteriores, presentan un metabolismo energético anaerobio, pero soportan el oxígeno debido a que poseen enzimas detoxificadores. Ejemplos típicos son las bacterias del ácido láctico, como Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus). También se les llama anaerobios indiferentes.
bulletAnaerobios facultativos: Pueden realizar metabolismo energético aerobio o anaerobio, dependiendo del ambiente y la disponibilidad de aceptores finales de electrones. Ejemplos son las enterobacterias como Escherichia coli.

Algunos tipos de medios de cultivo

Medios selectivos son aquellos que permiten seleccionar un tipo (o unos pocos tipos) de microorganismos. En el laboratorio se emplean mucho medios selectivos sólidos que incorporan ciertas sustancias que inhiben el crecimiento de ciertas bacterias, pero permiten el crecimiento de otras. (P. ej. medios que llevan violeta cristal inhiben el crecimiento de bacterias Gram-positivas).

Medios diferenciales son aquellos que permiten distinguir a simple vista dos o más tipos de bacterias en función de su distinto comportamiento respecto de algún nutriente del medio. Ese comportamiento diferencial se traduce normalmente en un viraje de color de una sustancia indicadora presente en el medio.

Ejemplos:
bulleten el medio EMB (eosina-azul de metileno) ciertos tipos metabólicos de bacterias producen cambios de color y precipitación de sales cuando producen ácidos por fermentación de ciertas fuentes de carbono.
bulletEl medio llamado agar-sangre lleva un 5% de sangre de caballo o carnero, lo cual revela la capacidad (y el tipo) de hemólisis de ciertas bacterias.
Algunos medios son simultáneamente selectivos y diferenciales.

P. ej., el agar de MacConkey, que el alumno manejará en los prácticos. Se trata de un medio de color rosado y transparente, que posee, entre otras sustancias, lactosa, peptonas, el colorante vital rojo neutro, sales biliares y violeta cristal.

Este medio es selectivo contra muchas bacterias Gram-positivas debido al violeta cristal, y también contraselecciona muchas Gram-negativas debido a las sales biliares (que son agentes tensioactivos que desorganizan muchas membranas externas). En cambio, las Enterobacterias están evolutivamente adaptadas a soportar sales biliares en su hábitat natural (el intestino de vertebrados superiores), y pueden crecer en este medio. En su faceta de medio diferencial, el agar MacConkey permite visualizar dos tipos de Enterobacterias según que puedan o no fermentar la lactosa, con producción de ácidos. Las bacterias fermentadoras de lactosa (Lac+), excretan al medio gran cantidad de ácidos orgánicos, lo que provoca que sus colonias, y sus alrededores aparezcan de color rojo intenso, debido al viraje del rojo neutro; además, se forma un halo turbio a cierta distancia de estas colonias, fenómeno ocasionado por la precipitación de las sales biliares inducida por la acidez. En cambio, las bacterias Lac-, al no poder usar la lactosa, recurren como fuente de C a las peptonas, a las que desaminan: incorporan el esqueleto carbonado, excretando iones NH4+, que alcalinizan el medio de cultivo, lo cual se traduce en que el indicador rojo neutro vira a amarillo.

Cultivos sobre soporte sólido inerte

Desde hace un tiempo estamos utilizando en la cátedra un soporte poroso inerte las "perlitas" material que tiene la característica de ser barato, fácilmente esterilizable y con una gran capacidad de retención de líquidos en sus oquedades lo cual permite variados cultivos.

Microscopía Electrónica de Barrido (EMB) de levaduras cultivadas sobre "perlitas"

 

Microscopía Electrónica de Barrido (EMB) de Mucor sp. cultivado sobre "perlitas"

