Crecimiento microbiano -...
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Crecimiento microbiano
En microbiología el crecimiento se define como el incremento en el número de células.
•La bipartición (fisión binaria) es
el proceso por el cual una
célula se divide para formar dos células iguales.
•El intervalo que transcurre en
la formación de dos células a
partir de una célula se llama generación y el tiempo
requerido para esto es el
tiempo de generación o tiempo de duplicación.
Fisión binaria
Durante la fisión binaria cada célula hija
recibe una copia del cromosoma, de los
ribosomas, complejos macromoleculares,
así como monómeros y iones inorgánicos
para existir como una célula
independiente.
El ADN se ancla a la membrana y así,
cada célula hija se queda con una copia.
Se forma un septo que dará lugar a cada
una de las células, las envolturas rodean a
cada copia del ADN y finalmente se da la
separación de las células.
Proteínas Fts
Las proteínas Fts (filamentous
temperature sensitive) interactúan
para formar el aparato de división
llamado divisoma.
•FtsZ polimeriza y forman una anillo
en el centro de la célula. •FtsA es una enzima ATP hidrolasa
que provee la energía para
ensamblar proteínas en el divisoma.
•ZipA ancla a FtsZ a la membrana
citoplasmática.
•FtsI es una proteína involucrada en la síntesis de peptidoglucano y
es también llamada proteína de unión a penicilina (su actividad es
bloqueada por el antibiótico).
Replicación del ADN
La replicación del ADN ocurre previo a la
formación del anillo FtsZ, este se forma en el
espacio entre los cromosmas duplicados.
•MinC es un inhibidor de la división celular y
previene que FtsZ ensamble el anillo hasta que
el centro se encuentre formado.
•MinE inhibe la actividad de MinC y se ancla al
centro de la división. •FstK participa en la elongación.
•FstZ también tiene actividad de GTP hidrolasa,
libera energía para la polimerización y
despolimerización, así como para el
ensamblaje y desensamblaje del anillo.
Proteína MreB y la forma
de las bacterias
La presencia de la proteína MreB
se ha relacionado con la forma
de las bacterias no cocoides.
•FtsZ tubulina bacteriana.
•MreB actina bacteriana.
Nature Cell Biology 5, 175 - 178 (2003)
Autolisinas
Pequeñas aberturas son
llevadas a cabo por las enzimas
autolisinas que tiene una función
similar a la lisozima.
Las autolisinas se encuentran
presentes en el complejo
divisoma.
La síntesis del nuevo
peptidoglocano deja en la
células Gram positivas una
cicatriz.
Las aberturas y la síntesis debe
ser coordinada para evitar la
autolísis de la célula.
Bactoprenol y
transpeptidación
El bactoprenol acarrea los precursores de la pared celular, en el periplasma interactúa con la enzima que inserta los precursores
de pared celular y cataliza la formación del enlace glucosídico.
La transpeptidasa forma el enlace peptídico entre las cadenas
de aminoácidos de las unidades de mureína.
Crecimiento exponencial
Cuando un cultivo se duplica de manera regular durante
un intervalo de tiempo, se
denomina crecimiento
exponencial.
Una gráfica aritmética del
crecimiento muestra un
incremento constante
mientras una logarítmica
(log10) permite observar con
respecto al tiempo cuando el
crecimiento es exponencial y
puede entonces calcularse el
tiempo de generación.
Tiempo de generación
Tiempo de generación (G) es el tiempo requerido para
que una célula se divida o una población se duplique.
G = t/n
Si partimos de una célula al cabo de una generación habrá
duplicado su número y así sucesivamente en cada generación.
