Crecimiento microbiano

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
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
lg N - lg No
n = ___________________
lg 2
lg N - lg No
n = ____________________
0.301
t
G = ___________________________
3.3 (lg N - lg No)
N = No2n
lg N = lg No + n lg 2
n = 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
Streptococcus lactis
Medio con lactosa
Lactobacillus acidophilus
Leche
Rhizobium japonicum
Manitol-sales-extracto
de levadura
344-461
Mycobacterium tuberculosis
Medio definido
762-932
Treponema pallidum
Testículos de conejo
27-30
48
66-87
1980
Log del número de
microorganismos
Curva de crecimiento
C
B
D
E
A
Tiempo
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
Óptimo
(3)
Velocidad de
crecimiento
(2)
(1). Gelificación de la
Mínimo
membrana; los
Máximo
procesos de
transporte se llevan a
(1)
(4)
cabo lentamente y
Temperatura
no hay crecimiento.
(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.
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
Trichomonas vaginalis
Candida albicas
Helicobacter pylori
pH
Microorganismos
pH
1
2
Acidófilos
3
4
5
6
Neutrófilos
7
8
9
10
Alcalófilos
11
12
13
14
pH
Nature 409, 1092-1101 (22 February 2001)
pH 3.3–3.5
pH 8.8–8.3
Temperature and pH requirements
for growth distinguish thermophilic
bacteria and archaea.
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.
Nature Reviews Microbiology 5, 316-323 (April 2007)
Oxígeno
Enzimas
Metabolismo
Ejemplos
Es necesario para el crecimiento,
contiene SOD y catalasa.
Respiración
aerobia
Micrococcus luteus
P. aeruginosa
Aerobios
Obligados
Respiración
aerobia,
anaerobia y
fermentación
Enterobacter sp.
S. cerevisiae
Requieren baja concentración de
O2, presentan SOD y catalasa.
Respiración
aerobia
Spirillum vollutans
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
Facultativos
Microaerofilicos
Crecen mejor en presencia de
oxígeno, presentan SOD y
catalasa.
Anaerobios
Relación con el O2
Crecimiento en medio fluido de Tioglicolato.
Aerobio
obligado
Aerobio
facultativo
Microaerofílico
Anaerobio
aerotolerante
Anaerobio
obligado
Cultivo de anaerobios
Jarra de anaerobiosis
NaHCO3 + NaBH4 + O2 → CO2 + H2O + H2
Enzimas destoxificantes
O2 + e- →
O2- + e- + 2H+ →
H2O2 + e- + H+ →
HO. + e- + H+ →
Reacción general:
O2- Superoxido
H2O2 Peroxido de hidrógeno
H2O + OH. Radical hidroxilo
H2O Agua
O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O
Superoxido dismutasa (SOD)
O2- + O2- + 2H+ → H2O2 + O2
Catalasa
H2O2 + H2O2 → 2H2O + O2
Peroxidasa
H2O2 + NADH + H+ → 2H2O + NAD+
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
CH2
CH3
CH3
N CH2
CH3
Glicina-Betaina
N
CH2
C
C
COOCH3
N
COO-
Ectoina
•Carbohidratos: Sacarosa y trehalosa
•Poli alcoholes: Manitol y glicerol
•Otros: KCl y propionato dimetilsulfonico (PDS)
Formación de solutos
compatibles
Organismo
Bacterias no fotótrofas
Cianobacterias de agua dulce
Cianobacterias marinas
Algas marinas
Cianobacterias de lagos salados
Bacterias fototrópicas, anoxigénicas
halofílicas
( Ectothiorhodospira)
Soluto principal
aw máximo
Glicina betaína , prolina (G+),
glutamato (G-)
0.97 – 0.90
Sacarosa, trehalosa
0.98
a-glucosilglicerol
Manitol, glucosidos, prolina,
PDS
0.92
Glicina betaína
0.90 – 0.75
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