crecimiento microbiano-parte2

UNFV/FIIS CRECIMIENTO MICROBIANO

MICROBIOLOGÍA I 1

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL

FACULTAD: F.I.I.S. ESCUELA: ING. AGROINDUSTRIAL

MICROBIOLOGIA I

ENERGÉTICA DE CRECIMIENTO.

1. NATURALEZA Y ORIGEN DE LA ENERGÍA UTILIZADA EN EL

CRECIMIENTO.

Desde el punto de vista energético, un organismo en crecimiento es un

sistema en el que la energía producida por las reacciones catabólicas se

transfiere a la cadena de reacciones anabólicas.

De acuerdo con el segundo principio de termodinámica, sólo una parte de la

energía total proporcionada por el sustrato, es decir, del calor de la reacción

(▲H) correspondiente al calor de la transformación del sustrato en productos

metabólicos, es teóricamente convertible en trabajo, lo que se expresa por la

reacción clásica:

▲H = ▲F + T ▲S


MICROBIOLOGÍA I 2

Fig 91. Representación esquemática del intercambio energético en la célula en

crecimiento (vease explicación del texto)

- Variación total de energía durante la transformación del sustrato energético en productos

metabólicos: ▲H= ▲F + T ▲S (▲H: calor de reacción; ▲F: variación de energía libre; T ▲S :

variación de entropía del sistema a la temperatura absoluta T)

- Enu: energía biológicamente no utilizable.

- En: energía biológica utilizable por el ATP, los piridinnucleotidos reducidos (PNH2), etc.…

(Eu < ▲F).

- E1 y E2: energía biológicamente utilizable disipada en forma de calor en las reacciones

anabólicas de síntesis de los monómeros celulares y de su polimerización.

- Ec: energía biológicamente utilizable que queda incorporada en la sustancia celular: variación

positiva de entalpía del crecimiento. Ec= Eu – (E1+E2)

2. NECESIDADES ENERGÉTICAS Y ENTALPÍA DE CRECIMIENTO EN LOS

MICROORGANISMOS HETEROTRÓFICOS.

La importancia del ATP como vector de energía ha llevado a Sokatch y

Gunsalus (1957) y a Beauchop y Elsden, a referir el rendimiento no a la

cantidad del sustrato metabolizado, como solía hacerse, sino a la ganancia

neta de ATP proporcionado por el sustrato (Y ATP). Estas determinaciones se

han realizado en anaerobiosis y para fermentaciones cuyos mecanismos

enzimáticos son conocidos, a fin de calcular con exactitud la cantidad de ATP

producida. Además, los organismos se han cultivado en medios complejos, en

cantidades elevadas de peptona y de extracto de levadura.


MICROBIOLOGÍA I 3

TABLA 21

Rendimiento del crecimiento por mol de ATP

Organismo Medio Sustrato Vía

metabólica

Y

YATP

Streptococcus faecalis parcialmente

definido

glucosa E.M 22 11

----------- complejo glucosa E.M 23 11.5

----------- parcialmente

definido

arginina A.D 10.5 10.5

---------- complejo arginina A.D 10 10

Saccharomyces

cerevisiae

parcialmente

definido

glucosa E.M 21 10.5

Zymomonas mobilis complejo glucosa E.D 8.6 8.6

Desulfovibrio

desulfuricans

complejo piruvato P.D 10.2 10.2

------------ sintético piruvato P.D 9.6 9.6

------------ sintético lactato P.D 9.9 9.9

Rendimiento expresado en gramos (peso seco) de células formadas por mol de

sustrato consumido (Y) o por mol de ATP producido (YATP).

Vías metabólicas: E.M: Embden-Meyerhof; A.D: arginindihidrolasa; E.D: Entner-

Doudoroff; P.D: descarboxilación fosforoclastica.

Esta notable constante de Y ATP tiene varias consecuencias importantes.

Significa que, en los organismos en cuestión, la polimerización de las

macromoléculas celulares (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y

polisacáridos) se lleva a cabo mediante procesos energéticos equivalente a,

sin duda, idénticos o muy parecidos. Significa, asimismo, que toda la energía

biológicamente utilizable producida en forma de ATP es utilizable para el

crecimiento, existe un acoplamiento energético estricto entre las reacciones

catabólicas y anabólicas.


MICROBIOLOGÍA I 4

La nueva constante biológica Y ATP proporciona un procedimiento muy sencillo

y elegante para determinar el rendimiento de las fosforilaciones que se

producen en cualquier proceso metabólico. Basta dividir el rendimiento

molecular del crecimiento por Y ATP, es decir por 10.5 para obtener la

ganancia neta de ATP por mol de sustrato metabólico valiéndose de este

método. Elsdene ha demostrado que en varias bacterias aerobias, y

principalmente Eschirichia coli, el rendimiento de la fosforilización

oxidativa es, como en las mitocondrias de tres moles de fosfato eterificada y

de ATP producidos por par de electrones transportadores (P/O= 3).

