Fisiología y Cinética Microbiana

FISIOLOGÍA Y CINÉTICA
MICROBIANA
Dra. Maribel Plascencia Jatomea
Tema 2:
Energética del crecimiento microbiano
(cinética microbiana)
Curva de crecimiento. Modelos cinéticos simples y complejos. Estimación
de parámetros de crecimiento.
Medición de la biomasa. Inhibición.
Síntesis de DNA, RNA y proteínas



El cromosoma de E. coli es una
molécula de DNA sencilla, circular, de
doble-hélice.
La secuencia de nucleótidos codifica
toda la información requerida para el
crecimiento celular y estructural.
Los principales eventos moleculares
requeridos para la propagación de
las especies inicia en el cromosoma e
incluyen:

Replicación del DNA

Transcripción

Traducción
Replicación en bacterias


Involucra la duplicación
adecuada del DNA cromosomal
y la formación de 2 células hijas
por fisión binaria
En la fisión binaria, las células
crecen hasta lograr una
determinada relación masaDNA. En este punto se sintetiza
nuevo DNA, se forma una pared
celular transversal y finalmente
la célula se divide en dos
Bacterias formadoras de esporas
Estructura de una endoespora
Regulación genética y metabólica


Para que una célula crezca eficientemente, los organelos básicos y las
macromoléculas derivadas deben producirse en las proporciones correctas
(balance)
En rutas metabólicas complejas, es importante entender el modo por el cual
la célula microbiana regula la producción y concentración de cada producto
Mecanismos comunes de regulación metabólica y genética:
 Inhibición por retroalimentación (feedback) o actividad
enzimática (regulación metabólica)
 Represión o inducción de síntesis de enzimas (regulación
genética)
Qué se regula?
Resumen de las rutas
metabólicas más
importantes
En bioquímica, una
ruta metabólica o vía
metabólica es una
sucesión de
reacciones químicas
que conducen de un
sustrato inicial a uno
o varios productos
finales, a través de
una serie de
metabolitos
intermediarios
Inhibición por retroalimentación (Feedback)
La actividad de una
enzima presente en la
célula es inhibida por el
producto final de la
reacción
Regulación genética: Represión
La síntesis de una enzima es inhibida por el producto
final de la reacción
Regulación genética: Inducción
Es similar a la represión, excepto que el sustrato de
una ruta metabólica estimula la síntesis de la enzima
Velocidad de crecimiento de un cultivo microbiano
Datos de una
población que se
duplica cada 30
minutos,
representados en
escala aritmética y
logarítmica
Crecimiento
exponencial
Determinación de los tiempos
de generación (g) de
poblaciones creciendo
exponencialmente con tiempos
de generación (t) de a) 6 y
b) 2 horas
La pendiente de cada línea
es igual a 0.301/g y n es
igual al número de
generaciones que han
ocurrido en el tiempo t
Crecimiento: Aumento en el número de células microbianas de una
población. Se mide como un incremento de la masa celular.



Velocidad de crecimiento: cambio
en el número de células o en la
masa celular experimentado por
unidad de tiempo
Todos los componentes
estructurales de la célula se
duplican
El intervalo para la formación de
dos células a partir de una
supone una generación, y el
tiempo transcurrido para que esto
ocurra se llama tiempo de
generación
Parámetros de crecimiento: tiempo de generación


Cuando 2 células se dividen exponencialmente se convierten en 4 y esto se
expresa como 21→22
Existe una relación directa entre el número de células presentes
inicialmente en un cultivo y el número presente tras un periodo de
crecimiento exponencial:
N = N02n
N= número final de células
N0= número inicial de célular
n= número de generaciones
Sabiendo N0 y N en una
población que está creciendo
exponencialmente, es posible
calcular n.
Conociendo n y t, es posible
calcular el tiempo de
generación g.
Parámetros de crecimiento: constante de la velocidad de
crecimiento, k

Se expresa como
k (h-1) = ln 2 = 0.693
x
x


k es un índice de la velocidad de crecimiento
Mientras que g es una medida del tiempo que tarda una
población en duplicarse, k es una medida del número de
generaciones que ocurren por unidad de tiempo en un cultivo
exponencial
Curva de crecimiento típica de población bacteriana
Descripción química del crecimiento microbiano
ACaHbOc + BO2 + DNH3
MCaHbOc Nd +
PCO2 + QH2OC
donde: A, B, D, P y Q son moles.
CaHbOc es la fuente carbono-energía.
M son moles de una unidad celular (biomasa)
Datos de composición celular

Bacterias
C0.53 , N0.12 , O0.19 , H0.07

Levaduras
C0.47 , N0.075 , O0.31 , H0.065
aCHxOy + bO2 + cNH3
CHaOb Nd+ dCO2 + eH2O
C:
a=1+d
H: ax + 3c = a + 2e
O: ay + 2b = b + 2d + e
N:
c=d
RQ = moles de CO2 / moles de O2 = d/b
Rendimiento biomasa-sustrato
YX/S = X Biomasa producida (X – X )
Sustrato consumido (S – S )
S
f
0
0
f
Rendimiento de biomasa producida por fuente de carbono
consumida:
m.o. aerobio = 0.5 biomasa
m.o. anaerobio = 0.1 biomasa
Rendimiento = Y = 0.5
m.o. aerobio
50% Biomasa + 50%
producción de metabolitos y
mantenimiento celular.
Sustrato (S0)
m.o. anaerobio
Rendimiento = Y = 0.1
10% Biomasa + 90%
producción de metabolitos y
mantenimiento celular.
Crecimiento...
Bajo condiciones exponenciales se describe:
dX / dt = m X….. (1)
dN / dt = mn N
dónde:
t: tiempo.
X: Concentración de m.o. en g/L (biomasa)
m: Velocidad específica de crecimiento en h-1 (masa)
N: Concentración de m.o. en células/L
mn: Velocidad específica de crecimiento en h-1 (#)
dX / dt = m X….……. (1)
Integrando:
lnX = lnX0 + m (t)…..…..(2)
en dónde
X0: número celular al tiempo 0 (t = 0)
X: número de células al tiempo, t (t )
Tomando el antilogaritmo:
X = X0 emt……………(3)
Esta ecuación permite predecir la densidad de población
en un tiempo futuro, conociendo el valor de X0 y m
Producción de biomasa
dX/dt = mmax [1- (X/Xmax)] X
X(t) =
Xmax
1+ [(Xmax-X0)/X0] e-mmaxt
Ecuación
logística
Germinación de esporas
S(t) =
Smax
1+ [(Smax-S0)/S0] e-kt
Ecuación logística
Estequiometría del crecimiento de
microorganismos aerobios heterótrofos

Sustratos  Biomasa + Productos
CHmO1 + a1NH3 + a2HPO4-2 + a3K+ + ... + bO2 = YCHpOnNqPoKv ... + a4CO2 + a5H2O


La biomasa microbiana se expresa empíricamente por la fórmula CHpOnNqPoKv …,
por ejemplo, si en promedio las células microbianas contienen un peso seco (%) de
46% C, 7.5% H, 31% O, 11% N y 1.3% P, la fórmula de la biomasa es:
CH1.9O0.5N0.2P0.01.
b y Y (rendimientos de biomasa) especifican las cantidades de sustrato y productos
del crecimiento micronbiano.
Existen diferentes métodos para medir crecimiento
microbiano:
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

Conteo directo al microscopio.
Método del número más probable.
Dilución en placa.
Turbidimetria.
Peso seco.
Actividad celular.