1

6. FACTORES 6. FACTORES AMBIENTALESAMBIENTALES

Temperatura

pH

Presión

Concentración de sales

Actividad de agua (aw)

OxígenoEstos factores ambientales afectan:

La velocidad de reacciones celulares

El metabolismo

Los requerimientos nutricionales

La composición de la BM

Factores ambientales que inciden en Factores ambientales que inciden en el crecimiento microbianoel crecimiento microbiano

Cada microorganismo tiene 3 temperaturas cardinalestemperaturas cardinales:

TemperaturaTemperatura

MáximaMáxima tasa de crecimiento: daño de comp. celulares cesa la actividad a >T no hay crecimiento

MínimaMínima descenso de la fluidez de la membrana: debajo de esta T no hay crecimiento

ÓptimaÓptima Ocurre la máxima tasa de crecimiento y reacciones enzimáticas

Desnaturalización de proteínas; colapso de la membrana

celular; lisis térmica

Congelamiento de 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 velocidad

ÓptimoÓptimo

MáximoMáximo

Temperatura

Tasa

de

crec

imie

nto

MínimoMínimo

2

Temperatura (°C)

Tasa

de

crec

imie

nto

Psicrófilos

Mesófilos

Termófilos

Hipertermófilos

Psicrófilos: 13°C (< 0< 0°°C C –– 2020°°CC)

Mesófilos: 39°C (15 15 -- 4545°°CC)

Termófilos: 60°C (42 42 –– 8080°°CC )

Hipertermófilos: 90°C (T > 80T > 80°°CC)

Con base en su temperatura óptimatemperatura óptima de crecimiento, los organismos se clasifican en 4 grupos4 grupos:

TemperaturaTemperatura: : clasificación (Tclasificación (Topop))

TemperaturaTemperatura: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación

PsicrófilosPsicrófilos (Top < 20°C):Tamaño celular reducido (pequeños)

Enzimas con Top pueden desnaturalizarse a Tamb

MC: contenido de AG insaturados evita que se cristalice

Ejemplo: Mycrococcus cryophilus (bacteria) Top 10°C

TermófilosTermófilos (Top > 60°C):Biomoléculas termoestables: proteínas, ácidos nucleicos, lípidos

Cambios en aa de proteínas mayor estabilidad a T

MC: contenido de AG saturados de cadena larga ramificados

Los lípidos de la MC se “congelan” a Tamb no hay transporte

Ejemplo: Thermus aquaticus (Taq polimerasa) Top ~70°C; Pyrolobusfumarii (arquea) Top ~106°C

pH: función logarítmica 1 unidad de pH implica el cambio en 10 unidades en la [H+] pH = log [H+]

Ec. de Henderson-Hasselbalch

Cada organismo tiene un rango de pHrango de pH dentro del cual puede crecer y tiene un pH óptimopH óptimo

Con base en el rango de pH rango de pH de crecimiento, los organismos se clasifican en:

Acidófilos

Neutrófilos

Alcalófilos

pHpH: : fundamentos y clasificaciónfundamentos y clasificación

3

Ácido

Básico

Acidófilosextremos

Acidófilos

Neutrófilos

Alcalófilos

Alcalófilosextremos

Neutralidad

pHci

topl

ásm

ico

mol/L de:H+ OH-

Tasa

de

crec

imie

nto

Acidófilos Neutrófilos Alcalófilos

pHpH: : clasificaciónclasificación

Organismos que viven en pH extremos:

Si pHpHintint<5<5: muerte destrucción de biomoléculasMantienen el citoplasma a pH ~ 7

AlcalófilosAlcalófilos (pHop ≥ 9):

Bombeo de HH++ externosexternos al citoplasma pHint ~ 8 pHext

MC impermeable a iones -OH

PC con carga superficial (-)

Ejemplos: Thiobacillus thiooxidans (bacteria) pHop ~ 2.5; Sulfolobusacidocaldarius (bacteria) pHop ~ 2-3

