Efecto de los factores ambientales sobre los procariotas
- 1. Centro de Bachillerato Tecnológico Industrial y de Servicios No. 128 Modulo II: Ejecuta métodos de análisis cualitativos químicos y microbiológicos con base a normas. Sub-modulo III: Ejecuta técnicas de identificación de microorganismos con base a las normas. EFECTO DE LOS FACTORES AMBIENTALES SOBRE LOS PROCARIOTAS Facilitadora: Ing. Jessica Alicia Acosta Bezada. Integrantes: Barrón Arredondo Evelin. Batres Arias Nidia Viviana. Bernal Loera Alejandro. Cardona Barboza Adriana Fernanda. Cervantes De La Cruz José Ángel. Chávez Castorena Edna Paola. Chávez Ortega Miriam Vanesa. González Gómez Cynthia Judith. Herrera Lopez Hassel Ciudad Juárez Chihuahua México. A 05 de noviembre del 2014. Al 06 de noviembre del 2014.
- 2. INDICE INTRODUCCION: Efecto de la temperatura sobre el crecimiento Clase de microorganismos según la temperatura: adaptaciones evolutivas Microorganismos psicrofilos Microorganismos mesofilos Microorganismos termófilos Efecto letal del calor Calor húmedo Calor seco Efecto de las bajas temperaturas sobre las bacterias Liofilización Efecto de la desecación sobre las bacterias Efecto de las radiaciones sobre las bacterias Conceptos generales sobre radiaciones y biomoleculas Efectos de las radiaciones ionizantes y sus aplicaciones Efecto de las radiaciones ultravioleta Foto productos del ADN ocasionados por la luz UV Mecanismos de reparación de los foto productos Aplicaciones practicas de la luz UV Efectos de la luz visible Efectos de las indas sonoras Efecto de la presión hidrostática Efecto de la presión Osmótica Efecto del pH Bibliografías conclusiones
- 3. INTRODUCCION: Debido a su pequeño tamaño y a su estilo de vida individual, las células procariotas sufren los cambios ambientales de un modo mucho más directo e inmediato que las células de los organismos pluricelulares. A lo largo de miles de millones de años, los procariotas han venido estando sometidas a diversas presiones ambientales, y han respondido evolutivamente creando numerosos mecanismos de adaptación. Ac tualmente, las únicas formas de vida existentes en determinados ambientes extremos son exclusivamente procariotas. Desafiando a nuestras ideas preconcebidas de lo que es la vida “normal”, encontramos extraordinarios seres vivos unicelulares viviendo “cómodamente” a pHs muy ácidos o muy alcalinos, en salmueras y salinas, o reproduciéndose a temperaturas de más de 100ºC y a grandes presiones. Este tipo de microorganismos que habitan en medios que los humanos consideramos como “extremos” reciben el calificativo de extremófilos. Hasta ahora hemos venido considerando el crecimiento de las bacterias en función de su fondo genético, en relación con los nutrientes, y en unas hipotéticas condiciones ideales (óptimas). Sin embargo, el trabajo experimental con microorganismos ha de tener en cuenta los factores ambientales, es decir, una serie de agentes físicos y químicos que: Modifican la velocidad de crecimiento, provocando cambios que, a determinados valores de dichos factores pueden llegar a ocasionar la muerte de microorganismos. Condicionan la distribución de los microorganismos en sus ecosistemas y hábitats naturales. Permiten a los humanos controlar el crecimiento microbiano, por medio de la fijación de parámetros para: la muta génesis, la esterilización y desinfección. la quimioterapia. No todos los microorganismos toleran del mismo modo un determinado factor ambiental. Así, unas determinadas condiciones pueden ser nocivas para una especie bacteriana, y en cambio ser neutras o beneficiosas para otra. Antes de abordar el estudio de distintos agentes ambientales, conviene distinguir entre los efectos que un determinado agente puede tener sobre la viabilidad y los efectos que pueden simplemente afectar al crecimiento, a la capacidad de diferenciación (si la hubiera) o de reproducción. Estos son algunos de los factores que principalmente afectan el crecimiento de los procariotas, que principalmente se dividen en dos y de estos se subdividen en otros varios. En los factores físicos se encuentran: Temperatura. Desecación. Radiaciones. Ondas sonoras. Presión hidrostática. Presión osmótica. pH En los agentes químicos: Desinfectantes y antisépticos. Quimioterápicos de síntesis. Antibióticos. Metales pesados. Halogenuros.
