Microbiologia GeneralTrimestre 16-P

6. Factores ambientales

Temperatura pH Presión Concentración de sales Actividad de agua (aw) Oxígeno

Los factores ambientales afectan:Velocidad de reacciones celularesEl metabolismoLos requerimientos nutricionalesLa composición de la BM

FACTORES AMBIENTALES

6. Factores ambientales

Desnaturalización de proteínas; colapso de la membrana; lisis

térmicaSe congela la membrana; el

proceso de transporte es tan lento que no hay crecimiento

Velocidades crecientes en reacciones y actividades

enzimáticas

Reacciones y actividades enzimáticas ocurren a su

máxima velocidadÓptimo

Máximo

Temperatura

Tasa d

e crec

imien

to

Mínimo

Máxima tasa de crecimiento: daño en biomoléculas cesa la actividad a >T no hay crecimiento

Mínima la fluidez de la membrana: debajo de esta T no hay crecimiento Óptima Máxima tasa de crecimiento y reacciones enzimáticas

Cada microorganismo tiene 3 temperaturas cardinales:

Temperaturas cardinales

Psicrófilos: 13°C (< 0°C – 20°C) Mesófilos: 37°C (15 - 45°C)

Termófilos: 60°C (45 – 80°C ) Hipertermófilos: 90°C (T > 80°C)

Termófilo

Mesófilo

Yo amo el calor

Yo solo puedo vivir entre 25 y 40°C

Con base en su temperatura óptima de crecimiento, los organismos se clasifican en 4 grupos:

Temperatura (°C)

Tasa d

e crec

imien

to

Psicrófilos

MesófilosTermófilos

Hipertermófilos

Clasificación con base en la temp. óptima

Yo amo el frío

Psicrófilo

Psicrófilos (Top < 20°C): Menor tamaño celular (pequeños)

Enzimas con Top pueden desnaturalizarse a Tamb MC: contenido de AG insaturados mantiene

la fluidez y evita que se cristalice

Termófilos (Top > 60°C): Biomoléculas termoestables Cambios en aa de proteínas mayor estabilidad a T MC: contenido de AG saturados de cadena larga y

ramificados; presencia de lípidos cíclicos

Mecanismos de adaptación

PsicrófilosAntárticoÁrticoMontañasProfundidad del océano

Psychrobacter( 4-15ºC)

HipertermófilosPyrolobus fumarii

(óptima 106ºC)

GeisersRespiraderos hidro- o geo-termales

Microorganismo Temperaturas cardinales (°C)Mínima Óptima Máxima

BacteriasMycrococcus cryophilusEscherichia coliThermus aquaticus (Taqpolimerasa)

-41050

1037

~70

244580

HongosCandida scottiiSaccharomyces cerevisiaeThermomyces ibadanensis

01-331

~1028

42-47

174061

ArchaeaMethanogenium frigidumMethanothermusPyrococcus abyssiPyrolobus fumarii

0606790

158396106

1893102113

Ejemplos de temperaturas cardinales

6. Factores ambientales

pH: función logarítmica 1 unidad de pH implica el cambio en 10 unidades en la [H+] pH = log [H+]

Ec. de Henderson-Hasselbalch

La acidez/alcalinidad se expresa en una escala en la que la neutralidad es pH 7 pH alcalinos pH ácidos

Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual puede crecer y tiene un pH óptimo

Acidez y alcalinidad:ph

Con base en el pH óptimo de crecimiento, los organismos se clasifican en 3 grupos:

Acidófilos extremosAcidófilosNeutrófilosAlcalófilosAlcalófilos extremos

Tasa d

e crec

imien

to Acidófilos Neutrófilos Alcalófilos

pH

Ácido

Básico

Acidófilosextremos

Acidófilos

Neutrófilos

Alcalófilos

Alcalófilosextremos

Neutralidad

pHcit

oplás

mico

mol/L de:H+ OH-

Alcalófilos (pHop ≥ 9): Bombeo de H+ externos hacia el citoplasma pHint ~ 8 pHext MC impermeable a iones -OH PC con carga superficial (-)

