Tema 2

FISIOLOGÍA Y CINÉTICA
MICROBIANA
Dra. Maribel Plascencia Jatomea
Tema 3:
Factores intrínsecos y extrínsecos
que afectan el crecimiento
microbiano
Cambios como consecuencia de la transformación de los
alimentos, causada por el crecimiento microbiano
• Transformación: vinos, cerveza, quesos, yogurt,
salchichas, encurtidos.
• Descomposición.
• Vehículos de transmisión de enfermedades:
cólera, tuberculosis.
Descomposición de los alimentos o nutrientes
Carbohidratos
crecimiento micótico
Proteínas, grasas o
ambos
putrefacción (mal olor)
 Los cambios sucesivos en el tiempo ocurren en los alimentos y su
microbiota (inicial).
 Diversos factores intrínsecos y extrínsecos tienen la capacidad de influir
sobre el crecimiento microbiano en los alimentos:
Diferencias en los procesos de descomposición en relación con
las características de los alimentos.
Sustrato
Reacciones o
procesos
químicos
Productos y efectos típicos
Pectinas
Pectinólisis
Metanol, ácidos urónicos (pérdida de la estructura
de la fruta, podredumbres blandas)
Proteínas
Proteólisis,
desaminación
Aminoácidos, péptidos, aminas, H2S, amoniaco,
indol (amargor, acidez, mal olor, viscosidad)
Carbohidratos
Hidrólisis,
fermentaciones
Ácidos orgánicos, CO2, alcoholes mixtos (acidez,
agriado)
Lípidos
Hidrólisis,
degradación de
ácidos grasos
Glicerol y ácidos grasos mixtos (ranciedad,
amargor)
En los alimentos, los factores intrínsecos y extrínsecos determinan si el
crecimiento microbiano conducirá a la conservación o a descomposición.
Factores intrínsecos
Son aquellas que se relacionan con el alimento:







pH (acidez).
Concentración y tipo de nutrientes.
Potencial redox.
Contenido de humedad.
Actividad o disponibilidad de agua (Aw).
Agentes antimicrobianos naturales.
Estructura física y biológica de los alimentos o nutrientes.
Factores extrínsecos

Son aquellas que se relacionan con el ambiente o
entorno:
 Temperatura de almacenamiento.
 Humedad relativa o del ambiente.
 Presencia y concentración de gases (CO2, O2).
 Tipo, número y actividades de otros
microorganismos en el alimento.
EFECTO DEL pH SOBRE LOS M.O.
•
Acidófilos: intervalos de 2-5.
Acidófilas obligadas: Thiobacillus y Archaea
que incluyen Sulfolobus y Thermoplasma.
•
Neutrófilos: intervalos de 6-8.
•
Alcalófilos: intervalos de 10-11.
Género Bacillus .
Existen tres tipos de aditivos ácidos:
1. Ácidos fuertes (e.g., ácidos clorhídrico y fosfórico) aumentan
la concentración externa de protones, acidificando el pH
interno.
2. Ácidos débiles acidifican el pH interno inhibiendo el
transporte de nutrientes; además el transporte de aniones
afecta el metabolismo de m.o.
3. Iones potenciados por ácido como sulfito y nitrito son más
inhibitorios a pH bajos.
Un pH extracelular muy alejado de 7 perturba el gradiente de H+, que es el principal componente de la fuerza
proto-motriz necesaria para los procesos de transporte a travéz de la membrana, motilidad y síntesis de ATP
acoplada al proceso respiratorio. Además, el metabolismo anaerobio está regulado por el pH del medio.
H++A-
HA
H+
H+
HA
H+
HH+ +
H+
HH+ +
HH+ +
H++
HH+
H++AH+
H++A-
HA
H+
H++A-
H+
HA
HA
H++A-
H+
HA
H++A-
H+
La forma disociada de los ácidos (anión) es altamente polar y no atraviesa fácilmente la membrana de los m.o.
La forma no disociada sí atraviesa y adentro se disocia, afectando directamente al pH intracelular microbiano, lo que
puede afectar el metabolismo. Otra consecuencia es el aumento del turgor celular, al disociarse el ácido en el interior
(aumenta la concentración interna de aniones).
H++A-
HA
H+
H+
H++AH+
H+
A-
H+
H+
HA
H+
HA
AH++A-
H+
H+
HA
H++ A-
H+
HA
HA
H++A-
H+
Influencia del tipo de ácido, pH del medio de cultivo y
pH interno de las levaduras
pH del pH interno
Buffer
medio 1 min
10 min
Acetato
6.2
6.1
6.2
Fosfato
6.2
6.2
6.3
Acetato
4.2
4.9
5.1
Fosfato
4.1
5.7
5.8
Acetato
3.0
4.3
4.3
Fosfato
3.0
6.5
5.5-6.5
Mecanismos de inhibición