- 4. Efecto de la temperatura sobre el crecimiento La temperatura es uno de los parámetros ambientales más importantes que condicionan el crecimiento y la supervivencia de los microorganismos. La temperatura afecta a la velocidad de crecimiento (y, por lo tanto al tiempo de generación, g). Cada bacteria (y suponiendo que el resto de condiciones ambientales se mantienen constantes) muestra una curva característica de tasa de crecimiento en función de la temperatura, donde podemos distinguir tres puntos característicos llamados temperaturas cardinales: Temperatura mínima: por debajo de ella no hay crecimiento; Temperatura máxima: por encima de ella tampoco existe crecimiento; Temperatura óptima: permite la máxima tasa de crecimiento (o sea, g mínimo). El margen entre la temperatura mínima y la máxima se suele llamar margen de crecimiento, y en muchas bacterias suele comprender unos 40 grados. La temperatura mínima se puede explicar en función de un descenso de la fluidez de la membrana, de modo que se detienen los procesos de transporte de nutrientes y el gradiente de protones. Por encima de la temperatura mínima la tasa de crecimiento va aumentando proporcionalmente hasta alcanzar la temperatura óptima, debido a que las reacciones metabólicas catalizadas por enzimas se van aproximando a su óptimo. En dicha temperatura óptima las enzimas y reacciones se dan a su máxima tasa posible. A partir de la temperatura óptima, si seguimos subiendo la temperatura se produce un descenso acusado de la tasa de crecimiento hasta alcanzar la temperatura máxima. Dicha temperatura refleja desnaturalización e inactivación de proteínas enzimáticas esenciales, colapsamiento de la membrana citoplásmica y a veces lisis térmica de la bacteria. Obsérvese en el gráfico que la temperatura óptima está más cerca de la máxima que de la mínima Clase de microorganismos según la temperatura: adaptaciones evolutivas Cada especie o cepa bacteriana tiene temperaturas cardinales distintas, de modo que una bacteria puede presentar una temperatura óptima superior a la temperatura máxima de otra, o inferior a la temperatura mínima de una tercera. Según el rango de temperaturas al que pueden crecer las bacterias, se pueden establecer tres tipos principales: MICROORGANISMOS PSICRÓFILOS MICROORGANISMOS MESÓFILOS MICROORGANISMOS TERMÓFILOS Microorganismos psicrofilos 1.-Las psicrófilas o criófilas: crecen a partir de entre -5 a 5ºC.
- 5. a) Las llamadas psicrófilas obligadas tienen temperatura óptima a 15-18ºC, como por ejemplo Flavobacterium. La bacteria Polar monas vacuo lata, recientemente aislada en aguas heladas de la Antártida es lo que pudiéramos llamar un psicrófilo extremo: tiene su óptimo de crecimiento en 4ºC, y es incapaz de crecer a 14ºC (¡se muere de calor!). b) Las psicrófilas facultativas o psicrotolerantes (también llamadas psicrotrofas) presentan temperatura óptima en torno a los 20-30ºC y máximas a los 35ºC. Las bacterias y hongos psicrotrofos son los responsables de que los alimentos guardados en nevera se estropeen al cabo del tiempo. Microorganismos mesofilos Los mesófilos presentan temperaturas óptimas a los 25-40ºC y máximas entre 35 y 47ºC. La mayor parte de las eubacterias (incluyendo las patógenas) pertenecen a esta categoría. La mayor parte de los microorganismos que viven en ambientes templados y tropicales, incluyendo los simbiontes y parásitos, pertenecen a esta categoría. Microorganismos termófilos Las únicas formas de vida capaces de vivir por encima de 65ºC son todas procariotas. Los termófilos presentan óptimos a 50-75ºC y máximos entre 80 y 113ºC. Dentro de esta categoría se suele distinguir las termófilas extremas (=hipertermófilas), que pueden llegar a presentar óptimos cercanos a los 100ºC, y que taxonómicamente pertenecen al dominio de las Archaea. Los hábitats naturales con temperaturas permanentemente altas (por encima de 45-50ºC) están restringidos a unas pocas zonas de la biosfera, normalmente relacionadas con fenómenos volcánicos: fuentes termales volcánicas terrestres (en zonas de EE. UU., Japón, Nueva Zelanda e Islandia); fuentes termales submarinas: los llamados “humeros” (fumarolas hidrotermales) asociados a las grandes dorsales oceánicas); Fumarolas Los materiales en fermentación como acúmulos de abono (compost) y ensilados pueden alcanzar 65ºC. Efecto letal del calor Al subir la temperatura por encima de la temperatura máxima de crecimiento, se dejan sentir los efectos sobre la viabilidad: la pérdida de viabilidad significa que las bacterias dejan de ser capaces de crecer y dividirse, aun cuando las transfiramos a un medio idóneo. La muerte por calor es una función exponencial de primer orden: dN/dt = -KT·N