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bulletGIBSON, EVERETT K. et al (1998) ¿Hay vida en Marte?, Investigación y Ciencia, Febrero,10-17
bulletMADIGAN, MICHAEL T. et al (1997) Extremófilos, Investigación y Ciencia, Junio, 60- 66
bulletFREDRIKSON, JAMES K. et al (1996) Vida en las profundidaes de la Tierra, Investigación y Ciencia, Diciembre,22-28
bulletInmovilización de células en un sólido poroso; Glibota G.; Garro O.; Raisman J.; Judis, M.A.- Reunion de Comunicaciones Científicas y Tecnologicas-Universidad Nacional del Nordeste-1996
bulletFermentación alcohólica en sustrato sólido: Simulación sobre soporte inerte; Castro M.; Garro O.; Gimenez, M.C.; Raisman J.- Reunión de Comunicaciones Científicas y Tecnológicas-Universidad Nacional del Nordeste-1996
bulletPellizari, M.E.; Raisman J.S., Cultivo de Mucor sp. sobre soporte inerte, observaciones no publicadas


bulletAdaptación (del latín adaptare = acomodar): Tendencia de un organismo a "adecuarse" a su medio ambiente; uno de los principales puntos de la teoría de la evolución por la selección natural de Charles Darwin: los organismos se adaptan a su medio ambiente. Aquellos organismos mejor adaptados tendrán mayor probabilidad de sobrevivir y pasar sus genes a la siguiente generación.
bulletAminoácidos (del griego Ammon = dios egipcio cerca de cuyo templo se prepararon por primera vez las sales de amonio a partir de estiércol de camello): Las subunidades (monómeros) que forman las proteínas (polímeros). Cada aminoácido posee por lo menos un grupo funcional amino ( básico) y un grupo funcional carboxilo (ácido) y difiere de otros aminoácidos por la composición de su grupo R.
bulletAnabolismo (del griego ana = sobre, metabole = cambio): en un organismo el conjunto de reacciones biosintéticas o sea las reacciones en que moléculas pequeñas forman moléculas más grandes.
bulletArqueobacterias (del griego arkhaios = antiguo; bakterion = bastón: grupo de procariotas de unos 3.500 millones de años de antigüedad, presentan una serie de características diferenciales que hicieron que Carl Woese, profesor de la Universidad de Illinois, Urbana, U.S.A., proponga su separación del reino Moneras y la creación de uno nuevo: Archea, propuesta que hoy es cada vez mas aceptada.
bulletAutótrofos (del griego autos = propio; trophe = nutrición, que se alimenta de): termino utilizado para nombrar a organismos que sintetizan sus propios nutrientes a partir de materia prima inorgánica. Opuesto a heterótrofo.
bulletATP (adenosín trifosfato): El principal producto químico utilizado por los sistemas vivientes para almacenar energía, consiste en un una base (adenina) unida a un azúcar (ribosa) y a tres fosfatos. 
bulletCatabolismo (del griego katabole= derribar) en un organismo, todas las reacciones químicas en las cuales las moléculas grandes se desintegran en partes mas pequeñas.
bulletCatalizador (del griego katalysis = disolución): Sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química, acelerando la velocidad de la reacción.
bulletCianobacterias: o algas verde-azuladas, procariotas con capacidad fotosintética , algunas de ellas asimilan nitrógeno atmosférico. Organismos que se encuentran entre los más antiguos conocidos existiendo depósitos fósiles de cerca de 3.000 millones de años.
bulletClorofila: (del griego khloros = verde claro, verde amarillento; phylos = hoja): Pigmento verde que interviene en la captación de la energía lumínica durante la fotosíntesis.
bulletCoenzima (del griego co = juntos): molécula o cofactor no proteico que colabora con la enzima en su función catalítica , con frecuencia actúan en reacciones de oxido-reducción.
bulletColoide: Suspensión permanente de partículas finas
bulletCortex 1) La parte externa de un órgano, p.ej. la corteza adrenal de las suprarrenales 2) en plantas la región del tronco o raíz rodeada externamente por la epidermis e internamente por el cilindro central de tejido vascular, formado por tejidos fundamentales, parénquima, colénquima o esclerénquima.
bulletEnergía de activación: La menor cantidad de energía requerida para que ocurra una determinada reacción química. Varía de reacción en reacción.
bulletEnzima (del griego en = en; zyme = levadura): Molécula de proteína que actúa como catalizador en las reacciones bioquímicas.
bulletEnergía: la capacidad de producir trabajo