Como se puede comprobar el crecimiento se produce en
progresión geométrica:
1 generación -------------> 2 células
2 generaciones -------------> 4 células
3 generaciones -------------> 8 células
4 generaciones -------------> 16 células 5 generaciones -------------> 32 células
Tiempo de generación
lg N - lg No lg N - lg No
n = ___________________ n = ____________________ n = 3.3 (lg N - lg No)
lg 2 0.301
N = No2n
lg N = lg No + n lg 2
To -------------> No
1 generación -------------> 2No = No21
2 generaciones -------------> 4No = No22
3 generaciones -------------> 8No = No23
4 generaciones -------------> 16No = No24
5 generaciones -------------> 32No = No25
n generaciones (T) -------------> N = No2n
t
G = ___________________________
3.3 (lg N - lg No)
Tiempos de duplicación
Bacteria
Medio Tiempo de
duplicación
(minutos)
Escherichia coli Glucosa-sales 17
Bacillus megaterium Sacarosa-sales 25
Streptococcus lactis Leche 26
Staphylococcus aureus Medio de infusión de
corazón
27-30
Streptococcus lactis Medio con lactosa 48
Lactobacillus acidophilus Leche 66-87
Rhizobium japonicum Manitol-sales-extracto
de levadura
344-461
Mycobacterium tuberculosis Medio definido 762-932
Treponema pallidum Testículos de conejo 1980
Curva de crecimiento
A
B
C D
E
Tiempo
Log
de
l nú
me
ro d
e
mic
roo
rga
nis
mo
s
Curva de crecimiento
•A (Fase Lag). Periodo de latencia o adaptación: no hay aumento significativo de la densidad celular, el crecimiento es
asincrónico.
•B (Fase Log). Periodo de crecimiento exponencial, el
crecimiento es sincrónico y se alcanza la máxima velocidad de crecimiento.
•C (Fase pre-estacionaria). Periodo de retardo desaparece el
crecimiento exponencial, los microorganismos entran en
estrés.
•D (Fase estacionaria). Periodo estacionario: no hay cambios significativos de la densidad celular con respecto al tiempo,
existe un equilibrio entre los microorganismos vivos y muertos.
•E (Fase de muerte). Fase en la que el equilibro desaparece y
predominan los microorganismos muertos. No hay nutrientes
para el recambio y las condiciones del medio de cultivo son
adversas para el crecimiento.
Tipos de cultivo
•Cultivo en lote
•Cultivo en lote alimentado
•Cultivo en continuo
Temperatura
(2). Las reacciones enzimáticas aumentan su velocidad. (3). Las reacciones enzimáticas se llevan a cabo a su máxima
velocidad.
(4). Desnaturalización de proteínas y membrana citoplasmática.
Lisis térmica.
Óptimo
Temperatura
Máximo
Mínimo
(1)
(2)
(3)
(4)
Velocidad de crecimiento
(1). Gelificación de la
membrana; los
procesos de
transporte se llevan a
cabo lentamente y
no hay crecimiento.
Temperatura.
Temperatura. Clasificación.
Clasificación de microorganismos de acuerdo a su temperatura
óptima de crecimiento
Psicrófilos 0 - 20°C Flavobacterium sp. 13ºC (b-)
Mesófilos 20 - 40°C Escherichia coli 37ºC (b-)
Termófilos 40 – 60°C G. stearothermophylus 60ºC (b+, esp)
Hipertermófilos 60 – 80°C Thermococcus celer
Termófilos extremos > 80°C Pyrodictium brockii
Psicotróficos: Microorganismos que crecen a temperatura ambiente pero
causan contaminación en condiciones de refrigeración.
Temperatura.
Nature 409, 1092-1101 (22 February 2001)
Microorganismos
patógenos
E. coli
Helicobacter pylori
Candida albicas
Trichomonas vaginalis
pH
Microorganismos pH
1
2
Acidófilos 3
4
5
6
Neutrófilos 7
8
9
10
Alcalófilos 11
12
13
14
pH
pH 8.8–8.3
Nature 409, 1092-1101 (22 February 2001)
pH 3.3–3.5
Temperature and pH requirements
for growth distinguish thermophilic
bacteria and archaea.
Nature Reviews Microbiology 5, 316-323 (April 2007)
Zona en la
que las bacterias
están mejor adaptadas.
Zona en la
que las arqueas
están mejor adaptadas.
Zona en la
que ambas están
bien adaptadas.
Oxígeno
Enzimas Metabolismo Ejemplos
Aerobios
Obligados Es necesario para el crecimiento, contiene SOD y catalasa.
Respiración aerobia
Micrococcus luteus P. aeruginosa
Facultativos Crecen mejor en presencia de
oxígeno, presentan SOD y catalasa.