O sea, y como se puede constatar en el gráfico adjunto, la acción del calor supone la muerte de una fracción constante (KT) de la población sobreviviente en cada momento. La cinética de primer orden sugiere que no existen efectos acumulativos, sino que la muerte se debe a la destrucción o inactivación irreversible de una molécula o estructura esencial (como p. ej. el ADN cromosómico o por creación de un daño irreparable en la membrana). ¿Cómo podemos caracterizar o medir en la práctica la inactivación por calor de una suspensión bacteriana? He aquí algunos parámetros utilizados: tiempo térmico mortal: es el tiempo mínimo requerido para que mueran todas las bacterias de una determinada suspensión a una determinada temperatura; tiempo de reducción decimal: es el tiempo requerido para reducir al 10% la densidad de la suspensión,
- 6. a una determinada temperatura (también llamado valor D); punto térmico mortal: es la temperatura mínima que mata a todas las bacterias en un tiempo determinado (normalmente el tiempo de referencia empleado es de 10 min) Calor húmedo Por lo tanto, la inactivación por calor húmedo requiere menores temperaturas que la que se realiza en ausencia de agua. Veamos algunos ejemplos de condiciones de inactivación total por calor húmedo: Microorganismo condiciones La mayoría de células vegetativas, de bacterias, levaduras y hongos 80oC , 5-10 min Bacilo tuberculoso 58oC , 30 min Bacilo tuberculoso 59oC , 20 min Bacilo tuberculoso 65oC , 2 min Aplicaciones principales del calor húmedo: 1. En la práctica cotidiana del laboratorio de microbiología, en la esterilización de medios de cultivo y soluciones. 2. En la esterilización de material quirúrgico. 3. En la esterilización o inactivación parcial, en las industrias alimentarias (conservas, leche y derivados). Calor seco Como ya dijimos, la esterilización por calor seco necesita recurrir a mayores temperaturas que la efectuada por el calor húmedo, ya que al no existir agua, la rotura de puentes de hidrógeno y la desnaturalización de proteínas, así como la fusión de membranas, se efectúan a mayores energías. Otros efectos del calor seco son los daños por oxidación y el provocar un aumento de la concentración de electrolitos. Aplicaciones del calor seco: 1. El llamado horno de Pasteur, mediante calentamiento a 160-170ºC durante 2-3 horas permite esterilizar materiales inertes de laboratorio resistentes al calor: material de vidrio y metálico, aceites y jaleas, etc. 2. Flameado a la llama (hasta el rojo) de asas metálicas de siembra, con las que se inoculan las bacterias. 3. Incineración de materiales de desecho. Efecto de las bajas temperaturas sobre las bacterias Las bajas temperaturas (por debajo de la temperatura mínima) no son útiles para la esterilización, ya que, aunque existen algunas bacterias que mueren por congelación (p. ej., especies patógenas de Neisseria), el efecto de este tratamiento sobre otras muchas es, sobre todo, bacteriostático, sin contar aquellos organismos psicrófilos o psicrotrofos. Los efectos de someter una suspensión bacteriana a temperaturas menores de 0ºC dependen de:
- 7. el medio donde están suspendidas las bacterias; el modo en que se realice la congelación y una ulterior descongelación. Cuando la temperatura es ligeramente inferior al punto de congelación del medio, el citoplasma queda en sobrefusión (sin congelar) entre -1 y -10ºC. Pero como la tensión de vapor de agua en el interior es mayor que en el exterior, existe una tendencia a restablecer el equilibrio, que puede ser: por pérdida de agua de la célula (cuando la congelación se efectúa lentamente), o bien por cristalización de agua en el interior (cuando la congelación se realiza rápidamente). Liofilización La liofilización es la desecación al vacío de una muestra previamente congelada. Aplicada a bacterias, es uno de los métodos que mantiene por más tiempo la viabilidad bacteriana (varios años). Para obtenerla, el cultivo bacteriano se adiciona de leche o suero (véase epígrafe anterior), se congela sobre nieve carbónica (-78ºC), y se conecta a una bomba de vacío, que provoca la desecación. La eliminación de toda el agua sobre la muestra congelada aumenta la viabilidad de ésta, que se guarda en ampollas cerradas de vidrio a temperatura ambiente, hasta su uso, que como vemos, puede ser incluso muchos años después. Efecto de la desecación sobre las bacterias La desecación al aire (sin vacío) mata a las células vegetativas bacterianas, pero no a las endosporas. La sensibilidad a la desecación varía de una especie a otra. Ejemplos: Mycobacterium tuberculosis (el bacilo tuberculoso) es muy resistente al aire (en ausencia de luz), de ahí que pueda aguantar varios