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Microbiologia GeneralTrimestre 16-P
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6. Factores ambientales
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Temperatura pH Presión Concentración de sales Actividad de agua (aw) Oxígeno
Los factores ambientales afectan:Velocidad de reacciones celularesEl metabolismoLos requerimientos nutricionalesLa composición de la BM
FACTORES AMBIENTALES
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6. Factores ambientales
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Desnaturalización de proteínas; colapso de la membrana; lisis
térmicaSe congela 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 velocidadÓptimo
Máximo
Temperatura
Tasa d
e crec
imien
to
Mínimo
Máxima tasa de crecimiento: daño en biomoléculas cesa la actividad a >T no hay crecimiento
Mínima la fluidez de la membrana: debajo de esta T no hay crecimiento Óptima Máxima tasa de crecimiento y reacciones enzimáticas
Cada microorganismo tiene 3 temperaturas cardinales:
Temperaturas cardinales
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Psicrófilos: 13°C (< 0°C – 20°C) Mesófilos: 37°C (15 - 45°C)
Termófilos: 60°C (45 – 80°C ) Hipertermófilos: 90°C (T > 80°C)
Termófilo
Mesófilo
Yo amo el calor
Yo solo puedo vivir entre 25 y 40°C
Con base en su temperatura óptima de crecimiento, los organismos se clasifican en 4 grupos:
Temperatura (°C)
Tasa d
e crec
imien
to
Psicrófilos
MesófilosTermófilos
Hipertermófilos
Clasificación con base en la temp. óptima
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Yo amo el frío
Psicrófilo
Psicrófilos (Top < 20°C): Menor tamaño celular (pequeños)
Enzimas con Top pueden desnaturalizarse a Tamb MC: contenido de AG insaturados mantiene
la fluidez y evita que se cristalice
Termófilos (Top > 60°C): Biomoléculas termoestables Cambios en aa de proteínas mayor estabilidad a T MC: contenido de AG saturados de cadena larga y
ramificados; presencia de lípidos cíclicos
Mecanismos de adaptación
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PsicrófilosAntárticoÁrticoMontañasProfundidad del océano
Psychrobacter( 4-15ºC)
HipertermófilosPyrolobus fumarii
(óptima 106ºC)
GeisersRespiraderos hidro- o geo-termales
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Microorganismo Temperaturas cardinales (°C)Mínima Óptima Máxima
BacteriasMycrococcus cryophilusEscherichia coliThermus aquaticus (Taqpolimerasa)
-41050
1037
~70
244580
HongosCandida scottiiSaccharomyces cerevisiaeThermomyces ibadanensis
01-331
~1028
42-47
174061
ArchaeaMethanogenium frigidumMethanothermusPyrococcus abyssiPyrolobus fumarii
0606790
158396106
1893102113
Ejemplos de temperaturas cardinales
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6. Factores ambientales
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pH: función logarítmica 1 unidad de pH implica el cambio en 10 unidades en la [H+] pH = log [H+]
Ec. de Henderson-Hasselbalch
La acidez/alcalinidad se expresa en una escala en la que la neutralidad es pH 7 pH alcalinos pH ácidos
Cada organismo tiene un rango de pH dentro del cual puede crecer y tiene un pH óptimo
Acidez y alcalinidad:ph
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Con base en el pH óptimo de crecimiento, los organismos se clasifican en 3 grupos:
Acidófilos extremosAcidófilosNeutrófilosAlcalófilosAlcalófilos extremos
Tasa d
e crec
imien
to Acidófilos Neutrófilos Alcalófilos
pH
Ácido
Básico
Acidófilosextremos
Acidófilos
Neutrófilos
Alcalófilos
Alcalófilosextremos
Neutralidad
pHcit
oplás
mico
mol/L de:H+ OH-
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Alcalófilos (pHop ≥ 9): Bombeo de H+ externos hacia el citoplasma pHint ~ 8 pHext MC impermeable a iones -OH PC con carga superficial (-)
Acidófilos (pHop ≤ 2-3): Bombeo de H+ internos hacia el exterior pHint ~ 6.5 pHext ~ 2 MC con transportadores que dependen de H+
Cargas superficiales (+)
Organismos que viven en pH extremos:Si el pHint<5: muerte destrucción de biomoléculasMantienen el citoplasma a pH ~ 7
Mecanismos de adaptación
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Acidófilos:Hongos más tolerantes que bacterias:
Aguas/suelosvolcánicosFluidos gástricosJugo de limónDrenaje ácidoVinagreSuelos ácidos
Agua de marSuelos alcalinos
JabónAmoniaco casero
Ejemplos
TomatesColMaíz/salmónAgua pura