Acidófilos (pHop ≤ 2-3): Bombeo de H+ internos hacia el exterior pHint ~ 6.5 pHext ~ 2 MC con transportadores que dependen de H+

Cargas superficiales (+)

Organismos que viven en pH extremos:Si el pHint<5: muerte destrucción de biomoléculasMantienen el citoplasma a pH ~ 7

Mecanismos de adaptación

Acidófilos:Hongos más tolerantes que bacterias:

Aguas/suelosvolcánicosFluidos gástricosJugo de limónDrenaje ácidoVinagreSuelos ácidos

Agua de marSuelos alcalinos

JabónAmoniaco casero

Ejemplos

TomatesColMaíz/salmónAgua pura

Alcalófilos suelos y lagos carbonatadosLa mayoría del género Bacillus

Bacterias acidófilas obligadas ThiobacillusArqueas Sulfolobus y ThermoplasmaAlgas Cyanidium caldarium (pH 3.3-3.5 a 42°C, pero puede vivir a pH ~ 1)

C. caldarium

Organismo HábitatpH

Mínimo Óptimo MáximoThiobacillus thiooxidans Áreas ricas en azufre (ácidas) 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0Sulfolobus acidocaldarius Manantiales ácidos de azufre 1.0 2.0-3.0 5.0

Bacillus acidocaldarius Manantiales ácidos calientes 2.0 4.0 6.0Zymomonas lindneri Ambientes con alta [azúcar] 3.5 5.5-6.0 7.5Lactobacillus acidophilus Animales, MO en descomposición 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8

Staphylococcus aureus Animales, cavidad nasal, piel 4.2 7.0-7.5 9.3Escherichia coli Intestinos de animales 4.4 6.0-7.0 9.0Streptococcuspneumoniae Patógeno de animales 6.5 7.8 8.3Natronoarchaeum(arquea) Lagos y suelos sódicos, salinas 6.0 8.0-9.0 9.5

ejemploS

6. Factores ambientales

Con base en la presión óptima, los organismos se clasifican en 3 grupos:

Piezosensibles (Patm 1 atm)Piezotolerantes ( 600 atm)Piezófilos (P óptima: 500 atm)

1 MPa = 9.9 Atm

197 395 592 790 987

Atm

Barófilos o Piezófilos

Barotolerantes o Piezotolerantes

Tasa d

e crec

imien

toBarosensibles o Piezosensibles

Presión atmosférica

Methanococcus janaschiiPiezófilo-termófilo

(óptimos: 75 MPa, 90ºC)

Methanococcusjanaschii

Profundidades del océano (psicrófilos)Respiraderos hidrotermales (termófilos)

Piezófilos Lípidos de la MC con moléculas empacadas más

apretadas en la fluidez proporción de AG insaturados

Mecanismos de adaptación

6. Factores ambientales

* Soluto encontrado de forma natural* Mar: ~3.5% NaCl* Mar Muerto: 33.7% NaCl

* Osmofília generalmente se usa para organismos que crecen con [azúcar]

* Los organismos halófilos son osmófilos

Organismos que viven en ambientes con P osmótica osmófilos*

Con base en la [NaCl]* óptima de crecimiento 4 grupos: No halófilos (≤0.1 M: 0.6%)

Halotolerantes (0.6 M: 1-6%*) crecen mejor sin NaClHalófilos (1.25 M: 6-15%) necesitan NaClHalófilos extremos (>4 M: 15 -30%*) arqueas No halófilo

(E. coli)

Concentración de NaClTas

a de c

recim

iento

0 M 5 M(29%)

Halófilo(Vibrio fischeri)

Halófilo extremo (Halobacterium

salanarium)

Halotolerante(S. aureus)

Lagos saladosMares (3.5% NaCl): mar muertoSalinasLagos salados alcalinos (África, lago de Texcoco)

Halobacterium salinarum(4 M NaCl)

Halófilos:MC con diferencias en composición osmolaridad intracelular [KCl]Enzimas dependientes de salesAcumulación de osmoprotectores* en el citoplasma:

Estabilizan y protegen enzimasProtección de ác. nucleicos y MCProtegen vs. congelación, desecación y desnaturalización (calor y [sal])