bulletEMB : siglas derivadas del inglés donde MB va por Methilen Blue (azul de metileno) y la E por eosina.
bulletEucariotas (del griego eu = bueno, verdadero; karyon = núcleo, nuez): organismos caracterizados por poseer células con un núcleo verdadero rodeado por membrana. El registro arqueológico muestra su presencia en rocas de aproximadamente 1.200 a 1500 millones de años de antigüedad
bulletEvolución (del latín e- = fuera; volvere = girar): Cambio de los organismos por adaptación ,variación, sobrerreproducción y reproducción/sobrevivencia diferencial, proceso al que Charles Darwin y Alfred Wallace se refirieron como selección natural.
bulletExoenzimas (del griego ex = fuera, en = en, zyme = levadura): Enzimas que salen fuerade la célula
bulletFósiles (del latín fossilis = enterrado): Los vestigios o restos de vida prehistórica preservadas en las rocas de la corteza Terrestre. Cualquier evidencia de vida pasada.
bulletFotosíntesis (del griego photos = luz; syn = juntos; tithenai = ubicar): Conversión de energía lumínica en energía química. Síntesis de compuestos orgánicos a partir de anhídrido carbónico y agua utilizando la energía lumínica captada por la clorofila. Tema ampliado
bulletGenes (del griego genos = nacimiento, raza; del latín sgenus = raza, origen): segmentos específicos de ADN que controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia. Secuencia de bases de ADN que usualmente codifican para una secuencia polipetídica de aminoácidos. Tema ampliado
bulletGlucosa: Azúcar común, con seis átomos de carbono (C6H12O6), monosacárido más frecuente en la mayoría de los organismos.
bulletHalófilas (del griego halos = sal, mar; philios = amigo): bacterias que medran en ambientes salinos
bulletHeterótrofos (del griego heteros = otro, diferente; trophe = nutrición, que se alimenta de): Organismos que obtienen sus alimentos rompiendo moléculas orgánicas sintetizadas por otros organismos para obtener energía, opuesto a autótrofo. Incluyen a muchas bacterias, hongos y animales.
bulletHidratos de carbono: Cumplen funciones de almacenamiento energético, estructurales e intervienen en procesos de regulación y de reconocimiento. Compuesto orgánico en el cual por cada átomo de carbono se encuentra hidrógeno y oxígeno en una proporción 2:1, p.ej. el azúcar. .
bulletHidrocarburo : compuesto orgánico formado solo por carbono e hidrógeno
bulletLípidos (del griego lipos = grasa): Intervienen en el almacenamiento a largo plazo de la energía celular, aislamiento, forman parte de estructuras (p. ej. membranas) y en ciertos casos en funciones de control. Este grupo incluye a las grasas, aceites, los esteroides (p.ej. el colesterol), los fosfolípidos y los carotenoides. Moléculas orgánicas no polares insolubles en agua y soluble en solventes orgánicos (también no polares).
bulletMagnetita: Las magnetitas fósiles se consideran de origen bacteriano. Curiosamente cadenas de magnetitas se encontraron en el meteorito marciano ALH84001 con un patrón semejante al de las bacterias terrestres.
bulletMesófilo (del griego mesos = intermedio): referido a la temperatura de desarrollo bacteriano, entre 20 oC y 42 oC. Otros comportamientos en referencia la temperatura son: psicrófilo, por debajo de 20 oC; termófilo: entre 40 y 70 oC; termófilos extremos: por encima de los 70 oC; hipertermófilos: por encima de 80 y 100 oC.
bulletMetabolismo (del griego metabole = cambio): El conjunto de reacciones químicas que se producen en las células vivas
bulletMinerales: Elemento o compuesto inorgánico que ocurre naturalmente
bulletMonómero (del griego monos = uno, solo; meros = parte): Molécula que constituye la unidad que se repite en un polímero.
bulletMonosacárido (del griego monos= sencillo; del árabe súkkar = azúcar): azúcar simple que no puede ser hidrolizado a moléculas de azúcar más pequeñas.
bulletNutrición (del latín nutritio: acción y efecto de nutrir): Nutrir: del latín nutrire aumentar la sustancia viva del organismo
bulletOligotróficos (del griego oligo = poco; trophe = nutrición, que se alimenta de): literalmente "poco alimento"
bulletParadigma del griego paradeigma : modelo, ejemplo
bulletPeriplásmico: En bacterias gram negativas el espacio que va desde membrana plasmática a membrana externa. Aparentemente tiene una consistencia gelatinosa. Contiene abundantes enzimas

