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