Halobacteriales (Archaea)Haloanaerobiales (Bacteria)

* Pequeñas moléculas muy solubles principalmente aa y alcoholes (polioles)

Mecanismos de adaptación

6. Factores ambientales

aw relación entre la presión de vapor* de un sustrato (P) y la presión de vapor del agua pura (P0), a la misma T:

aw medida de la cantidad de agua disponible (p. ej.): Agua pura todas las moléculas disponibles: aw Sol. saturada de NaCl una parte importante de las moléculas de

agua participa en la solvatación de los iones de la sal disuelta: aw

Si la cantidad de solutos en el medio (osmolaridad) aw:

* Presión (a una T dada) en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico (= presión de saturación)

[solutos] osmolaridad aw

Organismos que viven en ambientes secos: aw xerófilos Xerotolerantes Xerofilos (aw < 0.85)

La mayoría de los microorganismos necesita awpara crecer: aw Material Microorganismos1.000 Agua pura Spirillum0.995 Sangre humana Streptococcus, E.

coli0.980 Agua de mar Pseudomonas,

Vibrio0.900 Jamón Cocos Gram (+)0.800 Mermelada Hongos filamentosos0.700 Cereales, frutos secos Hongos xerófilos0.600 Depósitos de sal Algunas arqueas

Actividad de agua (aw)

Reducción de aw como estrategia para limitar el crecimiento bacteriano gran importancia en industria alimentaria: ???

AlmíbaresSalmuerasSalazones (desecación con sal)

aw del alimento evitael crecimiento de bacterias conservación: desecación

DeshidrataciónAdición de solutos

Wallemia sebi (hongo xerófilo)

Frutos secosCarnes saladasNéctares de floresDesiertosSalinas (camas de evaporación donde se produce sal)

Xerófilos mecanismos que ayudan a combatir la desecación: Acumulación de osmoprotectores* en el citoplasma

protección de membranas y proteínas ( potencial hídrico*) Producción de polisacáridos extracelulares que retienen H2O Diferenciación estructuras resistentes a la desecación ???

MC con permeabilidad restringida mantiene sales fuera y solutos orgánicos dentro

* Pequeñas moléculas muy solubles aa y alcoholes (polioles)* Tendencia del agua a moverse de un área de [ ] a una de [ ]

Mecanismos de adaPtación

Relación aw – osmofília - halofílica

E. coli S. aureus Halococcus (arquea)

Cuál es la relación entre osmofilia, halofilia y aw?Tas

a de c

recim

iento

OsmófilosHalófilos extremos

OsmotolerantesHalotolerantes

No halófilos

Crecen mejor en [sal] donde la mayoría de los microorg.

se inhibe

aW

6. Factores ambientales

Con base en sus requerimientos de O2, los organismos se clasifican en:

Estrictos. El O2 es el aceptor final de ē para la captación de energía química

Microaerófilos. Requieren [O2] menores a la atmosférica (2 - 10% y no 20%)

Aceptor final de ē = O2

Aerotolerantes. Metabolismo energético anaerobio, toleran el O2 (bacterias lácticas). Aero-dúricos

Estrictos. El O2 es tóxico: no tienen enzimas que eliminan ERO (Clostridium)Facultativos. Metabolismo energético anaerobio/ aerobio depende de la disponibilidad de aceptores de ē (S. cerevisiae)

Aceptor final de ē ≠ O2

Aerobios:crecen en presencia de O2

Anaerobios:crecen en ausencia de O2

La relación de un organismo con el O2 depende de la presencia de enzimas que eliminan especies reactivas de oxígeno (ERO: iones, radicales libres, peróxidos):

Enzimas que destruyen los radicales tóxicos de oxígeno: Superóxido-dismutasa (SOD) Peroxidasas (POX) Catalasa (CAT)

Efectos de las ERO en las células:Daños al ADNOxidación de ácidos grasos en lípidosOxidación de aa en proteínasInactivación de enzimas por oxidación de cofactores

Singulete de oxígeno (molécula de alta energía) Radical superóxido Peróxido de hidrógeno