bulletPelo radical: tricoma en la epidermis de la raíz que es una simple extensión de una célula epidérmica .
bulletPolímero (del griego polys = muchos, meros = parte): Molécula compuesta por muchas subunidades idénticas o similares.
bulletProteínas: (del griego proteios = primario, del griego Proteo, dios mitológico que adoptaba numerosas formas). Polímeros constituidos por aminoácidos que intervienen en numerosas funciones celulares. Una de las clases de macromoléculas orgánicas que tienen funciones estructurales y de control en los sistemas vivientes. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones peptídicas.
bulletProcariota (del latín pro = antes, del griego karyon = núcleo, nuez): Tipo de célula que carece de núcleo rodeado por membrana, posee un solo cromosoma circular y ribosomas que sedimentan a 70 S (los de los eucariotas lo hacen a 80S). Carecen de organelas rodeadas por membranas. Se consideran las primeras formas de vida sobre la Tierra, existen evidencias que indican que ya existían hace unos 3.500.000.000 años.
bulletQuimiolitoautótrofos (del griego lithos = piedra; autos = propio; trophe = nutrición, que se alimenta de): un ejemplo singular lo constituye una bacteria capaz de oxidar el ácido sulfídrico (SH2) y transformar el anhídrido carbónico en moléculas orgánicas utilizando la energía química de esta oxidación, vive en simbiósis con un gusano: Riftia pachyptila en los medios hidrotermales profundos.
bulletSimbiosis( del griego syn = junto, con; bioonai = vivir) Asociación entre dos o más organismos de diferentes especies. Incluye 1) mutualismo donde la asociación es beneficiosa para ambos 2) comensalismo donde uno se beneficia y el otro no es dañado ni beneficiado 3) parasitismo uno se beneficia y el otro es dañado.
bulletTeicoicos (del griego teichos = muro): cadenas de moléculas de glicerina o ribitol esterificadas entre sí por puentes fosfato, portan una fuerte carga negativa (probablemente sirvan para "secuestrar cationes" ). Se unen a la mureína a través del fosfato formando una amida.
bulletTinción de Gram

La propiedad de teñirse o no de violeta oscuro por la Tinción de Gram es un criterio de clasificación importante correlacionable con otras propiedades bacterianas.

  1. El procedimiento se inicia fijando a la llama las bacterias extendidas en un portaobjetos.
  2. Las mismas se tiñen con una solución del colorante básico cristal violeta.
  3. El paso siguiente consiste en un tratamiento con solución de Lugol (iodo/ioduro de potasio). El yodo forma una laca con el cristal violeta, que es insoluble en agua y soluble en alcohol o acetona
  4. El preparado se trata después con alcohol o acetona
  5. Finalmente se procede a realizar una coloración de contraste (diferenciación) con otro colorante (fucsina).
  6. Como consecuencia de este tratamiento las bacterias que retienen el complejo colorante-yodo durante el paso 4 quedan azules y se denominan Gram positivas.
  7. Las células que NO retienen el complejo colorante-yodo durante el paso 4 al tomar el colorante de contraste (paso5) quedan rojas y se denominan Gram negativas
bulletVitamina (del latín vita = vida): Sustancias orgánicas relacionadas que no pueden ser sintetizadas por un organismo en particular y son esenciales , en cantidades pequeñas, para su funcionamiento y crecimiento.
bulletXerófilas (del griego xerox = seco; phyton = planta): plantas adaptadas a ambientes secos, por extensión, bacterias adaptadas a actividades de agua baja. 

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Basado en un texto del: Curso de Microbiología General, de Enrique Iáñez

Redacción y diagramación a cargo de: Dr. Jorge S. Raisman

Las microfotografías de Microscopía electrónica de barrido se realizaron en el Servicio de Microscopía Electrónica de Barrido de la Universidad Nacional del Nordeste. Reproducción autorizada únicamente con fines educativos, citando su origen.

Actualizado en Febrero del 2000. Reproducción autorizada únicamente con fines educativos citando su origen. Se agradecen comentarios y sugerencias

 

HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA

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Consultas y sugerencias a los autores Dr. Jorge Raisman y Dra. Ana Maria Gonzalez

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Reproducción autorizada únicamente con fines educativos citando su origen.