Alcalófilos suelos y lagos carbonatadosLa mayoría del género Bacillus
Bacterias acidófilas obligadas ThiobacillusArqueas Sulfolobus y ThermoplasmaAlgas Cyanidium caldarium (pH 3.3-3.5 a 42°C, pero puede vivir a pH ~ 1)
C. caldarium
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Organismo HábitatpH
Mínimo Óptimo MáximoThiobacillus thiooxidans Áreas ricas en azufre (ácidas) 0.5 2.0-2.8 4.0-6.0Sulfolobus acidocaldarius Manantiales ácidos de azufre 1.0 2.0-3.0 5.0
Bacillus acidocaldarius Manantiales ácidos calientes 2.0 4.0 6.0Zymomonas lindneri Ambientes con alta [azúcar] 3.5 5.5-6.0 7.5Lactobacillus acidophilus Animales, MO en descomposición 4.0-4.6 5.8-6.6 6.8
Staphylococcus aureus Animales, cavidad nasal, piel 4.2 7.0-7.5 9.3Escherichia coli Intestinos de animales 4.4 6.0-7.0 9.0Streptococcuspneumoniae Patógeno de animales 6.5 7.8 8.3Natronoarchaeum(arquea) Lagos y suelos sódicos, salinas 6.0 8.0-9.0 9.5
ejemploS
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6. Factores ambientales
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Con base en la presión óptima, los organismos se clasifican en 3 grupos:
Piezosensibles (Patm 1 atm)Piezotolerantes ( 600 atm)Piezófilos (P óptima: 500 atm)
1 MPa = 9.9 Atm
197 395 592 790 987
Atm
Barófilos o Piezófilos
Barotolerantes o Piezotolerantes
Tasa d
e crec
imien
toBarosensibles o Piezosensibles
Presión atmosférica
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Methanococcus janaschiiPiezófilo-termófilo
(óptimos: 75 MPa, 90ºC)
Methanococcusjanaschii
Profundidades del océano (psicrófilos)Respiraderos hidrotermales (termófilos)
Piezófilos Lípidos de la MC con moléculas empacadas más
apretadas en la fluidez proporción de AG insaturados
Mecanismos de adaptación
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6. Factores ambientales
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* Soluto encontrado de forma natural* Mar: ~3.5% NaCl* Mar Muerto: 33.7% NaCl
* Osmofília generalmente se usa para organismos que crecen con [azúcar]
* Los organismos halófilos son osmófilos
Organismos que viven en ambientes con P osmótica osmófilos*
Con base en la [NaCl]* óptima de crecimiento 4 grupos: No halófilos (≤0.1 M: 0.6%)
Halotolerantes (0.6 M: 1-6%*) crecen mejor sin NaClHalófilos (1.25 M: 6-15%) necesitan NaClHalófilos extremos (>4 M: 15 -30%*) arqueas No halófilo
(E. coli)
Concentración de NaClTas
a de c
recim
iento
0 M 5 M(29%)
Halófilo(Vibrio fischeri)
Halófilo extremo (Halobacterium
salanarium)
Halotolerante(S. aureus)
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Lagos saladosMares (3.5% NaCl): mar muertoSalinasLagos salados alcalinos (África, lago de Texcoco)
Halobacterium salinarum(4 M NaCl)
Halófilos:MC con diferencias en composición osmolaridad intracelular [KCl]Enzimas dependientes de salesAcumulación de osmoprotectores* en el citoplasma:
Estabilizan y protegen enzimasProtección de ác. nucleicos y MCProtegen vs. congelación, desecación y desnaturalización (calor y [sal])
Halobacteriales (Archaea)Haloanaerobiales (Bacteria)
* Pequeñas moléculas muy solubles principalmente aa y alcoholes (polioles)
Mecanismos de adaptación
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6. Factores ambientales
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aw relación entre la presión de vapor* de un sustrato (P) y la presión de vapor del agua pura (P0), a la misma T:
aw medida de la cantidad de agua disponible (p. ej.): Agua pura todas las moléculas disponibles: aw Sol. saturada de NaCl una parte importante de las moléculas de
agua participa en la solvatación de los iones de la sal disuelta: aw
Si la cantidad de solutos en el medio (osmolaridad) aw:
* 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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Organismos que viven en ambientes secos: aw xerófilos Xerotolerantes Xerofilos (aw < 0.85)
La mayoría de los microorganismos necesita awpara crecer: aw Material Microorganismos1.000 Agua pura Spirillum0.995 Sangre humana Streptococcus, E.
coli0.980 Agua de mar Pseudomonas,
Vibrio0.900 Jamón Cocos Gram (+)0.800 Mermelada Hongos filamentosos0.700 Cereales, frutos secos Hongos xerófilos0.600 Depósitos de sal Algunas arqueas
Actividad de agua (aw)
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Reducción de aw como estrategia para limitar el crecimiento bacteriano gran importancia en industria alimentaria: ???
