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Resumen fisiologia bacteriana (microbiologia)...

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Fisiología Bacteriana

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Cintia Stival V

Indice Unidad 1, Introducción al mundo de las bacterias...................................................... 1 Definiciones ........................................................................................................... 2 Hitos históricos en el descubrimiento del mundo de los microorganismos. La Edad de Oro de la Microbiología. ....................................................................... 2 Refutación de las teorías sobre la generación espontánea ..................................... 5 Identificación del rol de las bacterias en las enfermedades y en las transformaciones químicas ........................................................................ 6 Desarrollo de los métodos y medios de cultivo modernos ...................................... 8 Las “balas mágicas”, qumioterpaia y antibióticos ................................................... 8 Contribución del estudio de la fisiología bacteriana al desarrollo de la Biotecnología y la Ingeniería Genética. ..................................... 9 Unidad 2, Clasificación de los microorganismos ........................................................ 10 Evolución de los microorganismos ........................................................................ 11 Células procariotas y eucariotas ............................................................................ 12 Taxonomía, sistemática y nomenclatura bacteriana .............................................. 12 Contribución de los métodos basados en estudios moleculares: hibridación de ácidos nucleícos y secuenciación de macromoléculas..................... 14 Definición de “especie” bacteriana........................................................................ 17 Árboles filogenéticos basados en la comparación de secuencias de ARN ribosomales: Bacterias, Archaeas y Eucariotas. Su correlación con la biología de estos organismos. .............................................. 18 La secuencia de genomas bacterianos completos .................................................. 20 Conclusiones y controversias ................................................................................ 20 Unidad 3, Estructura celular bacteriana .................................................................... 21 Microscopía óptica y electrónica ........................................................................... 22 Estructura de las células procariotas. Citoplasma. Nucleoide. Membrana celular .. 24 Mycoplasma ......................................................................................................... 29 Archaea ................................................................................................................ 30 Apéndices de superficie: pili y flagelos .................................................................. 33 Otros apéndices bacterianos. Alternancia entre dos estados morfogenéticos ....... 39 Polisacáridos de superficie. Cápsula ...................................................................... 42 Pared bacteriana ................................................................................................... 43 Micobacterias ....................................................................................................... 43 Estructura del peptidoglicano de gram + y gram -.................................................. 44 1

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Pared celular de bacterias gram + ......................................................................... 48 Pared celular de bacterias gram - .......................................................................... 50 Biosíntesis de LPS .................................................................................................. 53 Técnica de tinción gram ........................................................................................ 57 Tinción ácido-alcohol resistente ............................................................................ 58 Biosíntesis de la mureína y antibióticos que la afectan .......................................... 59 Reciclado del peptidoglicano................................................................................. 63 Antibióticos que afectan la biosíntesis de mureína ................................................ 65 Secreción de proteínas .......................................................................................... 68 Ciclo celular bacteriano ......................................................................................... 70 Mecanismo de la esporulación: Bacillus subtilis como paradigma de diferenciación celular ....................................................................................... 74 Regulación de la esporulación a nivel proteico ...................................................... 79 Regulación de la esporulación frente a la competencia ......................................... 80 Regulación transcripcional .................................................................................... 83 Otros ejemplos de diferenciación celular en bacterias: actinomicetos, rizobios y cianobacterias ....................................................................................... 86 Unidad 4, Nutrición bacteriana ................................................................................. 87 Nutrientes utilizados por las células bacterianas. Fuentes de carbono, nitrógeno, azufre .................................................................................................. 88 La relación de las bacterias con el oxígeno ............................................................ 90 Medios sintéticos, complejos, diferenciales, selectivos y de enriquecimiento ........ 92 Gradientes electroquímicos: su generación y funciones ........................................ 94 Transporte de solutos al interior de la célula ......................................................... 94 Tipos de transportes activos.................................................................................. 96 Transporte de azúcares: sistema de las fosfotransferasas...................................... 98 Metabolismo de la lactosa en bacterias................................................................ 100 Polisacáridos en bacterias .................................................................................... 102 Metabolismo de la maltosa en bacterias .............................................................. 103 Anexo I; Consideraciones de laboratorio .............................................................. 104 Unidad 5, Crecimiento bacteriano ............................................................................ 109 Crecimiento celular y poblacional......................................................................... 110 Medición del crecimiento..................................................................................... 111 Cultivos puros y mixtos ........................................................................................ 113 Fases del crecimiento. Curva de crecimiento; sus estadíos. Velocidad, rendimiento y tiempos de generación bacterianos ............................................... 114 Cultivos continuos; el qumiostato ........................................................................ 117 Efecto de factores ambientales sobre el crecimiento; temperatura, pH, nutrientes, actividad del agua .............................................................................. 118 2

