Bacteriología general parte 2: metabolismo y nutrición bacteriana + coloración de Ziehl-Neelsen.
Imagen base, editada por el autor.
Por si aún no la han leído, acá les dejo la primera parte titulada:
"Bacteriología general: taxonomía, estructura bacteriana y coloración de Gram".
Metabolismo y nutrición bacteriana.
El metabolismo corresponde a un conjunto de reacciones químicas que son realizadas con el fin de transformar sustancias nutritivas en elementos propios de la bacteria para que la misma pueda sobrevivir y reproducirse, obteniendo energía del medio donde se encuentra y guardándolo para cuando lo necesite.
El metabolismo se basa en dos reacciones: el catabolismo y anabolismo, los cuales ocurren de manera simultánea. En el catabolismo es degradada una molécula compleja y la transforma en energía (ATP) y moléculas simples. En el anabolismo utiliza la energía y las moléculas simples para sintetizar moléculas complejas, es decir una realiza el trabajo contrario de la otra.
Reacciones de óxido-reducción (REDOX): son reacciones del catabolismo en las cuales se libera energía que es captada por las bacterias para su posterior uso.
¿Qué ocurre dentro de la bacteria? Hay un elemento que está reducido (porque contiene el electrón), este cede el electrón a otro elemento y cuando él cede su electrón, se oxida, entonces el que toma el electrón está oxidado, y cuando lo toma se reduce; mientras los elementos se oxidan y se reducen de forma recíproca se está generando energía en forma de ATP.
Para que se produzcan las reacciones REDOX se necesitan de las siguientes sustancias 
Fuentes de Energía:
Las bacterias pueden obtener energía de la luz, de compuestos inorgánicos y de compuestos orgánicos.
Luz:
Las bacterias pueden hacer como las plantas, es decir, pueden aprovechar la luz realizando un proceso parecido a la fotosíntesis, y estas son las conocidas como bacterias fotosintéticas. Captan la luz porque poseen un componente llamado bacterioclorofila. A medida que ellas están tomando la luz por fosforilación cíclica, pueden conseguir ATP.
Componentes orgánicos: carbohidratos, lípidos y proteínas.
Carbohidratos:
Son los primeros que las bacterias utilizan para obtener energía, en especial la glucosa, esto sucede gracias a una enzima hidrolítica que degrada el polisacárido a monosacárido, luego pasan por diferentes procesos como: fermentación, respiración anaeróbica, respiración aeróbica para producir ATP.
El potencial REDOX puede utilizar los carbohidratos aparte de la luz para obtener energía por acción de enzimas hidrolíticas.
Imagen elaborada por el autor.
- Fermentación: no se utiliza oxígeno, se obtiene como producto final de desecho de los ácidos orgánicos, principalmente el ácido pirúvico (más energía que es lo que nos interesa).
Vías de fermentación: ciclo de Embden Meyerhof Parnas, ciclo de fosfato-pentosa, ciclo de Etner Doudoroff.
Independientemente de la vía utilizada, existen distintos tipos de fermentación: láctica, alcohólica, acética y butírica.
Respiración aeróbica: es un proceso de oxidación, donde se donan moléculas de hidrogeno; este hidrogeno es un electrodo, una carga eléctrica, se oxida, se reduce, se oxida, se reduce, y al final, la última molécula que toma esas dos moléculas de hidrogeno es el oxígeno y forma agua (H2O). Entonces en la respiración aeróbica el último aceptor de electrones es el oxígeno, en las demás no es el oxígeno.
Respiración anaeróbica: en este caso también hay ausencia de oxígeno, el aceptor final de electrones es una molécula inorgánica como el sulfato, el carbonato y el nitrato. Por un proceso de desnitrificación se obtiene energía en ausencia de oxígeno, fundamentalmente a través del nitrato.
Lípidos:
Cuando se utilizan los lípidos se obtiene mayor cantidad de moléculas de ATP, pero es un proceso muy complejo, por eso primero aprovecha los carbohidratos.
La degradación de lípidos se produce gracias a la lipasa, degradando el lípido en alcohol (glicerol) y en ácidos grasos; el alcohol puede ser fosforilado y pasa al ciclo de Embden Meyerhof Parnas, también los ácidos grasos pueden ser degradados en acetil-CoA y pasan al ciclo de Krebs; sea como sea, lo importante es que siempre obtienen ATP.
Proteínas:
Como son moléculas muy grandes, no pasan por la pared bacteriana y para introducirse a la bacteria necesitan ser degradadas por acción de las proteasas, las cuales convierten a la proteína en polipéptidos y nuevamente gracias a las proteasas los polipéptidos se convierten en aminoácidos. Una vez degradado en aminoácidos pueden sufrir descarboxilación, desaminación y transaminación.
Imagen elaborada por el autor.