Desnaturalizar o al menos inhibir la actividad de enzimas y
moléculas ácido-lábiles como el ATP y DNA.

La concentración de hidrógeno afecta el estado iónico del m.o.

Las enzimas ligadas a membrana (permeasas) regulan el
tamaño y variación del flujo de protones para proveer nutrientes
y energía.

Bajo condiciones adversas, a pH ácidos, los procesos
productores de energía situados en la membrana celular
pueden revertir y bombear protones del interior de la célula, de
tal forma que las reacciones enzimáticas puedan llevarse a
cabo a condiciones neutras. Se distinguen dos factores a ser
regulados:


El flujo de protones entre el interior de la célula y el ambiente y,
La concentración interna de H+. El balanceo de esos 2 factores
juega un papel en determinar la economía de la célula.
Efecto de la acidez del medio
EFECTO DE LA CONCENTRACION DE
SOLUTOS SOBRE LOS M.O.

Mecanismos de
transporte:
Osmoregulación:
mantener las
concentraciones de solutos
a valores óptimos para la
actividad microbiana.
 Aw: se define mediante la relación
existente entre la presión de vapor de
agua del alimento (p) y la del agua
pura (po) a la misma temperatura.
Aw = p/ po
 Se relaciona con humedad relativa
(R.H.).
R.H. = 100 x Aw

Osmófilos: m.o. que crecen en una elevada osmolaridad.
Halófilos altas concentraciones de sales.
No
halófilos.
Moderados.
Extremos.
Sacarófilos.

Xerófilos:
m.o. que crecen en medios con baja actividad de agua.
Tolerancia osmótica
1. Acumulación intracelular de potasio.
2. Presencia de aminoacidos: prolina.
3. Eliminación de putrescina bajo altas
presiones osmóticas.
Requerimientos de sodio
Halófilo extremo
100
Actividad
enzimática
(%)
No halófilo
Concentración de sodio
 Aw >0.98.
 0.98>Aw>0.93.
 Gram negativas: coliformes tolerantes a sal.
 Gram positivas:bacterias lácticas embutidos.
 Hongos.
 0.93>Aw>0.85.
 Levaduras: leche condensada.
 Hongos:quesos de pasta dura.
 0.85>Aw>0.60.
 Hongos xerófilos y levaduras osmófilas.
 Aw<0.60.
 No hay crecimiento microbiano.
Patógenos
 Aw >0.98.
 0.98>Aw>0.93.
 Bacterias patógenas: Bacillus cereus, Clostridium
botulinum, C. perfringens, Salmonella, Vibrio
parahaemolyticus.
 Hongos micotoxigénicos.
 0.93>Aw>0.85.
 S. aureus.
 Hongos micotoxigénicos.
 0.85>Aw>0.60.
 Hongos micotoxigénicos (xerófilos).
EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE
LOS M.O.
•
•
•
•
Termófilos: por arriba de 55°C.
Mesófilos: intervalos de 20-45°C.
Psicrófilos: crecen a 0°C.
Psicrótrofos: pueden crecer a 0°C.
Ecuación de Arrhenius