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Control del crecimiento bacteriano. Métodos físicos y químicos; ventajas e inconvenientes. Esterilización, pasteurización y tindalización ............................... 121 Control químico del crecimiento bacteriano; antisépticos y desinfectantes .......... 132 Poder bactericida, bacteriostático y bacteriolítico ................................................ 134 Antibióticos y sus distintos mecanismos de acción ............................................... 135 Mecanismos de resistencia a antibióticos............................................................. 140 Unidad 6, Metabolismo microbiano ......................................................................... 146 La diversidad metabólica bacteriana. Fuentes de energía y de carbono ................ 147 Principales rutas de degradación de la glucosa a piruvato en bacterias: EMP y ED ............................................................................................. 148 Destinos metabólicos del piruvato ...................................................................... 151 Shunt de las pentosas fosfato............................................................................... 152 Ciclo de Krebs ...................................................................................................... 153 Fermentaciones bacterianas ................................................................................ 154 Ciclo del Glioxilato ............................................................................................... 159 Respiraciones aeróbicas y anaeróbicas ................................................................. 160 Cadenas de transporte de electrones en bacterias. Distintas oxidasas terminales ............................................................................... 160 Rutas anapleróticas.............................................................................................. 166 Metabolismos autotróficos y heterotróficos. Distintos metabolismos de fijación autotrófica de CO2 ................................................................................... 166 Bacterias fotosintetizadoras. Fotosíntesis oxigénica y anoxigénica ....................... 173 Quimiolitotrofos: obtención de energía a partir de compuestos inorgánicos ........ 180 Metabolismos asimilativos y disimilativos del azufre y del nitrógeno en bacterias ......................................................................................................... 184 Metabolismo del nitrógeno .................................................................................. 185 Fijación de nitrógeno ........................................................................................... 186 Nitrato respiración ............................................................................................... 187 Metabolismo del azufre ....................................................................................... 189 Reducción asimilativa del azufre .......................................................................... 189 Reducción disimilativa del azufre ......................................................................... 190 Oxidación de compuestos del azufre .................................................................... 191 Metanotrofos y metilotrofos ................................................................................ 192 Anexo II: Metabolismo de LUCA ........................................................................... 194 Unidad 7, Regulación del metabolismo bacteriano .................................................. 196 Coordinación de las vías metabólicas en bacterias ............................................... 197 Regulación de la utilización del carbono y el nitrógeno......................................... 198 Represión catabólica en bacterias ........................................................................ 199 Regulación de metabolismo primario y secundario .............................................. 200 3

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Redes de sistemas regulatorios; quórum sensing ................................................. 201 Two component system ....................................................................................... 206 Regulación del metabolismo aeróbico/anaeróbico en bacterias facultativas ........ 208 Osmoregulación................................................................................................... 212 Quimiotaxis.......................................................................................................... 213 Unidad 8, Ecología bacteriana .................................................................................. 219 Las bacterias en la biosfera; distintos hábitats acuáticos y terrestres .................... 220 Extremófilos......................................................................................................... 230 Participación bacteriana en los ciclos biogeoquímicos del carbono, nitrógeno, azufre, hierro ..................................................................................... 233 Comensalismo, mutualismo, parasitismo ............................................................. 236 Métodos para el estudio de la ecología bacteriana ............................................... 237 Métodos de enriquecimiento y aislamiento ......................................................... 239 La columna de Winogradsky................................................................................. 242 Unidad 9, Utilización biotecnológica de los microorganismos .................................. 245 Microorganismos utilizados en procesos industriales .......................................... 246 Aislamiento y caracterización de antibióticos ....................................................... 247 Aislamiento y caracterización de antibióticos ...................................................... 248 Autoevaluaciones ..................................................................................................... 250

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Unidad 1 Introducción al mundo de las bacterias Hitos históricos en el descubrimiento del mundo de los microorganismos. El siglo XIX: La Edad de Oro de la Microbiología. Refutación de teorías sobre la generación espontánea. Identificación del rol de las bacterias en las enfermedades y en las transformaciones químicas. Desarrollo de los métodos y medios de cultivo modernos. Las “balas mágicas”, quimioterapia y antibióticos. Contribución del estudio de la fisiología bacteriana al desarrollo de la Biotecnología y la Ingeniería Genética.

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Definiciones Microbiología: (de mikros "pequeño", bios, "vida" y logos, "estudio"), estudio de microorganismos, es decir, agentes microscópicos que existen como células (procariotas o eucariotas) aisladas o como pequeños grupos celulares. También se encarga del estudio de los virus que son microscópicos pero no son celulares. Dentro del concepto de microorganismos se incluyen; bacterias, protistas, hongos unicelulares, virus de células eucariotas, bacteriófagos (virus de célula procariota), viroide (estructuras de ADN desnudos, es decir sin cubierta proteica que puede infectar a las células), priones (proteínas autoreplicativas que pueden infectar células). Fisiología bacteriana: área de estudio dentro de la microbiología que analiza a nivel bioquímico el funcionamiento de las células bacterianas, es decir, de células procariotas. Incluye el estudio del crecimiento, el metabolismo y la estructura microbianas.

