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6. FACTORES 6. FACTORES AMBIENTALESAMBIENTALES
Temperatura
pH
Presión
Concentración de sales
Actividad de agua (aw)
OxígenoEstos factores ambientales afectan:
La velocidad de reacciones celulares
El metabolismo
Los requerimientos nutricionales
La composición de la BM
Factores ambientales que inciden en Factores ambientales que inciden en el crecimiento microbianoel crecimiento microbiano
Cada microorganismo tiene 3 temperaturas cardinalestemperaturas cardinales:
TemperaturaTemperatura
MáximaMáxima tasa de crecimiento: daño de comp. celulares cesa la actividad a >T no hay crecimiento
MínimaMínima descenso de la fluidez de la membrana: debajo de esta T no hay crecimiento
ÓptimaÓptima Ocurre la máxima tasa de crecimiento y reacciones enzimáticas
Desnaturalización de proteínas; colapso de la membrana
celular; lisis térmica
Congelamiento de 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 velocidad
ÓptimoÓptimo
MáximoMáximo
Temperatura
Tasa
de
crec
imie
nto
MínimoMínimo
2
Temperatura (°C)
Tasa
de
crec
imie
nto
Psicrófilos
Mesófilos
Termófilos
Hipertermófilos
Psicrófilos: 13°C (< 0< 0°°C C –– 2020°°CC)
Mesófilos: 39°C (15 15 -- 4545°°CC)
Termófilos: 60°C (42 42 –– 8080°°CC )
Hipertermófilos: 90°C (T > 80T > 80°°CC)
Con base en su temperatura óptimatemperatura óptima de crecimiento, los organismos se clasifican en 4 grupos4 grupos:
TemperaturaTemperatura: : clasificación (Tclasificación (Topop))
TemperaturaTemperatura: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación
PsicrófilosPsicrófilos (Top < 20°C):Tamaño celular reducido (pequeños)
Enzimas con Top pueden desnaturalizarse a Tamb
MC: contenido de AG insaturados evita que se cristalice
Ejemplo: Mycrococcus cryophilus (bacteria) Top 10°C
TermófilosTermófilos (Top > 60°C):Biomoléculas termoestables: proteínas, ácidos nucleicos, lípidos
Cambios en aa de proteínas mayor estabilidad a T
MC: contenido de AG saturados de cadena larga ramificados
Los lípidos de la MC se “congelan” a Tamb no hay transporte
Ejemplo: Thermus aquaticus (Taq polimerasa) Top ~70°C; Pyrolobusfumarii (arquea) Top ~106°C
pH: función logarítmica 1 unidad de pH implica el cambio en 10 unidades en la [H+] pH = log [H+]
Ec. de Henderson-Hasselbalch
Cada organismo tiene un rango de pHrango de pH dentro del cual puede crecer y tiene un pH óptimopH óptimo
Con base en el rango de pH rango de pH de crecimiento, los organismos se clasifican en:
Acidófilos
Neutrófilos
Alcalófilos
pHpH: : fundamentos y clasificaciónfundamentos y clasificación
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Ácido
Básico
Acidófilosextremos
Acidófilos
Neutrófilos
Alcalófilos
Alcalófilosextremos
Neutralidad
pHci
topl
ásm
ico
mol/L de:H+ OH-
Tasa
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Acidófilos Neutrófilos Alcalófilos
pHpH: : clasificaciónclasificación
Organismos que viven en pH extremos:
Si pHpHintint<5<5: muerte destrucción de biomoléculasMantienen el citoplasma a pH ~ 7
AlcalófilosAlcalófilos (pHop ≥ 9):
Bombeo de HH++ externosexternos al citoplasma pHint ~ 8 pHext
MC impermeable a iones -OH
PC con carga superficial (-)
Ejemplos: Thiobacillus thiooxidans (bacteria) pHop ~ 2.5; Sulfolobusacidocaldarius (bacteria) pHop ~ 2-3
AcidófilosAcidófilos (pHop ≤ 2-3):
Bombeo de HH++ internosinternos hacia el exteriorexterior pHint ~ ~ 6.5 pHext ~ 2