meses a partir de los esputos de enfermos. En cambio, el vibrión colérico (Vibrio cholerae) muere expuesto al aire al cabo de sólo dos horas. Las causas de la muerte son, principalmente: el aumento de concentración intracelular de sales, lo que conlleva efectos tóxicos y desnaturalizantes de proteínas; daños por oxidación. La mayor eficacia de la desecación al aire se logra con 50% de humedad relativa. Efecto de las radiaciones sobre las bacterias Los efectos de la radiación pueden ser agudos, que aparecen corto tiempo después de la exposición a la radiación, o crónicos, que aparecen a menudo muchos años después de recibir la exposición. También pueden clasificarse en somáticos, genéticos, si afectan a las células germinales y dan lugar a efectos en la descendencia de los individuos irradiados, o teratogénicos, si afectan al feto durante la gestación. Conceptos generales sobre radiaciones y biomoleculas La radiación es la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas.
- 8. Una onda electromagnética es una forma de transportar energía (por ejemplo, el calor que transmite la luz del sol). Están constituidas por carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Las biomoléculas cuentan con estos elementos en sus estructuras ya que les permiten el equilibrio perfecto para la formación de enlaces covalentes entre ellos mismos, también permite la formación de esqueletos tridimensionales, la formación de enlaces múltiples y la creación de variados elementos. Efectos de las radiaciones ionizantes y sus aplicaciones En general, los microorganismos son más resistentes a las radiaciones ionizantes que los seres superiores. Por ejemplo, la dosis de reducción decimal (D10) para las endosporas de ciertas especies de Clostridium es de 2000-3000 Gy. Las células vegetativas de la bacteria Deinococcus radiodurans (observe el nombre específico) es de 2.200 Gy. Otras especies más “normales” poseen una dosis de reducción decimal en torno a 200 -600 Gy. Compara estos datos con el valor de sólo 10 Gy como dosis letal para humanos. Los efectos de las radiaciones ionizantes son letales, tanto directos como indirectos, así como mutagénicos. Los efectos letales directos se logran a altas dosis de radiación, mientras que los letales indirectos y mutagénicos se consiguen a menores dosis. 1. Efecto letal directo: por impacto de cuantos de radiación ionizante sobre alguna molécula esencial para la vida, que es el ADN (ya que obviamente es absolutamente esencial y suministra una sola copia de la mayoría de los genes bacterianos). Los daños al ADN son, principalmente: roturas en ambas cadenas, y entrecruzamiento entre dichas cadenas, que no puedan repararse. 2. Efecto mutagénico: deriva de la producción de daños menores al ADN que pueden repararse por mecanismos propensos a error. 3. Efecto letal indirecto: este tipo de efecto es el más importante, y deriva de la radiolisis del agua, que genera hidrógeno naciente (H·) y radical hidroxilo (OH·). El radical hidroxilo reacciona fácilmente con macromoléculas, sobre todo con ADN, provocando roturas en ambas cadenas, lo cual se traduce en efectos de letalidad. Si, además, la bacteria está expuesta al oxígeno mientras se la está irradiando, el efecto es aún más intenso, debido a que el O2 reacciona con los radicales libres, originando cadenas de reacciones de auto oxidación, muy destructivas, y promoviendo la formación de peróxidos y epóxidos, asimismo letales. Efecto de las radiaciones ultravioleta La radiación UV tiene un efecto letal y mutagénico, que depende de su longitud de onda. Ello se debe a la absorción selectiva de longitudes de onda por parte de ciertas moléculas biológicas: Las proteínas tienen dos picos (es decir, máximos) de absorción: uno a 280 nm, debido a los aminoácidos aromáticos (Trp, Tyr, Phe), y otro a 230 nm, debido a los enlaces peptídicos. El ADN y el ARN absorben a 260 nm, debido al enlace doble entre las posiciones 4 y 5 de las bases púricas y pirimidínicas. Los rayos UV no tienen actividad ionizante, pero provocan cambios químicos en las moléculas absorbentes, de modo que aparecen moléculas alteradas denominadas genéricamente fotoproductos. Los fotoproductos originan la inactivación de macromoléculas, aunque, como veremos enseguida, el ADN dispone de mecanismos para paliar o eliminar estas modificaciones potencialmente lesivas. La radiación ultravioleta se utiliza para matar los microorganismos, mohos y hongos en diversas aplicaciones ambientales. La esterilización UV se utiliza para los sistemas de purificación del aire o del agua del acuario, para el mantenimiento de los estanques de los laboratorio, la higiene y la protección de alimentos y bebidas.