Basándose en datos ya publicados sobre la composición de la célula

bacteriana y sobre los mecanismos de polimerización de las distintas

macromoléculas, Gunsalus y Shuster (1961) han calculado el consumo

teórico de ATP para el crecimiento en un medio nutritivo complejo, encontrando

que la polimerización de un gramo de células (tabla 22) necesita unos 30 mili

equivalentes de ATP, lo que teóricamente correspondería a la producción a la

producción de 33 g de células por mol de ATP. Por tanto, el rendimiento

experimental (Y ATP = 10.5) es sólo la tercera parte del resultado teórico,

otros procesos en los que se producen cantidades importantes de ATP. Como

pueden ser el transporte activo de los metabolitos a través de la membrana

citoplasmática.

La locomoción es el caso de organismos móviles y algunos procesos de la

división celular todavía mal conocidos. Por ultimo, se ha demostrado (F.Gross,

1965) que por cada siete moléculas de proteínas sintetizadas por la célula

tiene que formarse una molécula de ARN mensajero.

La energía libre incorporada en la materia viva, queda reducida a la de los

enlaces covalentes que se forma entre los monómeros de las macromoléculas.


MICROBIOLOGÍA I 5

TABLA 22

Gasto teórico de ATP en la polimerización de las macromoléculas celulares

Sustancia Peso

seco

(por

100)

Monómeros Equivalentes

para la

de ATP

polimerización

Peso

molecular

medio

m moles

por gr de

células

por

monómero

M moles por g

de células

Proteínas 60 110 5.45 3 16.35

Ácidos

nucleicos

20 300 0.666 5 3.33

Lípidos 10 60 1.66 3 4.98

Polisacáridos 10 166 0.60 2 1.20

Según Gunsalus y Shuster (1961)

Y los valores del calor de hidrólisis de las uniones peptidicas y fosfóricas,

que son respectivamente de -6 y -9 kcal/mol. El valor así obtenido de 38.8

calorías por gramo de células, mientras que la ATP consumido corresponde

a un gasto energético real de unas 760 calorías.

Es evidente que unas de estas consideraciones teóricas, sólo tiene significado

aproximativo. Sin embargo, concuerdan con algunos datos experimentales

obtenidos por milicalorimetría. Sin embargo, se ha observado que incluso en la

condiciones experimentales más favorables y utilizando del crecimiento

bacteriano no llega a rebasar ni en un 1 por 100 a la energía metabólica total,

valor demasiado pequeño para poder medirlo de modo experimental.


MICROBIOLOGÍA I 6

3. Crecimiento energéticamente desacoplado.

Como se ha señalado antes, la constancia de Y ATP indica que en las

condiciones de cultivo particulares en las que se ha medido esta magnitud,

toda la energía biológicamente utilizable que se produce en las reacciones

catabólicas es utilizada para el crecimiento.

Tabla 23

Crecimiento energéticamente desacoplado para la fuente de nitrógeno

Organismo Sustrato

carbonado

Fuente de

nitrógeno

Tasa de

crecimiento

(r)

Rendimiento

Proporción

celular de

actividad

catabólica

D.

desulfuricans

lactato

NH4 0.216 0.065 1.77

Lactato N2 0.097 0.033 1.72

A. aerogenes glucosa NH4 0.666 0.268 9.55

glucosa NO3 0.387 0.136 10.20

Existen sin embargo, otras condiciones de cultivo en las que se produce el

desacople energético durante el crecimiento (Semez, 1962). En la tabla

anterior, se exponen dos ejemplos. La tasa de crecimiento de las bacterias

sulfatoreductoras (Desulfovibrio desullfoficuns) se reduce

aproximadamente a la mitad cuando estos organismos fijan N2 en vez de

asimilar NH4, su fuente de nitrógeno usual. La reducción de la Tasa de

Crecimiento (r) va acompañada de una disminución prácticamente equivalente

del Rendimiento Ponderal (K) respecto al Sustrato carbonatado (lactato).


MICROBIOLOGÍA I 7

En cambio la Tasa Celular de Actividad Catabólica (A), es decir, la cantidad

de sustrato metabolizado por unidad de células y de tiempo, es idéntica

en los dos tipos de cultivo (Le Gall y Senz, 1960). Se observan hechos

análogos cuando se cultiva Aerobacter aerógenes en anaerobiosis en un

medio glucosado que contiene como fuente de nitrógeno nitrato, en lugar

de amoniaco, o cuando (Roseemberg y F. Laden, 1960) Strepptococcus

faecalisse cultiva en quimiostato, con la tasa de crecimiento limitada por un

aminoácido esencial (triptofano).