MC estable a la acidez transportadores que dependen de H+
capacidad interna de amortiguamiento
Cargas superficiales (+)
Ejemplo: Natronoarchaeum (arquea) pHop ~ 8-9
pHpH: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación
Presión atmosféricaPresión atmosférica: : clasificaciónclasificación
Con base en la presión óptimapresión óptima, los organismos se clasifican en 3 grupos3 grupos:
Piezosensibles (Patm 1 atm)
Piezotolerantes ( 600 atm)
PiezófilosPiezófilos (P óptima: 500 atm) mecanismos de adaptación:
Moléculas en los lípidos de MC empacadas más apretadas en la fluidez
proporción de AG insaturados
1 MPa = 9.9 Atm
197 395 592 790 987
Atm
o Barófilos
Barotolerantes o
Barosensibles o
Tasa
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Presión osmóticaPresión osmótica: : clasificaciónclasificación
Organismos que viven en ambientes con P osmótica osmófilososmófilos
Con base en su [[NaClNaCl]]** óptima óptima de crecimiento 4 grupos4 grupos:
No halófilos (≤ 0.1 M: 0.6%)
Halotolerantes (0.6 M: 1 – 6%) crecen mejor sin NaCl
* Soluto encontrado de forma natural
HalófilosHalófilos (1.25 M: 6 -15%) necesitan NaCl
Halófilos extremos Halófilos extremos (> 4 M: 15 – 30%) arqueasarqueas
Halotolerante Halófilo Halófilo extremo
No halófilo
Concentración de NaCl
Tasa
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0 M 5 M(29%)
Presión osmóticaPresión osmótica: : mecanismos de mecanismos de adapadap..
HalófilosHalófilos
MC diferencias en composición y propiedades
osmolaridad intracelular ( [sal]) KCl
Enzimas tolerantes (y dependientes) de sales
Acumulación de comps. de PM en el citoplasma osmoprotectores:
Estabilizan y protegen enzimas
Protección de ác. nucleicos y MP
Protegen vs. congelación, desecación y desnaturalización (calor y [sal])
** OsmofíliaOsmofília generalmente se usa para organismos que crecen con [azúcar]
* Los organismos halófiloshalófilos son osmófilososmófilos
Actividad de agua (Actividad de agua (aaww))
aaww relación entre la presión de vapor de un sustrato (P) y la presión de vapor* del agua pura (P0), a la misma T:
aaww indica la cantidad de agua disponible (p. ej.):
Agua pura todas las moléculas están disponibles: aaww
Sol. saturada de NaCl una parte importante de las moléculas de agua participa en la solvatación de los iones de la sal disuelta: aaww
Si la cantidad de solutos en el medio (osmolaridadosmolaridad) aaww:
** 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
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aaww: : clasificaciónclasificación
Organismos que viven en ambientes secos: aw xerófilosxerófilosXerotolerantes
Xerofilos (aw < 0.85)
Si un microorganismo se encuentra en un sustrato con aw menor a la necesaria su crecimiento se detiene
La mayoría de los microorganismos necesita awpara crecer:
aw Material Microorganismos
1.000 Agua pura Spirillum
0.995 Sangre humana Streptococcus, E. coli
0.980 Agua de mar Pseudomonas, Vibrio
0.900 Jamón Cocos Gram (+)
0.800 Mermelada Hongos filamentosos
0.700 Cereales, frutos secos Hongos xerófilos
0.600 Depósitos de sal Algunas arqueas
Propiedad de granimportancia en la
industria alimentaria
XerófilosXerófilos mecanismos que ayudan a combatir la desecación:
Acumulación de osmoprotectores* en el citoplasma potencial hídrico*: protección de membranas y proteínas
Producción de polisacáridos extracelulares que retienen H2O