- 9. Foto productos del ADN ocasionados por la luz UV Los fotoproductos generados por la luz UV en el ADN derivan principalmente de alteraciones en las bases pirimidínicas (citosina, timina): a) dímeros de pirimidina (anillo ciclobutano) b) fotoproducto de la endospora (5-timinil-5,6-dihidrotimina) c) hidratos de pirimidina Los dímeros de pirimidina son los fotoproductos más importantes en las células vegetativas bacterianas. El principal es el dímero de timina (T-T), aunque también se producen T-C y C-C. Como se puede observar, se trata de aductos (uniones) entre dos pirimidinas adyacentes en la misma hebra de ADN, mediante la creación de un anillo de ciclobutano. Su efecto principal es la distorsión local de la configuración de la doble hélice, que interfiere en el normal emparejamiento de bases complementarias; ello, a su vez, provoca una interferencia en los procesos de replicación y transcripción, y secundariamente en el crecimiento y la respiración. A dosis muy altas de rayos UV se forman también dímeros entre pirimidinas de las dos cadenas, es decir, se provocan entrecruzamientos de las dos hebras que igualmente afectan a la replicación y a la transcripción, aunque este tipo de daños reviste menos significación biológica. El fotoproducto de la espora es la 5-timinil-5,6-dihidrotimina. Como vimos en el capítulo 9, se forma en la endospora bacteriana debido al alto grado de deshidratación, pudiendo ejercer igualmente efectos inactivantes. Mecanismos de reparación de los foto productos Debido al carácter esencial del ADN como molécula central informativa de los seres vivos, la evolución ha desarrollado una serie de mecanismos capacitados para enfrentarse con los posibles daños ocasionados por la luz ultravioleta. Los principales mecanismos hallados en bacterias se pueden agrupar así: 1) Mecanismos prerreplicativos: a) reparación fotoenzimática o fotorreactivación, que permite la reparación directa del daño en sí b) reparación por escisión y resíntesis 2) Mecanismos posreplicativos: a) reparación por recombinación b) reparación inducible de emergencia (SOS) Aplicaciones practicas de la luz UV La luz UV se puede producir artificialmente en lámparas de vapor de mercurio de baja presión, que emiten el 90% de su radiación a 254 nm. La unidad de energía de radiación se mide en watts/(seg·cm2). Por ejemplo, una lámpara de 15 watios emite una energía de 38watts·cm-2·seg-1, a una muestra situada a 1 metro de la lámpara. La luz UV es efectiva sobre bacterias Gram-positivas y Gram-negativas. La dosis letal para células vegetativas suele estar entre 1800 y 6500 watt·cm-2, pero las endosporas requieren 10 veces más dosis. El uso práctico de la luz UV como agente esterilizante está limitado, ya que tiene poco poder penetrante: no entra en objetos sólidos, y además se ve apantallada por el cristal y penetra poco en los líquidos. Su aplicación concreta más frecuente es en el control de infecciones por vía aérea: lámparas de desinfección en salas de hospitales y de laboratorios de investigación. En Microbiología se emplea la luz UV como agente mutagénico en
- 10. bacterias (en muchos estudios que requieran obtener mutantes correspondientes a cualquier tipo de fenotipos, para conocer las correspondientes bases genéticas). Efectos de la luz visible A diferencia de la UV, la luz visible es de baja energía, y además, sus cuantos no tienen efectos selectivos sobre el ADN, por lo que no sería de esperar, en principio, que este tipo de radiación tuviera efectos negativos sobre las bacterias. Sin embargo, la luz visible puede ejercer un efecto negativo indirecto, en el fenómeno de sensibilización fotodinámica. La luz visible de fuerte intensidad (p. ej., exposición a pleno sol) es capaz de matar las bacterias, debido a que ciertas moléculas de éstas (riboflavinas, porfirinas, citocromos) absorben la energía de los cuantos y se excitan durante 10-6-10-8 seg, tras lo cual reemiten la energía a otras moléculas, originando fotooxidaciones en residuos His y Trp de las proteínas