Cuando el aminoácido sufre descarboxilación pierde grupos carboxilo y se convierte en amina en un pH ácido; cuando sufre el proceso de desaminación pierde radicales amino y se convierte en un cetoácido en un pH alcalino. En el caso de la transaminación, es cuando se une un cetoácido más un aminoácido, este le da los radicales amino al aminoácido, entonces cuando el cetoácido pierde los radicales amino se convierte en aminoácido, y cuando el aminoácido toma los radicales amino se convierte en cetoácido. Se forman aminoácidos y cetoácidos diferentes a los precursores.
Las bacterias pueden ser clasificadas dependiendo de distintos factores:
- Desde el punto de vista biosintético.
- En base a la fuente de carbono.
- Según la fuente de energía.
- De acuerdo a su requerimiento de oxigeno.
- En base a su temperatura de crecimiento.
Clasificación de las bacterias desde el punto de vista biosintético:
-Litotrofas: obtienen energía de sustancias inorgánicas, como sustancias nitrogenadas, sulfuradas, entre otras.
-Organotrofas: obtienen energía de compuestos orgánicos, como carbohidratos, lípidos y proteínas.
-Mixotrofas: obtienen energía tanto de compuestos orgánicos como inorgánicos.
Clasificación de las bacterias en base a la fuente de carbono:
-Autótrofos: la fuente de carbono la obtiene de compuestos inorgánicos.
-Heterótrofos: el carbono lo obtiene de materia orgánica.
Clasificación según la fuente de energía:
-Quimiótrofo: pueden obtener energía de sustancias químicas.
a) Quimiolitotrofos: sustancias químicas y compuestos inorgánicos.
b) Quimiorganotrofos: sustancias químicas y compuestos orgánicos.
-Fotótrofo: obtienen energía de la luz.
a) Fotolitotrofos: tanto energía de la luz como de compuestos inorgánicos.
b) Fotoorganotrofos: energía de la luz y compuestos orgánicos.
Clasificación de las bacterias de acuerdo a su requerimiento de oxigeno:
-Aerobia estricta u obligada: necesita oxígeno, entonces si colocamos la bacteria en un tubo y lo metemos a una incubadora, al día siguiente, lo turbio que es donde se encuentra la bacteria, va a estar arriba, porque ella va a tratar de ubicarse donde hay más oxígeno.
-Anaerobio estricto u obligado: no puede tener oxigeno porque sino muere. Si también lo colocamos en un tubo lo encontraremos al fondo del mismo.
-Anaerobias facultativas: puede crecer con y sin oxígeno, pero prefiere crecer en oxígeno, igual puede tolerar ambas condiciones, entonces volviendo al ejemplo anterior, todo el tubo estará turbio.
-Anaerobio aerotolerante: crecen sin oxígeno pero pueden resistir pequeñas concentraciones de este. Si pasa mucho tiempo en presencia de oxígeno muere.
-Microaerófilo: crecen sin oxígeno pero pueden tolerar pequeñas concentraciones de él. Puede pasar mucho tiempo con el oxígeno latente, no mueren.
Clasificación de las bacterias en base a su temperatura de crecimiento:
-Psicrófilo: temperatura óptima aproximada de 15ºC.
-Mesófilo: temperatura media de 38ºC. Ejemplo Escherichia coli.
-Termófilo: aproximadamente 60ºC.
-Hipertermófilos: aproximadamente 106ºC.
Clases de nutrientes:
Fundamentalmente hay nutrientes universales como el agua, CO2, fosfatos y sales minerales; nutrientes particulares tales como nitrógeno o azufre; y factores de crecimiento como vitaminas o provitaminas; por ejemplo la Brucella que necesita de biotina, tiamina y ácido pantoténico.
Crecimiento de poblaciones y velocidad de crecimiento:
Crecimiento de población es el aumento en el número de células, dicho de otra forma es cuánto va aumentando el número de colonias y a su vez cuantas bacterias hay en cada colonia.
La velocidad de crecimiento es el cambio en el número de células, es decir, cuánto tiempo se toma 1 célula en formar 50, y el tiempo de generación es variante; existen bacterias que en cuestiones de minutos comienzan a multiplicarse y hay otras que necesitan una semana e incluso hasta meses, por ejemplo Mycobacterium tuberculosis que posee un tiempo de generación muy largo, el cultivo no se ve hasta aproximadamente 2 meses, en cambio Escherichia coli en cuestión de horas se puede observar bastante crecimiento.
Curva de crecimiento bacteriano:
Es una curva logarítmica que nos permite evaluar gráficamente el crecimiento de las bacterias en un tiempo determinado, con esta información podemos discernir el momento ideal para realizar un antibiograma la cual es una técnica que permite saber a cuál antibiótico es resistente o sensible dicha bacteria a estudiar, este es un procedimiento sumamente útil porque nos ayuda a escoger el tratamiento correcto y no de forma empírica.
La curva de crecimiento está conformada por 4 partes:
Fase de Latencia: no comienza en cero, porque ya hay una cantidad de bacterias, es horizontal, significa que se han inoculado en un medio las bacterias o las cepas, esta fase se da antes de las primeras 3 horas, aquí está ocurriendo la reacción de la bacteria con el medio, en donde ella está analizando cómo es el medio, qué pH tiene, qué temperatura tiene, entre otros factores primordiales para su supervivencia. Generalmente lo que la bacteria aumenta cuando se observa en esta fase es su volumen, no su tamaño ya que la misma en esta fase no se está dividiendo sino más bien buscando la manera de adaptarse.