AcidófilosAcidófilos (pHop ≤ 2-3):

Bombeo de HH++ internosinternos hacia el exteriorexterior pHint ~ ~ 6.5 pHext ~ 2

MC estable a la acidez transportadores que dependen de H+

capacidad interna de amortiguamiento

Cargas superficiales (+)

Ejemplo: Natronoarchaeum (arquea) pHop ~ 8-9

pHpH: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación

Presión atmosféricaPresión atmosférica: : clasificaciónclasificación

Con base en la presión óptimapresión óptima, los organismos se clasifican en 3 grupos3 grupos:

Piezosensibles (Patm 1 atm)

Piezotolerantes ( 600 atm)

PiezófilosPiezófilos (P óptima: 500 atm) mecanismos de adaptación:

Moléculas en los lípidos de MC empacadas más apretadas en la fluidez

proporción de AG insaturados

1 MPa = 9.9 Atm

197 395 592 790 987

Atm

o Barófilos

Barotolerantes o

Barosensibles o

Tasa

de

crec

imie

nto

4

Presión osmóticaPresión osmótica: : clasificaciónclasificación

Organismos que viven en ambientes con P osmótica osmófilososmófilos

Con base en su [[NaClNaCl]]** óptima óptima de crecimiento 4 grupos4 grupos:

No halófilos (≤ 0.1 M: 0.6%)

Halotolerantes (0.6 M: 1 – 6%) crecen mejor sin NaCl

* Soluto encontrado de forma natural

HalófilosHalófilos (1.25 M: 6 -15%) necesitan NaCl

Halófilos extremos Halófilos extremos (> 4 M: 15 – 30%) arqueasarqueas

Halotolerante Halófilo Halófilo extremo

No halófilo

Concentración de NaCl

Tasa

de

crec

imie

nto

0 M 5 M(29%)

Presión osmóticaPresión osmótica: : mecanismos de mecanismos de adapadap..

HalófilosHalófilos

MC diferencias en composición y propiedades

osmolaridad intracelular ( [sal]) KCl

Enzimas tolerantes (y dependientes) de sales

Acumulación de comps. de PM en el citoplasma osmoprotectores:

Estabilizan y protegen enzimas

Protección de ác. nucleicos y MP

Protegen vs. congelación, desecación y desnaturalización (calor y [sal])

** OsmofíliaOsmofília generalmente se usa para organismos que crecen con [azúcar]

* Los organismos halófiloshalófilos son osmófilososmófilos

Actividad de agua (Actividad de agua (aaww))

aaww relación entre la presión de vapor de un sustrato (P) y la presión de vapor* del agua pura (P0), a la misma T:

aaww indica la cantidad de agua disponible (p. ej.):

Agua pura todas las moléculas están disponibles: aaww

Sol. saturada de NaCl una parte importante de las moléculas de agua participa en la solvatación de los iones de la sal disuelta: aaww

Si la cantidad de solutos en el medio (osmolaridadosmolaridad) aaww:

** 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

5

aaww: : clasificaciónclasificación

Organismos que viven en ambientes secos: aw xerófilosxerófilosXerotolerantes

Xerofilos (aw < 0.85)

Si un microorganismo se encuentra en un sustrato con aw menor a la necesaria su crecimiento se detiene

La mayoría de los microorganismos necesita awpara crecer:

aw Material Microorganismos

1.000 Agua pura Spirillum

0.995 Sangre humana Streptococcus, E. coli

0.980 Agua de mar Pseudomonas, Vibrio

0.900 Jamón Cocos Gram (+)

0.800 Mermelada Hongos filamentosos

0.700 Cereales, frutos secos Hongos xerófilos

0.600 Depósitos de sal Algunas arqueas

Propiedad de granimportancia en la

industria alimentaria

XerófilosXerófilos mecanismos que ayudan a combatir la desecación:

Acumulación de osmoprotectores* en el citoplasma potencial hídrico*: protección de membranas y proteínas