y en las bases de los ácidos nucleicos. También se puede generar oxígeno singlete (1O2), que es un radical muy reactivo, oxidante, que puede destruir la célula con rapidez. Así pues, la moraleja práctica es: no dejarse los cultivos bacterianos expuestos a la luz solar, sino que habrán de cultivarse en oscuridad (salvo el cultivo de las bacterias fototrofas). Efectos de las ondas sonoras Las ondas sonoras audibles para los humanos poseen un rango de frecuencias entre los 9 kilociclos y los 20 kilociclos/segundo. Por encima de 20 Kc se sitúan las ondas supersónicas (hasta los 200 Kc/seg) y las ultrasónicas (desde 200 hasta 2000 Kc/seg). Estos tipos de ondas de frecuencias superiores a las audibles (sobre todo las ultrasónicas) tienen el efecto de desintegrar las células. El fundamento de esta acción es el siguiente: el paso del sonido a través de un líquido produce cambios de presión alternantes (por los sucesivos frentes de ondas), que a grandes frecuencias originan cavidades (burbujas de gases disueltos) de unos 10 mm de diámetro (fenómeno de cavitación). Dichas cavidades van aumentando de tamaño y terminan colapsando violentamente, dando lugar a enormes presiones locales (de hasta 1000 atmósferas o 10 Tm/cm2). Las consecuencias del colapso son: La célula se desintegra Si existe oxígeno en el líquido de suspensión, se forman peróxidos (como el H2O2) Despolimerización de macromoléculas Cortes en ambas hebras del ADN. Las bacterias son variables en cuanto a su susceptibilidad a las vibraciones sonoras. En general, son más sensibles las Gram-negativas y más resistentes las Gram-positivas. Sin embargo, ante un tratamiento por ultrasonidos siempre cabe la posibilidad de que sobrevivan algunos individuos, por lo que este método no tiene utilidad para la esterilización. El uso habitual de los supra- y ultrasonidos en laboratorio es para la llamada “sonicación” o disrupción ultrasónica de células para obtener extractos celulares, en investigaciones bioquímicas. El tratamiento se realiza en un aparato llamado generador de ultrasonidos o “sonicador”, que opera en un rango de frecuencias desde 9 hasta 100 Kc/seg. Efecto de la presión hidrostática La mayor parte de las especies bacterianas de hábitats continentales no pueden crecer (e incluso mueren) cuando son sometidas a altas presiones (unos 600 Kg/cm2). Ello se debe a los siguientes efectos adversos: aumento de la viscosidad del citoplasma; disminución de la capacidad de las enzimas de unirse a sus respectivos sustratos; interferencia en la división celular: las bacterias se alargan, se filamentan, pero sin producción de tabique
- 11. transversal (crecimiento sin división celular). Sin embargo, existen bacterias (sobre todo marinas) que toleran o requieren altas presiones (barotolerantes y barófilas, respectivamente): Bacterias barotolerantes: Crecen a la presión atmosférica, pero aguantan hasta unas 500 atmósferas. Su hábitat son las aguas oceánicas, entre los 2000 y los 4000 metros de profundidad. Bacterias barófilas: Crecen óptimamente a más de 400 atmósferas. Podemos distinguir entre barófilas moderadas (facultativas) y barófilas extremas (obligadas): Las barófilas moderadas son aquellas bacterias que pueden crecer a presión atmosférica, aunque su óptimo está a unas 400 atmósferas. Habitan profundidades entre los 5000 y 7000 metros. Las barófilas extremas presentan óptimos de crecimiento a muy altas presiones (por encima de 600-700 atmósferas), y son incapaces de crecer a presión atmosférica. Se han llegado a aislar a más de 10000 metros de profundidad. Debido a que a esas profundidades la temperatura del agua es de sólo 2-3oC, suelen ser simultáneamente criófilas. Este tipo de bacterias está empezando a ser investigado actualmente, y su manejo es engorroso, ya que hay que cultivarlas en cámaras especiales presurizadas que suministran las altas presiones que requieren. Efecto de la presión Osmótica Exceptuando los micoplasmas, que carecen de pared celular, las bacterias pueden vivir en medios tanto hipotónicos