Log10n =
-DH*
+ C
2.303 RT
donde:
n representa la velocidad de la
reacción, DH* la energía de
activación de la reacción, R la
constante de los gases y T la
temperatura en grados Kelvin.
De ahí que la representación gráfica
de la velocidad de una reacción
química en función de T-1 es una
línea recta con pendiente negativa.
Representación de Arrhenius de la velocidad de crecimiento
de E. coli
Etapas de daño por frío
Declinación estable.
Choque por frío.
Choque osmótico por frío.
Causas de daño por frío
• Choque por temperatura.
• Efecto de concentración de solutos
extra e intracelulares.
• Daño por formación de hielo interno.
Dan protección a las células:
 Gliceroles.
 Dietilenglicol.
 mono y disacáridos.
 Aminoácidos.
 Proteínas.
Estabilidad de las proteínas citoplasmáticas de bacterias
mesófilas y termófilas a 60° C
% de proteínas desnaturalizadas
Organismo
55
Proteus vulgaris Mesófilo
55
Escherichia coli Mesófilo
58
Bacillus megateriam Mesófilo
57
Bacillus subtilis Mesófilo
3
Bacillus stearothermophilus Termófilo
0
Bacillus sp. (Purdue CD) Termófilo
4
Termófilo
Bacillus sp. (Texas 11330)
0
Bacillus sp. (Nebraska 1492) Termófilo
Nota: Datos procedentes de H. Komer y G. O. Gale, Arch.
Biochem. Biophys. 66, 249 (1957).
Efecto de la temperatura de crecimiento sobre la cantidad de los
principales ácidos grasos de E. coli (expresada como porcentaje
de ácidos grasos totales)
Temperatura
de crecimiento
Ácido graso
10°C
43°C
ÁCIDOS GRASOS SATURADOS
Mirístico (14C)
Palmítico (16C)
3,9
18,2
7,7
48,0
ÁCIDOS GRASOS INSATURADOS
Palmitoleico (16C)
Oleico (18C)
26,0
37,9
9,2
12,2
Procedencia: Datos de A. G. Marr y J. L. Ingranar4 <<Effect of Temperature on the Composition of
Fatty Acids in E. coii». J. Bac
Adaptación fisiológica a baja temperatura
 Cambios morfológicos y fisiológicos:
 Incrementan el tamaño, forman filamentos y doble pared celular.
 Cambios en rutas metabólicas y productos finales.
 Los m.o. sintetizan mayores cantidades de carotenoides,
dextranos y enzimas.
Microorganismos psicrófilos y psicrótrofos.
Sus endosporas, toxinas (Clostridium botulinum y
Staphilococcus aureus) y enzimas permanecen activas.
Resistencia al calor
 Resistencia inherente. Ejemplo especies, cepas, esporas.
 Ambiente durante el crecimiento y formación de
células o esporas. Ejemplo edad del cultivo, temperatura y
medio de crecimiento
 Ambiente durante el calentamiento. Ejemplo pH, Aw, tipo
de alimento, sales.
Tipo de organismo. Número de células. Edad
del cultivo. Etapa de crecimiento. Temperatura
de crecimiento. Medio. Efecto Aw reducida.
Humedad relativa
 Se relaciona con la Aw del alimento y el crecimiento
del m.o. sobre la superficie.
 Equilibrio entre la humedad interna y externa:
 Baja Aw: el alimento se humedece.
 Elevada Aw: pierde humedad.
Relación de los m.o. con el
O2
Función del oxígeno en los m.o. :
Actuar como aceptor terminal de electrones en
la cadena transportadora de electrones durante la
respiración aerobia.
Los eucariotes aerobios
utilizan O2 para sintetizar
esteroles y ácidos grasos
insaturados.
Respiración aerobia (en la mitocondria)
Respiración
Fermentaciones
Función del oxígeno en la cadena
transportadora de e- (mitocondria)
Clasificación de los m.o. de acuerdo a sus
requerimientos de oxígeno
 Aerobios: requieren del oxígeno para desarrollarse.
 Microaerófilos: se desarrollan a concentraciones de oxígeno menores al
atmosférico (2 al 10%).
 Aerobios obligados: dependen del O2 para crecer.
 Anaerobios.
 Estrictos: No toleran en absoluto el O2.
 Facultativos: No precisan O2 para crecer, pero lo hacen mejor en su presencia.
 Aerotolerantes: Crecen en presencia o ausencia de O2.
Relaciones de oxígeno de grupos de m.o.
Ciclo y flujo del oxígeno
Efecto del Oxígeno
 Inactivación de proteínas.
 Efecto de los derivados tóxicos del O2.
 Inactivación de enzimas cuando se
oxidan grupos sensibles, ej. sulfhidrilos.
Enzimas sensibles al oxígeno
Muchas enzimas, especialmente las de anaerobios estrictos,
son rápida e irreversiblemente desnaturalizadas por
exposición al O2. Un ejemplo notable es la nitrogenasa, la
enzima responsable de la fijación de nitrógeno.
Toxicidad del O2: reducción
El O2 acepta electrones y se reduce fácilmente.
Las flavoproteínas, otros constituyentes celulares
y la radiación promueven la reducción del O2.
Combinación de productos de reducción
(extremadamente tóxicos, con gran poder de oxidación)
Radical superóxido:
O2 + e-  O2.-
Peróxido de hidrógeno:
O2.- + e- + 2H+  H2O2
Radical hidroxilo:
.
+
H2O2 + e + H  H2O + OH
Toxicidad… : mecanismos químicos
Las oxidaciones de flavoproteínas por O2 conducen
inevitablemente a la formación de un compuesto tóxico, H2O2,
como producto principal.
Estas oxidaciones (y probablemente otras oxidaciones u
oxigenaciones catalizadas por enzimas) producen además
pequeñas cantidades de un radical libre (superóxido, lleva
una carga negativa) mucho más tóxico.
Tolerancia al O2
En los m.o. aerobios y anaerobios facultativos, las
enzimas superóxido dismutasa y catalasa catalizan la
destrucción de los radicales superóxido y peróxido de
hidrógeno, respectivamente:
Superóxido dismutasa
2O2.- + 2H+

