FISIOLOGÍA Y CINÉTICA MICROBIANA. Dra. Maribel Plascencia Jatomea

Transcripción

1 FISIOLOGÍA Y CINÉTICA MICROBIANA Dra. Maribel Plascencia Jatomea

2 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.

3 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

4 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 masa- DNA. En este punto se sintetiza nuevo DNA, se forma una pared celular transversal y finalmente la célula se divide en dos

5 Bacterias formadoras de esporas

6

7 Estructura de una endoespora

8 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)

9 Qué se regula?

10 Resumen de las rutas metabólicas más importantes

11 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

12 Inhibición por retroalimentación (Feedback) La actividad de una enzima presente en la célula es inhibida por el producto final de la reacción

13 Regulación genética: Represión La síntesis de una enzima es inhibida por el producto final de la reacción

14 Regulación genética: Inducción Es similar a la represión, excepto que el sustrato de una ruta metabólica estimula la síntesis de la enzima

15 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

16 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

17 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

18 Parámetros de crecimiento: tiempo de generación Cuando 2 células se dividen exponencialmente se convierten en 4 y esto se expresa como 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 = N 0 2 n N= número final de células N 0 = número inicial de célular n= número de generaciones Sabiendo N 0 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.

19 Parámetros de crecimiento: constante de la velocidad de crecimiento, k Se expresa como k (h -1 ) = ln 2 = 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

20 Curva de crecimiento típica de población bacteriana

21 Descripción química del crecimiento microbiano AC a H b O c + BO 2 + DNH 3 MC a H b O c N d + PCO 2 + QH 2 O C donde: A, B, D, P y Q son moles. C a H b O c es la fuente carbono-energía. M son moles de una unidad celular (biomasa)

22 Datos de composición celular Bacterias C 0.53, N 0.12, O 0.19, H 0.07 Levaduras C 0.47, N 0.075, O 0.31, H 0.065

23 ach x O y + bo 2 + cnh 3 CH a O b N d + dco 2 + eh 2 O C: a = 1 + d H: ax + 3c = a + 2e O: ay + 2b = b + 2d + e N: c = d RQ = moles de CO 2 / moles de O 2 = d/b

24 Rendimiento biomasa-sustrato Y X/S = X Biomasa producida (X f X 0 ) S Sustrato consumido (S 0 S f ) Rendimiento de biomasa producida por fuente de carbono consumida: m.o. aerobio = 0.5 biomasa m.o. anaerobio = 0.1 biomasa

25 m.o. aerobio Sustrato (S 0 ) Rendimiento = Y = % Biomasa + 50% producción de metabolitos y mantenimiento celular. m.o. anaerobio Rendimiento = Y = % Biomasa + 90% producción de metabolitos y mantenimiento celular.

26 Crecimiento... Bajo condiciones exponenciales se describe: dx / dt = m X.. (1) dn / dt = m n 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 m n: Velocidad específica de crecimiento en h -1 (#)

27 dx / dt = m X.. (1) Integrando: lnx = lnx 0 + m (t)....(2) en dónde X 0 : número celular al tiempo 0 (t = 0) X: número de células al tiempo, t (t ) Tomando el antilogaritmo: X = X 0 e mt (3) Esta ecuación permite predecir la densidad de población en un tiempo futuro, conociendo el valor de X 0 y m

28 Producción de biomasa dx/dt = m max [1- (X/X max )] X X(t) = X max 1+ [(X max -X 0 )/X 0 ] e -m maxt Ecuación logística

29 Germinación de esporas S(t) = S max 1+ [(S max -S 0 )/S 0 ] e -kt Ecuación logística

30 Estequiometría del crecimiento de microorganismos aerobios heterótrofos Sustratos Biomasa + Productos CH m O 1 + a 1 NH 3 + a 2 HPO a 3 K bo 2 = 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.

31 Existen diferentes métodos para medir crecimiento microbiano: Conteo directo al microscopio. Método del número más probable. Dilución en placa. Turbidimetria. Peso seco. Actividad celular.