Respiración
aerobia, anaerobia y
fermentación
Enterobacter sp.
S. cerevisiae
Microaerofilicos Requieren baja concentración de O2, presentan SOD y catalasa.
Respiración aerobia
Spirillum vollutans
Anaerobios
Aerotolerantes No requieren O2, pero crecen en su presencia. Sólo SOD.
Fermentación S. pyogenes Clostridium sp.
Obligados El O2 es letal, no contiene enzimas
destoxificantes Fermentación o
respiración anaerobia
Metanobacterium
formicicum
Relación con el O2
Aerobio facultativo
Microaerofílico Anaerobio aerotolerante
Anaerobio obligado
Aerobio obligado
Crecimiento en medio fluido de Tioglicolato.
Cultivo de anaerobios
Jarra de anaerobiosis
NaHCO3 + NaBH4 + O2 → CO2 + H2O + H2
Enzimas destoxificantes
O2 + e- → O2- Superoxido
O2- + e- + 2H+ → H2O2 Peroxido de hidrógeno
H2O2 + e- + H+ → H2O + OH. Radical hidroxilo HO. + e- + H+ → H2O Agua
Reacción general: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O
Peroxidasa H2O2
+ NADH + H+ → 2H2O + NAD+
Superoxido dismutasa (SOD)
O2- + O2
- + 2H+ → H2O2 + O2
Catalasa
H2O2 + H2O2 → 2H2O + O2
Concentración de solutos
Concepto Definición
No Halófilos Crecen en concentraciones de 1-6 % de NaCl
Halófilos moderados Crecen en concentraciones de 6-15% de NaCl
Halófilos extremos Crecen en concentraciones de 15-30% de NaCl
Halotolerantes Toleran disminuciones en el aw pero crecen mejor en
ausencia de solutos.
Osmófilos Son capaces de vivir en altas concentraciones de azúcares.
Xerófilos Crecen en condiciones de aw bajo.
Actividad del Agua
aw es la relación entre la presión de vapor del aire
en equilibrio con una sustancia o solución a la presión de vapor a la misma temperatura del agua pura.
aw Medio de crecimiento
Microorganismos que desarrollan
1.000 Agua pura Caulobacter, Spirillum
0.995 Sangre humana Streptococcus, Escherichia
0.980 Agua salada Pseudomonas, Vibrio
0.950 Pan Muchos cocos G+
0.900 Miel de maple, jamón Cocos G-
0.850 Salami Saccharomyces rouxii
0.850 Pastel de frutas, jalea Saccharomyces bailii, Penicillium
0.800 Lagos salados Halobacterium, Halococcus
0.750 Cereales, dulces, frutas
secas
Xeromyces bisporus y otros hongos
xerófilos.
Solutos compatibles
Son compuestos que forman los microorganismos para compensar la concentración de solutos exterior.
•Aminoácidos: Glicina-betaína y ectoina
•Carbohidratos: Sacarosa y trehalosa
•Poli alcoholes: Manitol y glicerol
•Otros: KCl y propionato dimetilsulfonico (PDS)
N
CH3
CH3
CH3 CH2 COO-
Glicina-Betaina
CH2
CH3
CH2 N
C C
N COO-
Ectoina
Formación de solutos
compatibles Organismo Soluto principal aw máximo
Bacterias no fotótrofas Glicina betaína , prolina (G+),
glutamato (G-)
0.97 – 0.90
Cianobacterias de agua dulce Sacarosa, trehalosa 0.98
Cianobacterias marinas
Algas marinas a-glucosilglicerol
Manitol, glucosidos, prolina,
PDS
0.92
Cianobacterias de lagos salados Glicina betaína 0.90 – 0.75
Bacterias fototrópicas, anoxigénicas
halofílicas
( Ectothiorhodospira)
Glinina betaína. Ectoína,
trehalosa
Arqueas halófilas extremas
(Halobacterium) y algunas
bacterias (Haloanaerobium)
KCl 0.75
Alga verde halofílica (Dunaliella) Glicerol 0.75
Levaduras xerófilas Glicerol 0.83 – 0.62
Hongos filamentosos xerófilos Glicerol 0.72 – 0.61