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FISIOLOGÍA Y CINÉTICA
MICROBIANA
Dra. Maribel Plascencia Jatomea
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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.
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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
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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
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Bacterias formadoras de esporas
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Estructura de una endoespora
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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)
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Qué se regula?
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Resumen de las rutas
metabólicas más
importantes
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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
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Inhibición por retroalimentación (Feedback)
La actividad de una
enzima presente en la
célula es inhibida por el
producto final de la
reacción
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Regulación genética: Represión
La síntesis de una enzima es inhibida por el producto
final de la reacción
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Regulación genética: Inducción
Es similar a la represión, excepto que el sustrato de
una ruta metabólica estimula la síntesis de la enzima
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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
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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
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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
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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.
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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
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Curva de crecimiento típica de población bacteriana
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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)
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Datos de composición celular
Bacterias
C0.53 , N0.12 , O0.19 , H0.07
Levaduras
C0.47 , N0.075 , O0.31 , H0.065
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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
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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
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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
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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 (#)
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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
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Producción de biomasa
dX/dt = mmax [1- (X/Xmax)] X
X(t) = Xmax
1+ [(Xmax-X0)/X0] e-mmaxt
Ecuación
logística
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Germinación de esporas
S(t) = Smax
1+ [(Smax-S0)/S0] e-kt
Ecuación logística
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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.
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Existen diferentes métodos para medir crecimiento
microbiano:
Conteo directo al microscopio.
Método del número más probable.
Dilución en placa.
Turbidimetria.
Peso seco.
Actividad celular.