Por tanto, la Energía Libre utilizada para el crecimiento (Eu) sólo puede

proceder de la energía libre así definida. Además, dado que esta energía ha de

producirse en forma biológicamente utilizable, la energía útil representa sólo

una fracción de la Energía Libre Total (Eu < ▲F).

En el transporte biológico de energía, el adenosintrifosfato (ATP) desempaña

una función capital

En efecto, el ATP interviene directa o indirectamente en la síntesis de la

mayoría de los componentes celulares a partir de las fuentes de carbono,

nitrógeno, azufre, etc. Y como se verá más adelante.


MICROBIOLOGÍA I 8

La cantidad total de la energía transportada por el enlace ATP ha sido

determinada con exactitud por Meyorhof y Lohmmann (1932) midiendo el

calor de hidrólisis del ATP hasta adenosintrifosfato (ATP).

ATP + H2O = ADP + PO4H3 ▲H = -12.5 Kcal/mol

En cambio, la variación correspondiente de energía (▲F), es decir, la

energía utilizada transportada solo se conoce de forma aproximada, pues

aunque se sabe que depende de varios parámetros, especialmente de la

++

concentración en iones Mg, se ignora su valor a nivel de los sitios intracelulares

donde se intercambia la energía por medición del ATP, los valores obtenidos

oscilan según los autores, ente -7.4 a -10.1 Kcal/mol, considerándose en la

actualidad como más probable el de -8 Kcal.

Estos cálculos están realizados sobre el valor de 8 Kcal para la energía libre

de la fosforilación del ADP en ATP y considerándose que el rendimiento de la

Fosforilización Oxidativa es, como en las mitocondrias, de tres enlaces

Anhidro Fosfórico por cada par de electrones transportados entre los

Pirínucleótidos (PNH2) y el oxigeno (relación P/O= 3).

Los rendimientos son de un sólo 30 por 100 en las fermentaciones y no

sobrepasan las proporciones máximas de la energía libre catabólicas que

puede utilizarse para el crecimiento de los organismos heterótrofos que se

desarrollan en medios orgánicos complejos.


MICROBIOLOGÍA I 9

Tabla 20

Ganancia neta de ATP y rendimiento de la energía biológica útil en la respiración

y en los distintos tipos de fermentación de la glucosa.

▲F

(Kcal/mol)

ATP Formado

Ganancia neta

(moles por mol de

sustrato

metabolizado)

F

(Cal)

Rendimiento

energético

(por 100)

fermentación alcohólica *

(glucosa = etanol +2 CO2

-55.9 2 16 28.6

Fermentación homoláctica

(glucosa = 2 lactato) oxidación

aerobia completa de la

glucosa **

-49.7 2 16 32.2

(glucosa + 6 O2= 6 CO2 + 6

H2O) Fosforilación oxidativa

de los piridinnnucleotidos

(PN) y con una relación P/O=3

-688.2 38 399 67.3

PNH2 + 0.5 O2= PN + H2O -51.9 3 24 46.2

*Por la vía de Embden-Meyerhof.

**Por la vía de Embden-Meyerhof, acoplada con el ciclo tricarboxilico y la fosforilación

oxidativa.

Los rendimientos energéticos de las fosforilaciones se han calculado sobre la base de 8 Kcal

para la hidrólisis de ATP a ADP y ortofosfato.

En general los factores limitantes influyen en la tasa de crecimiento sólo

cuando sus concentraciones son muy pequeñas y en el caso de los sustratos

carbonados, mucho menores que las utilizadas en los medios de cultivo

usuales.


MICROBIOLOGÍA I 10

Por ejemplo en el caso ya citado de E. coli y de la Glucosa la concentración

que corresponde a la mitad de la tasa máxima de crecimiento

-5

(0.5 Rmáx) es de 2.2 x 10 M, o sea 3.9 ug/ml.

Los demás factores limitantes (fuente de nitrógeno, sales minerales,

vitaminas y aminoácidos, etc.) actúan sobre la tasa de crecimiento a dosis

aún menores que los sustratos carbonados y como en el caso de la figura

86.

R = r máx ___C

C1 + C

En el que r es la tasa de crecimiento observada; r máx. la tasa máxima; C

la concentración de factor limitante, y C1 la concentración del factor

limitante para que la tasa de crecimiento sea la mitad de la máxima.

Temperatura: A temperaturas próximas al óptimo térmico, una elevación de

10º C hace que se duplique la tasa de crecimiento (Q10 = 2) y principalmente la

actividad enzimatica, sigue la ley de Arrhenius:

d loger = P dT RT²

En esta expresión exponencial, r es la velocidad de la reacción considerada

(en este caso, la tasa de crecimiento exponencial).