Producción de polisacáridos extracelulares que retienen H2O

* Pequeñas moléculas muy solubles aa y alcoholes* Tendencia del agua a moverse de un área de [ ] a una de [ ]

aaww: : mecanismos de adaptaciónmecanismos de adaptación

E. coli S. aureus Halococcus, (arquea)

Tasa

de

crec

imie

nto

OsmófilosHalófilos extremos

OsmotolerantesHalotolerantes

No halófilos

Crecen mejor en [sal] donde la mayoría de

los microorg. se inhibe

Diferenciación

MC con permeabilidad restringida sales fuera/ solutos orgánicos dentro

Con base en sus requerimientos de Orequerimientos de O22, los orgs. se clasifican en:

Requerimientos de ORequerimientos de O22: : clasificaciónclasificación

EstrictosEstrictos. El O2 es el aceptor final de ē para la captación de energía química

MicroaerófilosMicroaerófilos. Requieren [O2] menores a la atmosférica (2 -10% y no 20%)

Aceptor final de ē

EstrictosEstrictos. El O2 es tóxico: no tienen CAT, POX y SOD no pueden eliminar ERO (Clostridium)FacultativosFacultativos. Metab. energético aerobio/anaerobioaerobio/anaerobio depende del ambiente y disponibilidad de aceptores de ē (E.coli/S.cerevisiae)AerotolerantesAerotolerantes (aerodúricosaerodúricos). Metab. energético anaerobioanaerobio, tolerantoleran el O2 por que tienen SOD (bacterias lácticas)

≠ O2

AnaerobiosAnaerobios crecenen ausencia de O2

O2

AerobiosAerobios crecenen presencia de O2

6

La relación de los organismos con el O2 depende de la presenciade enzimasenzimas que eliminaneliminan especies reactivas de oxígenoespecies reactivas de oxígeno (ERO):

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

H2O2 + AA* 2 H2O + DHA

•O2- + •O2

- + 2H+ 2 H2O2 + O2

2 H2O2 O2 + 2 H2O

* AA: sustrato reducidoDHA: sustrato oxidado

Singulete de oxígeno (molécula de alta energía)

Radical superóxido

Peróxido de hidrógeno

•O2- H2O2

1O2

Requerimientos de ORequerimientos de O22: : mecanismosmecanismos

Aerobios Aerobios obligadosobligados

MicroMicro--aerófilosaerófilos

Anaerobios Anaerobios facultativosfacultativos

Anaerobios Anaerobios obligadosobligados

AeroAero--tolerantestolerantes

Crecim. aerobio: solo donde hay

[O2]

Crecim. aerobio: solo donde hay

[O2]

Crecim. aerobio/ 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-

OO22: : efecto en el crecimientoefecto en el crecimiento

[O2]

Alta

Baja

6. FACTORES 6. FACTORES AMBIENTALESAMBIENTALES

Ejemplos de extremófilos

7

PsicrófilosPsicrófilos

T < 15°C

TermófilosTermófilos

T 60 – 80°CT > 80°C

HalófilosHalófilos

[NaCl] > 3.5%

XerófilosXerófilos

aw < 0.85

AlcalófilosAlcalófilos

pH > 9

AcidófilosAcidófilos

pH < 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

ExtremófiloExtremófilo: organismo que se desarrolla en ambientes extremosextremos

Físicos (temperatura, radiación, presión)

Geoquímicos (desecación, salinidad, pH, ERO, potencial redox)

Proceso industrialProceso industrial BiomoléculaBiomolécula/ / MecanismoMecanismo VentajasVentajas OrganismoOrganismo

Hidrólisis de almidón:dextrinas y jarabe de maíz a-amilasa estabilidad Bacillus stearo-

thermophilus

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

Desulfuración de carbón Oxidación de azufre Acidófilos

Productos farmacéuticos Glicerol, solutos compatibles

Producción a $

Halófilos (Dunaliella)

Surfactantes para farmacéuticos Membranas Halófilos