como hipertónicos, debido a la protección de una pared celular rígida y a la membrana citoplásmica semipermeable. Normalmente el citoplasma de las bacterias poseen una osmolaridad ligeramente superior a la del entorno, lo que garantiza el paso de agua al interior. La presión de turgor es relativamente constante porque la membrana citoplásmica se topa con la rigidez de la pared celular. Esta presión de turgor permite que la bacteria aguante cambios bruscos de concentración de solutos en su entorno (dentro de ciertos límites). Pero esto plantea una pregunta (que intentaremos responder a continuación): ¿cómo logra la bacteria ajustar su osmolaridad interna a esos cambios exteriores? A) En medios hipotónicos (con una aw>aw del citoplasma) es la pared celular la que ejerce todo el papel: su rigidez se opone a la entrada de agua, y por lo tanto, evita que la membrana citoplásmica tienda a sufrir una presión de turgor excesiva. B) En medios hipertónicos (cuando la aw del exterior es menor que la del citoplasma). Las bacterias poseen mecanismos compensatorios por los que tienden a aumentar la osmolaridad interior por encima de la del medio (para garantizar la entrada de agua del ambiente y mantener su metabolismo). Ello se logra esencialmente aumentando la concentración de un soluto muy soluble en agua en el interior celular, soluto llamado genéricamente soluto compatible, lo cual se puede lograr por varios posibles mecanismos: bombeando iones al interior; sintetizando una molécula orgánica osmóticamente activa; bombeando sustancias osmoprotectoras. 1) En el caso de los iones, el ión bombeado suele ser el potasio (K+), por un sistema de antiporte K+/H+. 2) Como ejemplos de síntesis de solutos orgánicos compatibles y osmóticamente activos tenemos el glutamato, la glutamina y la trehalosa. En levaduras es frecuente que el soluto compatible sea un poliol (sorbitol, manitol, etc.).
- 12. Ahora bien, si el medio es muy hipertónico, estos mecanismos ya son incapaces de evitar la salida de agua desde el citosol, lo cual conlleva una retracción de la membrana citoplásmica. La pérdida de agua puede suponer la deshidratación del citoplasma, lo que conlleva la detención del crecimiento. En Gram-positivas se produce una plasmolisis auténtica (retracción de la membrana citoplásmica respecto de la pared rígida suprayacente) En Gram-negativas no existe auténtica plasmolisis, ya que la pared celular y la membrana citoplásmica se retraen al mismo tiempo. Las bacteria entéricas crecen lentamente por encima de 0.65M de NaCl. 3) Sin embargo, las bacterias pueden crecer a osmolaridades superiores a la máxima teórica, si en el medio existen determinados compuestos llamados osmoprotectores. La bacteria bombea esos compuestos a su interior, usándolos como solutos compatibles. Ejemplos de osmoprotectores exógenos que pueden ser bombeados al interior celular: Prolina (p. ej., en Salmonella typhimurium y Staphylococcus aureus) Betaína (glicínbetaína), un derivado trimetilado de la glicocola (en cianobacterias y en algunas Gram-positivas). Colina (en Escherichia coli). Ectoína en enterobacterias. Por ejemplo, S. typhimurium crece muy lentamente en 1M de ClNa, pero mejora si al medio se añade 1mM de prolina. Un método normal de aislar S.aureus es comprobar el crecimiento en medio con 7.5% de ClNa en presencia de prolina. Existen ciertos microorganismos especializados que viven en medios hipertónicos, y en general se llaman osmófilos. Entre los osmófilos podemos distinguir los sacarófilos y los halófilos. Uno de los mejores ejemplos de microorganismos sacarófilos no es una bacteria, sino las levaduras, que viven en jugos vegetales, néctares, zumos, etc. Utilizan como solutos compatibles polioles como el sorbitol, el ribitol, etc. Entre los organismos halófilos, podemos distinguir los halófilos moderados y los halófilos extremos o hiperhalófilos. Halófilos moderados: suelen ser bacterias marinas (ej.: Vibrio fischeri) que viven en 3.5% de NaCl, y que ven inhibido su crecimiento a concentraciones mayores o menores de sales. Los halófilos moderados tienen requerimientos concretos de una aw equivalente a la de agua de mar, así como concentraciones determinadas de iones Na+. El papel jugado por este Na+ es: mantenimiento de los sistemas de membrana citoplásmica y transporte; estabilización de la pared celular; requerimiento por parte de muchas enzimas. Halófilos extremos (hiperhalófilos), representados paradigmáticamente por las arqueas del género Halobacterium, que viven en (y de hecho requieren) concentraciones saturantes de sales