Hitos históricos en el descubrimiento del mundo de los microorganismos. La Edad de Oro de la Microbiología Big-Bang  4.600.000.000 años. Origen de la vida  4.000.000.000 años. Origen de eucariotas  1.600.000.000 años. Origen género Homo  1.500.000 años. Origen Homo Sapiens-Sapiens  100.000 años. Se distinguen cuatro etapas en el desarrollo de la Microbiología;  Primer período: desde la antigüedad hasta el s. XVII. Se trata de un período meramente especulativo, en el cual la naturaleza de los microorganismos era desconocida pero no así algunos de sus efectos (enfermedades infecciosas, fermentaciones de bebidas alcohólicas, producción de derivados de lácteos, descomposición de materia orgánica). S. IV a.C.  Aristóteles ya propone la teoría de la generación espontánea (también llamada autogénesis o abiogénesis) la cual se mantuvo como principal teoría de la creación de los seres vivos hasta el siglo XVIII. Se trata de una teoría biológica que sostenía que podía surgir vida compleja, animal y vegetal, de forma espontánea a partir de la materia inerte. La teoría de la generación espontánea se aplicaba a insectos, gusanos y seres vivos pequeños que no parecían generarse por biogénesis, es decir, a partir de otro organismo vivo. La observación superficial indicaba que surgían gusanos del fango, moscas de la carne podrida, organismos de los lugares húmedos, etc. Así, la idea de que la vida se estaba originando continuamente a partir de esos restos de materia orgánica se estableció como algo común en la ciencia. 1.453: Fin de la Edad Media/Inicio de la Edad Moderna. Se da con la caída de Constantinopla (capital del Imperio Romano en oriente) a manos de los turcos quienes para sitiar la ciudad amurallada mutilaban a los soldados turcos muertos de peste (Yersinia pestis) y se los lanzaban con catapultas a la ciudad para que los romanos se enfermaran. Esto prueba que sospechaban que la peste no era una enfermedad divina si no que había algo en los cuerpos que la contagiaba y provocaba.

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 Segundo período: desde el último tercio del s. XVII a la primera mitad del s. XIX. Se inicia con el invento del microscopio a través del cual se pudo observar por primera vez a los microorganismos. Es una etapa meramente descriptiva de los mismos. S. XVII  nace la microbiología (aunque no es considerada como ciencia sino hasta el s. XIX). 1676  Antonie van Leeuwenhoek (comerciante holandés) crea microscopios de una lente con los cuales puede observar por primera vez microbios en una gota de agua de estanque a los que denominó animáculos. Por este hecho es considerado el “padre de la Microbiología”. Además, identificó los hematíes sanguíneos y los espermatozoides del semen. Describió sus observaciones en una serie de cartas dirigidas a la Royal Society de Londres. En este siglo fueron importantes los experimentos del obispo Francisco Redi para refutar la teoría de la generación espontánea. Aun a pesar de los descubrimientos de Redi, la teoría de la generación espontánea continuó siendo defendida por la mayoría de los científicos de la época. También fueron de relevancia las experiencias de Spalanzzani para combatir a los defensores de la teoría de la abiogénesis.  Tercer período: desde la mediados del s. XIX al s. XX. Marcado por el cultivo de los microorganismos, es decir, la posibilidad de aislarlos a voluntad para poder estudiarlos. Fueron importantes los estudios de Koch y Pasteur. S. XIX  “Edad de Oro” de la microbiología. 1.828  Christian Gottfried Ehrenberg introduce por primera vez el término bacteria (del griego βακτηριον, "bastoncillo").

Robert Koch obtuvo cultivos puros lo que le permitió aislar y descubrir numerosos microorganismos, enfocándose en aquellos de relevancia médica. Además, estableció cuatro postulados que demuestran la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas. Identificó el agente causante de la tuberculosis; el bacilo Mycobacterium tuberculosis, así como también el Vibrio cholerae, agente del cólera. En adición, junto con Pasteur, refutaron la teoría pleomórfica, según la cual las bacterias adoptaban formas y funciones cambiantes dependiendo de las condiciones ambientales. Esta teoría surgió como una explicación a la gran variedad de formas y metabolismos encontrados en una misma infusión, pero con la obtención de cultivos puros se pudo demostrar que un mismo tipo bacteriano permanecía fisiológicamente y morfológicamnete constante en distintas condiciones ambientales. Cohn descubrió las endosporas, ya que había infusiones como las de heno que eran sumamente difíciles de esterilizar aun con el uso de calor por períodos prolongados. Kitasato descubrió la inmunización pasiva de un enfermo a partir del suero inmunizado, dando inicio a la inmunoquímica. Descubrió la bacteria causante del tétanos, Clostridium tetani. Louis Pasteur demuestra que la generación espontánea no existe para microbios. Además diseñó vacunas para enfermedades como el anthrax y la rabia, e identificó a los microorganismos responsables de un gran número de fenómenos fermentativos. Así mismo, estudiando a los agentes de la fermentación butíric...