AlmíbaresSalmuerasSalazones (desecación con sal)
aw del alimento evitael crecimiento de bacterias conservación: desecación
DeshidrataciónAdición de solutos
Wallemia sebi (hongo xerófilo)
Frutos secosCarnes saladasNéctares de floresDesiertosSalinas (camas de evaporación donde se produce sal)
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Xerófilos mecanismos que ayudan a combatir la desecación: Acumulación de osmoprotectores* en el citoplasma
protección de membranas y proteínas ( potencial hídrico*) Producción de polisacáridos extracelulares que retienen H2O Diferenciación estructuras resistentes a la desecación ???
MC con permeabilidad restringida mantiene sales fuera y solutos orgánicos dentro
* Pequeñas moléculas muy solubles aa y alcoholes (polioles)* Tendencia del agua a moverse de un área de [ ] a una de [ ]
Mecanismos de adaPtación
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Relación aw – osmofília - halofílica
E. coli S. aureus Halococcus (arquea)
Cuál es la relación entre osmofilia, halofilia y aw?Tas
a de c
recim
iento
OsmófilosHalófilos extremos
OsmotolerantesHalotolerantes
No halófilos
Crecen mejor en [sal] donde la mayoría de los microorg.
se inhibe
aW
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6. Factores ambientales
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Con base en sus requerimientos de O2, los organismos se clasifican en:
Estrictos. El O2 es el aceptor final de ē para la captación de energía química
Microaerófilos. Requieren [O2] menores a la atmosférica (2 - 10% y no 20%)
Aceptor final de ē = O2
Aerotolerantes. Metabolismo energético anaerobio, toleran el O2 (bacterias lácticas). Aero-dúricos
Estrictos. El O2 es tóxico: no tienen enzimas que eliminan ERO (Clostridium)Facultativos. Metabolismo energético anaerobio/ aerobio depende de la disponibilidad de aceptores de ē (S. cerevisiae)
Aceptor final de ē ≠ O2
Aerobios:crecen en presencia de O2
Anaerobios:crecen en ausencia de O2
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La relación de un organismo con el O2 depende de la presencia de enzimas que eliminan especies reactivas de oxígeno (ERO: iones, radicales libres, peróxidos):
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
Singulete de oxígeno (molécula de alta energía) Radical superóxido Peróxido de hidrógeno
H2O2 + AA* 2 H2O + DHA2 •O2- + 2H+ H2O2 + O2
2 H2O2 O2 + 2 H2O
* AA: sustrato reducidoDHA: sustrato oxidado
•O2- H2O21O2
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Experimento para probar si un microorg. tiene actividad catalasa: Dos gotas de H2O2 (30%) en cada gota se adiciona una carga de
bacterias con el asa microbiológica
Catalasa negativo
Catalasa positivo
CAT (+): burbujeo intenso de O2 producto de la reacción
Ejemplo: reacción de la catalasa
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Aerobios estrictos Micro-aerófilos Anaerobios
facultativosAnaerobios
estrictosAero-
tolerantesCrecim. aerobio:
solo donde hay [O2]
Crecim. aerobio: solo donde hay
[O2]Crecim. aerobio y
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-
[O2]
Alta
Baja
Efectos del oxígeno en el crecimiento
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6. Factores ambientales
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Extremófilo: organismo que se desarrolla en ambientes extremos
Físicos (temperatura, radiación, presión)Geoquímicos (desecación, salinidad, pH, ERO, potencial redox)
PsicrófilosT < 15°C
TermófilosT 60 – 80°C
T > 80°CHalófilos[NaCl] >
3.5%
Xerófilosaw < 0.85
AlcalófilospH > 9
AcidófilospH < 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
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Proceso industrial “Producto” Ventajas OrganismoHidrólisis de almidón: dextrinas
y jarabe de maíz a-amilasa estabilidad Bacillus stearothermophilus
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
Productos farmacéuticos Glicerol, solutos compatibles Producción a $ Halófilos
(Dunaliella)Surfactantes para farmacéuticos Membranas Halófilos
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Grupo “Producto” Usos
Hiper-termófilos
ADN polimerasaProteasas y lipasasAmilasasXilanasasDeg. de petróleo
Amplificación de ADN por PCRDetergentes, alimentos (pan), cervezaHidrólisis de almidón, prod. de jarabes de maízBlanqueo de papelSurfactantes para recuperación de petróleo
PsicrófilosProteasa, lipasa, amilasasProteasas y lipasasb-galactosidasaSurfactantes
Detergentes, cerveceríaMaduración quesos, solución para limpiar lentesHidrólisis de lactosaBiorremediación
HalófilosPHAsPolímeros reológicosLípidosOsmoprotectoresMicroorganismos
Plásticos médicosRecuperación de aceites/petróleoAceite para calentamientoProtecc. de células y proteínas para usos indust.Biorremedación, ferment. de alimentos salados
AlcalófilosProteasa, celulasa, lipasasPectinasasHalófilos-alcalófilosMicroorganismos
DetergentesPapeles finos, tratamiento de aguasRecuperación de aceites/petróleoAntibióticos
Acidófilos Microorg. que oxidan SMicroorganismos
Recup. de metales y desulfuración de carbónÁcidos orgánicos y solventes