H2O2 + AA* 2 H2O + DHA2 •O2- + 2H+ H2O2 + O2

2 H2O2 O2 + 2 H2O

* AA: sustrato reducidoDHA: sustrato oxidado

•O2- H2O21O2

Experimento para probar si un microorg. tiene actividad catalasa: Dos gotas de H2O2 (30%) en cada gota se adiciona una carga de

bacterias con el asa microbiológica

Catalasa negativo

Catalasa positivo

CAT (+): burbujeo intenso de O2 producto de la reacción

Ejemplo: reacción de la catalasa

Aerobios estrictos Micro-aerófilos Anaerobios

facultativosAnaerobios

estrictosAero-

tolerantesCrecim. aerobio:

solo donde hay [O2]

Crecim. aerobio: solo donde hay

[O2]Crecim. aerobio y

anaerobio; > crecim. en presencia de O2

Crecim. anaero-bio: solo donde

no hay O2

Crecim. uniforme: el O2no tiene efecto

Utilizan O2

SOD+CAT+

[O2] normales [ERO] letales

SOD+CAT nivel

Utilizan O2

SOD+CAT+

No toleran O2

SOD-CAT-

Toleran O2

SOD+CAT-

[O2]

Alta

Baja

Efectos del oxígeno en el crecimiento

6. Factores ambientales

Extremófilo: organismo que se desarrolla en ambientes extremos

Físicos (temperatura, radiación, presión)Geoquímicos (desecación, salinidad, pH, ERO, potencial redox)

PsicrófilosT < 15°C

TermófilosT 60 – 80°C

T > 80°CHalófilos[NaCl] >

3.5%

Xerófilosaw < 0.85

AlcalófilospH > 9

AcidófilospH < 5

Lago alcalino Ascotan, Chile

Glaciar Perito Moreno, Argentina

Géiseres del Tatio, Chile

Desierto de Atacama, Chile

Laguna ácida, Costa Rica

Salina en Guerrero Negro, México

Proceso industrial “Producto” Ventajas OrganismoHidrólisis de almidón: dextrinas

y jarabe de maíz a-amilasa estabilidad Bacillus stearothermophilus

Blanqueo de papel Xilanasas cantidad de blanqueador Termófilos

Procesado de alimentos, pan, cerveza, detergentes Proteasas Estable a T’s Termófilos

Maduración de quesos, producción de leche

Proteasasneutras Estable a T’s Psicrófilos

Biorremediación Surfactantes, limpieza de derrames Eficientes en T’s Psicrófilos

Degradación de polímeros en detergentes

Proteasas, amilasas, lipasas

Detergentes mejorados Psicrófilos

Degradación de polímeros en detergentes

Celulasas, proteasas, amilasas, lipasas Estables a pH Alcalófilos

Productos farmacéuticos Glicerol, solutos compatibles Producción a $ Halófilos

(Dunaliella)Surfactantes para farmacéuticos Membranas Halófilos

Grupo “Producto” Usos

Hiper-termófilos

ADN polimerasaProteasas y lipasasAmilasasXilanasasDeg. de petróleo

Amplificación de ADN por PCRDetergentes, alimentos (pan), cervezaHidrólisis de almidón, prod. de jarabes de maízBlanqueo de papelSurfactantes para recuperación de petróleo

PsicrófilosProteasa, lipasa, amilasasProteasas y lipasasb-galactosidasaSurfactantes

Detergentes, cerveceríaMaduración quesos, solución para limpiar lentesHidrólisis de lactosaBiorremediación

HalófilosPHAsPolímeros reológicosLípidosOsmoprotectoresMicroorganismos

Plásticos médicosRecuperación de aceites/petróleoAceite para calentamientoProtecc. de células y proteínas para usos indust.Biorremedación, ferment. de alimentos salados

AlcalófilosProteasa, celulasa, lipasasPectinasasHalófilos-alcalófilosMicroorganismos

DetergentesPapeles finos, tratamiento de aguasRecuperación de aceites/petróleoAntibióticos

Acidófilos Microorg. que oxidan SMicroorganismos

Recup. de metales y desulfuración de carbónÁcidos orgánicos y solventes