T es la temperatura absoluta; R la constante de los gases perfectos y u el

incremento crítico de temperatura.


MICROBIOLOGÍA I 11

La temperatura de Arrehenius toma la forma siguiente, donde C es la

constante de integración:

Log10 r = -u (1) + C

4600 T

En esta fórmula se ve que dentro de la gama de temperaturas en que la que el

crecimiento sigue la ley de Arrehenius, el logaritmo de r es una función lineal

respecto a la inversa de la temperatura absoluta (1/T) y que la pendiente de la

recta representativa permite determinar gráficamente el valor de u.

Fig 87. Influencia de la temperatura sobre el crecimiento y sobre la actividad respiratoria

de Aerobacter aerogenes, cultivado en aerobiosis en un medio sintético (J. C Senez.

Revs, 26, 95, 1962).

Parte superior de la figura: rendimiento del crecimiento (G= miligramos de peso seco de

bacterias por miligramo de glucosa consumida. Parte inferior: en ordenadas, logaritmos de la

tasa de crecimiento (r) y de la actividad respiratoria (QO2). En abscisas: inversa de la

temperatura absoluta (1/T)


MICROBIOLOGÍA I 12

En la tabla 19, se exponen los valores de Rmáx y de tg de algunas bacterias

cultivadas en las condiciones más favorables, es decir, temperatura óptima (por

lo común, +37Cº) y en medios ricos (caldo peptonado o extracto de levadura).

Por ejemplo, en el caso de E. coli, tg es de una hora con xilosa. En general,

los actinomicetos se desarrollan mucho más lentamente que las eubacterias

y algunas bacterias autótrofas, como las nitrificantes (Nitrosococcus,

Nitrobacter), que tienen tiempos de división de varios días. En las levaduras,

los tiempos de división son del orden de una hora para las especies más

activas y en condiciones óptimas.

La tasa máxima de crecimiento de las bacterias representa un potencial de

multiplicación considerable. En Efecto, es la masa de una bacteria esférica

18

de una micra de diámetro, que contenga aproximadamente 5-10 g, aplicando

la ecuación de crecimiento, se tiene que a partir de una de estas células se

formará una equivalente a la de la tierra

27 -13 (6-10 g, n= log2 Xt = 3.322 (log10 6-10 - log10 5-10 ))

es decir, unas ciento treinta y dos divisiones. En fase exponencial, este

número de divisiones se alcanzaría tan solo en veintidós horas para las

bacterias marinas Pseudomonas matriengens, cuyo tiempo degeneración

es de diez minutos (Eagond, 1962), y en 44 horas para E.coli y la mayoría de

los enterobacterias (tg= 20 min).

Entre los factores que influyen en la velocidad de crecimiento dos, de ellos, la

concentración del Factor Limitante y la Temperatura son de particular interés.


MICROBIOLOGÍA I 13

Concentración del Factor Limitante. En la fig 85 se representa la velocidad

de crecimiento de E. coli en función de este sustrato es el factor limitante

mientras que los demás componentes se encuentran en exceso.

Tabla 19

Velocidad máxima de crecimiento de diversas bacterias en medios ricos y a

temperaturas óptimas.

Tg (minutos) Rmáx

Pseudomonas natriegens 9.8 6.1

Coli-aerogenes 20 3

Salmonella, Proteus, Vibrio 20-30 3-2

Staphylococcus,

Streptococcus

25-30 2.4-1.7

Pseudomonas sp 30-40 2-1.5

Corynebacterium 35-40 1.7-1.5

Clostridium 40-80 1.5-0.7

Lactatobacillus 100 0.6

Azotobacter 30-240 2-0.25

Phytomonas 75-165 0.8-0.36

Mycobacterium

tuberculosis

1620 (27 horas) 0.037

Cualquiera que sea la naturaleza del factor limitante, se obtienen curvas

análogas, tal sucede, por ejemplo, con la influencia de la concentración del

triptofano sobre la tasa de crecimiento de un mutante de E. coli autrofo para

este aminoácido.


MICROBIOLOGÍA I 14

Fig 85. Tasa de crecimiento de Escherichia coli en función de la concentración de

glucosa. (Según J. Monod, Recherches sur la coinsance des cellules bactereriennes,

Hermann. Paris, 1942).

Fig. 86 Tasa de crecimiento, en función de la concentración de Triptofano, de un mutante

de Escherichia coli, auxotrofo para este aminoácido. (Según A. Novick. Ann. Rev.

Microbiol. 9, 97,1955).

La viabilidad de los microorganismos se prolonga de forma considerable,

mediante la liofilización, procedimiento que consiste en una desecación a

vacío y en estado de congelación por sublimación del agua.

crecimiento microbiano-parte2

Documents