* Pequeñas moléculas muy solubles aa y alcoholes* Tendencia del agua a moverse de un área de [ ] a una de [ ]
aaww: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación
E. coli S. aureus Halococcus, (arquea)
Tasa
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OsmófilosHalófilos extremos
OsmotolerantesHalotolerantes
No halófilos
Crecen mejor en [sal] donde la mayoría de
los microorg. se inhibe
Diferenciación
MC con permeabilidad restringida sales fuera/ solutos orgánicos dentro
Con base en sus requerimientos de Orequerimientos de O22, los orgs. se clasifican en:
Requerimientos de ORequerimientos de O22: : clasificaciónclasificación
EstrictosEstrictos. El O2 es el aceptor final de ē para la captación de energía química
MicroaerófilosMicroaerófilos. Requieren [O2] menores a la atmosférica (2 -10% y no 20%)
Aceptor final de ē
EstrictosEstrictos. El O2 es tóxico: no tienen CAT, POX y SOD no pueden eliminar ERO (Clostridium)FacultativosFacultativos. Metab. energético aerobio/anaerobioaerobio/anaerobio depende del ambiente y disponibilidad de aceptores de ē (E.coli/S.cerevisiae)AerotolerantesAerotolerantes (aerodúricosaerodúricos). Metab. energético anaerobioanaerobio, tolerantoleran el O2 por que tienen SOD (bacterias lácticas)
≠ O2
AnaerobiosAnaerobios crecenen ausencia de O2
O2
AerobiosAerobios crecenen presencia de O2
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La relación de los organismos con el O2 depende de la presenciade enzimasenzimas que eliminaneliminan especies reactivas de oxígenoespecies reactivas de oxígeno (ERO):
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
H2O2 + AA* 2 H2O + DHA
•O2- + •O2
- + 2H+ 2 H2O2 + O2
2 H2O2 O2 + 2 H2O
* AA: sustrato reducidoDHA: sustrato oxidado
Singulete de oxígeno (molécula de alta energía)
Radical superóxido
Peróxido de hidrógeno
•O2- H2O2
1O2
Requerimientos de ORequerimientos de O22: : mecanismosmecanismos
Aerobios Aerobios obligadosobligados
MicroMicro--aerófilosaerófilos
Anaerobios Anaerobios facultativosfacultativos
Anaerobios Anaerobios obligadosobligados
AeroAero--tolerantestolerantes
Crecim. aerobio: solo donde hay
[O2]
Crecim. aerobio: solo donde hay
[O2]
Crecim. aerobio/ 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-
OO22: : efecto en el crecimientoefecto en el crecimiento
[O2]
Alta
Baja
6. FACTORES 6. FACTORES AMBIENTALESAMBIENTALES
Ejemplos de extremófilos
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PsicrófilosPsicrófilos
T < 15°C
TermófilosTermófilos
T 60 – 80°CT > 80°C
HalófilosHalófilos
[NaCl] > 3.5%
XerófilosXerófilos
aw < 0.85
AlcalófilosAlcalófilos
pH > 9
AcidófilosAcidófilos
pH < 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
ExtremófiloExtremófilo: organismo que se desarrolla en ambientes extremosextremos
Físicos (temperatura, radiación, presión)
Geoquímicos (desecación, salinidad, pH, ERO, potencial redox)
Proceso industrialProceso industrial BiomoléculaBiomolécula/ / MecanismoMecanismo VentajasVentajas OrganismoOrganismo
Hidrólisis de almidón:dextrinas y jarabe de maíz a-amilasa estabilidad Bacillus stearo-
thermophilus
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
Desulfuración de carbón Oxidación de azufre Acidófilos
Productos farmacéuticos Glicerol, solutos compatibles
Producción a $
Halófilos (Dunaliella)
Surfactantes para farmacéuticos Membranas Halófilos