fisiología y cinética microbiana

FISIOLOGÍA Y CINÉTICA

MICROBIANA

Dra. Maribel Plascencia Jatomea

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.

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

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

Bacterias formadoras de esporas

Estructura de una endoespora

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)

Qué se regula?

Resumen de las rutas

metabólicas más

importantes

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

Inhibición por retroalimentación (Feedback)

La actividad de una

enzima presente en la

célula es inhibida por el

producto final de la

reacción

Regulación genética: Represión

La síntesis de una enzima es inhibida por el producto

final de la reacción

Regulación genética: Inducción

Es similar a la represión, excepto que el sustrato de

una ruta metabólica estimula la síntesis de la enzima

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

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

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

Parámetros de crecimiento: tiempo de generación

Cuando 2 células se dividen exponencialmente se convierten en 4 y esto se

expresa como 21→22

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 = N02n

N= número final de células

N0= número inicial de célular

n= número de generaciones

Sabiendo N0 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.

Se expresa como

k (h-1) = ln 2 = 0.693

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

Parámetros de crecimiento: constante de la velocidad de

crecimiento, k

Curva de crecimiento típica de población bacteriana

Descripción química del crecimiento microbiano

ACaHbOc + BO2 + DNH3

MCaHbOc Nd +

PCO2 + QH2OC

donde: A, B, D, P y Q son moles.CaHbOc es la fuente carbono-energía.M son moles de una unidad celular (biomasa)

Datos de composición celular

Bacterias

C0.53 , N0.12 , O0.19 , H0.07

Levaduras

C0.47 , N0.075 , O0.31 , H0.065

aCHxOy + bO2 + cNH3 CHaOb Nd+ dCO2 + eH2O

C: a = 1 + dH: ax + 3c = a + 2eO: ay + 2b = b + 2d + eN: c = d

RQ = moles de CO2 / moles de O2 = d/b

Rendimiento biomasa-sustrato

YX/S XS

Biomasa producida (Xf – X0)

Sustrato consumido (S0 – Sf)=

Rendimiento de biomasa producida por fuente de carbono

consumida:

m.o. aerobio = 0.5 biomasa

m.o. anaerobio = 0.1 biomasa

Sustrato (S0)

50% Biomasa + 50%

producción de metabolitos y

mantenimiento celular.

10% Biomasa + 90%

producción de metabolitos y

mantenimiento celular.

m.o. anaerobio

m.o. aerobio

Rendimiento = Y = 0.5

Rendimiento = Y = 0.1

Crecimiento...

Bajo condiciones exponenciales se describe:

dX / dt = m X….. (1)

dN / dt = mn 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

mn: Velocidad específica de crecimiento en h-1 (#)

dX / dt = m X….……. (1)

Integrando: lnX = lnX0 + m (t)…..…..(2)

en dónde

X0: número celular al tiempo 0 (t = 0)

X: número de células al tiempo, t (t )

Tomando el antilogaritmo:

X = X0 emt……………(3)

Esta ecuación permite predecir la densidad de población en un tiempo futuro, conociendo el valor de X0 y m

Producción de biomasa

dX/dt = mmax [1- (X/Xmax)] X

X(t) = Xmax

1+ [(Xmax-X0)/X0] e-mmaxt

Ecuación

logística

Germinación de esporas

S(t) = Smax

1+ [(Smax-S0)/S0] e-kt

Ecuación logística

Estequiometría del crecimiento de

microorganismos aerobios heterótrofos

Sustratos Biomasa + Productos

CHmO1 + a1NH3 + a2HPO4-2 + a3K

+ + ... + bO2 = 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.

Existen diferentes métodos para medir crecimiento

microbiano:

Conteo directo al microscopio.

Método del número más probable.

Dilución en placa.

Turbidimetria.

Peso seco.

Actividad celular.