O 2 + H 2O 2
Catalasa
2H2O2

2H2O + O2
Tolerancia al oxígeno
Las bacterias del ácido láctico no
contienen la enzima catalasa y son
capaces de crecer en presencia de aire.
La mayoría de estos organismos no
acumulan cantidades significativas de
H2O2, puesto que lo descomponen por
medio de enzimas peroxidasas.
Otros m.o. emplean una reacción similar a
la de la catalasa que depende de altas
concentraciones intracelulares de Mn2+.
Presencia y concentración de gases en la
atmósfera
CO2: inhibe el crecimiento
de m.o.
Ozono: fuerte agente
oxidante, con propiedades
antimicrobianas. No debe
emplearse en alimentos con
alto contenido de lípidos
porque incrementa la
rancidez.
Exceso de CO2,
El almacenamiento de carnes en una
atmósfera de CO2 elevado inhibe gram
negativas, con lo que se origina una
población dominada por lactobacilos.
PRESENCIA Y ACTIVIDADES DE OTROS M.O.
Algunos m.o. producen sustancias que
resultan inhibitorias o letales para el
crecimiento de otros m.o.: antibióticos,
bacteriocinas, H2O2, ácidos orgánicos.
Interferencia microbiana.
Antagonismo láctico.
Efecto fotooxidante

La toxicidad del O2 para los organismos vivos se intensifica enormemente
si se exponen las células a la luz en presencia de aire y de unos pigmentos
conocidos como fotosensibilizadores. La luz convierte el fotosensibilizador
(F) en una forma muy reactiva conocida como estado de triplete (F*):

La reacción secundaria entre F* y O2 produce oxígeno en estado de
sínglete (102). Al igual que el radical superóxido, el oxígeno en estado de
sínglete es un poderoso oxidante y su formación dentro de la célula es
rápidamente letal.
Enzimas sensibles al oxígeno

Muchas enzimas, especialmente las de
anaerobios estrictos, son rápida e
irreversiblemente desnaturalizadas por
exposición al O2. Un ejemplo notable es la
nitrogenasa. el enzima responsable de la
fijación de nitrógeno.
Función de las oxigenasas en los
microorganismos aeróbicos

Aunque la función metabólica primaria del O2 en los
aerobios estrictos es la de servir de aceptor terminal de
electrones, funciona también como cosubstrato de
enzimas que catalizan algunos pasos en la asimilación
de compuestos aromáticos y alcanos.

Estas enzimas se denominan oxigenasas e intervienen
en la adición directa de uno o dos átomos de oxígeno al
substrato orgánico. Un ejemplo es la rotura del anillo del
catecol mediante oxigeno, un intermediario en la
asimilación de muchos compuestos aromáticos.