Fase exponencial: una vez adaptadas comienza esta fase, ocurre en las primeras 3 horas después de que se inoculó la bacteria y ahí es donde se observa lo que se denomina colonias jóvenes. En esta fase es donde se realiza el estudio; contiene una gran concentración de nutrientes y de células dividiéndose (por fisión binaria); aquí la bacteria está en su mayor esplendor por así decirlo porque básicamente se encuentra en una multiplicación constante, y mientras más nutrientes tengan, más se reproducen. Se puede observar la fisiología de la bacteria, como por ejemplo ver si está produciendo cápsula. Acá su pared bacteriana está nueva.
Fase estacionaria: en esta fase se observan bacterias vivas y bacterias muertas, no pueden reproducirse debido a la falta de nutrientes. Empieza a haber lisis bacteriana, modificando el pH del medio, afectando todas las características físicas que tienen relación con el crecimiento bacteriano.
Fase de muerte: todas las bacterias están muertas. Está fase es importante para la realización de aquellas vacunas que necesitan bacterias muertas.
Fuente adaptado por @osmy07
Como podrán haber notado, la más importante es la fase exponencial debido a que ahí es donde podemos observar la división celular, podremos ver a la bacteria en su máximo desarrollo y encontraremos colonias jóvenes, esto es aproximadamente a las 3 horas, y en esta fase es en donde se realiza el antibiograma.
Coloración de Ziehl Neelsen.
Existen microorganismos que poseen la particularidad de que su pared no pueden teñirse con la coloración de Gram debido a que la misma es muy distinta a las denominadas bacterias Gram, y son aquellas que se conocen como bacterias acido alcohol resistentes; ejemplos de ellas serían del género Mycobacterium y Nocardia.
La pared está constituida por lípidos muy complejos (Lipoarabinomanano, lipomanano, entre otros) y una alta concentración de ácidos micólicos los cuales están unidos al arabinogalactano, también posee una delgada capa de peptidoglicano, y por último una membrana citoplasmática como la de una bacteria normal.
Entonces la coloración de Ziehl-Neelsen se utiliza para diferenciar este tipo de bacterias; se utilizan 3 sustancias para realizarla: carbol fucsina, alcohol ácido y azul de metileno.
Procedimiento:
Luego de haber preparado el frotis bacteriano y fijada la muestra:
El primer colorante que se utiliza es el carbol fucsina, después se calienta la muestra, y al momento en que sale vapor se retira la lámina ya que la intención no es que hierva, sino que se caliente. El tiempo de calentamiento es de aproximadamente 5 minutos.
Se lava la muestra (con agua destilada) y luego se decolora con alcohol ácido por unos 5 minutos, de allí su nombre: ácidos resistentes, porque son resistentes al alcohol.
Se lava de nuevo la muestra y se le agrega el azul de metileno, después de 2 minutos más o menos se vuelve a lavar y se procede a observar en el microscopio.
Entonces, en el caso de las bacterias que se tiñen de un color rojizo se consideran bacterias ácido alcohol resistente positivas (AAR+), en cambio las que se tiñen de azul se consideran bacterias ácido alcohol resistente negativas (AAR-).
Bueno estimados lectores, con esta publicación hemos finalizado el tema correspondiente a la bacteriología general, espero haya sido de su agrado. Como siempre, cualquier duda que tengan me la dejan en los comentarios, nos estamos leyendo, saludos.
Referencias:
- Microbiología médica Murray-Rosenthal-Pfaller 7ma edición, editorial Elsevier Saunders.
- Microbiología de Prescott, Harley y Klein 7ma edición, editorial McGRAW HILL.
Cortesía de @carloserp-2000 y @iamphysical.
Diseño cortesía de @yosuandoni.
Buen post @osmy07, la forma y las consideraciones que tomaste para redactar está temática sobre metabolismo y nutrición de las bacterias, hacen muy comprensible los aspectos fisiológicos propios de los procesos catabolicos y anabolicos de las bacterias. Saludos
¡Gracias! En efecto, cuando realizo mis publicaciones trato de que a pesar de lo técnico, también sean entendibles para la mayoría de las personas. Saludos.
Buen post, me recordó mucho las clases de microbiologia en la universidad, saludos.
¡Muchas gracias! La microbiología es hermosa, de hecho considero que es una de las materias más bellas que he cursado a lo largo de la carrera. Saludos.
Como siempre osma, un excelente repaso de bacteriología, por cierto me encantó como te quedaron las imágenes.
Cada vez tus publicaciones son mejores. Me alegra que así sea. Un tema bastante interesante e importante.
El estudio de los microorganismos, es fascinante, es impresionante que exista toda una población de estos y los efectos que pueden tener en el ambiente y seres vivos. Buen post, Saludos.