- 13. (salitrales, lagunas salinas). Usan como soluto compatible el K+, concentrándolo a partir del medio donde viven, hasta que el citoplasma queda prácticamente saturado con él (4 a 7 M). Esta gran concentración de potasio es esencial para mantener la estabilidad y actividad de sus ribosomas, enzimas y sistemas de transporte. Pero las estructuras superficiales de estas arqueas requieren altas concentraciones de cloruro sódico Dejando aparte las bacterias halófilas, hay algunas bacterias halotolerantes (como por ejemplo, Staphylococcus aureus), pero la inmensa mayoría de los procariotas viven a valores de actividad de agua de 0.98. Por ello, un método que ya se conocía empíricamente en la antigüedad para conservar ciertos alimentos era el desecarlos o salarlos, o añadirles grandes cantidades de azúcar (como en las mermeladas). Efecto del Ph Efecto del pH en la ionización del sitio activo: la concentración de H+ afecta la velocidad de la reacción en muchas formas. Primero el proceso catalítico usualmente requiere de que la enzima y el substrato tengan grupos químicos en una forma ionica particular para poder interactuar. Por ejemplo la actividad catalítica puede necesitar a un grupo amino, por ejemplo de una lisina en estado protonado (-NH3+) o no (-NH2+), el pH modifica este estado y por tanto a la velocidad de la reacción. Efecto del pH para la desnaturalización de la enzima: pH extremos pueden ocasionar la desnaturalización de las enzimas, debido a que la estructura con estos cambios es posible modificar las interacciones ionicas que intervienen en la estabilidad de la enzima en su estado nativo La mayoría de las bacterias pueden crecer dentro de un margen de pH de su medio, manteniendo al mismo tiempo su pH interno óptimo prácticamente constante. Por ejemplo, Escherichia coli puede crecer bien entre pH 6 y pH 8, pero su pH interno es siempre 7.6 o muy cercano a ese valor. Respecto del margen normal de pH a los que crecen las bacterias, éstas se pueden clasificar en: bullet Neutrófilas, si crecen de modo óptimo en torno a la neutralidad (entre pH 5.5 y 8). bullet Acidófilas, si crecen normalmente entre pH 0 y pH 5. bullet Alcalófilas, si crecen entre pH 8.5 y pH 11.5. La mayor parte de las bacterias son neutrófilas. Muchas bacterias neutrófilas modifican el pH del medio, y resisten entornos relativamente ácidos o alcalinos. Por ejemplo, algunas bacterias fermentativas excretan ácidos, mientras otras alcalinizan el medio, p. ej., produciendo amonio a partir de desaminación de aminoácidos. Por otro lado, la mayor parte de los hongos y levaduras requieren pHs ligeramente ácidos (en torno a 4-5). Aunque los microorganismos pueden crecer en un margen más o menos amplio de pH (alrededor de un óptimo), los cambios bruscos pueden ser lesivos (afectando a la membrana y al transporte de solutos, e inhibiendo enzimas). Si el pH citoplásmico cae rápidamente hasta 5 o menos, la bacteria puede morir. Uno de los mecanismos que, al menos en neutrófilos parece controlar el pH interior es un sistema de antiporte H+/K+: a pH ácidos, el interior celular puede quedar en principio más alcalino que el exterior. Este sistema introduce protones en el interior y saca iones potasio. De esta manera neutralizan el pH interior y siguen teniendo un potencial de membrana para establecer una fuerza protón motriz que les suministre energía.
- 14. Si el pH interior cae en torno a 6 o 5.5, bacterias como E. coli o S. typhimurium inducen una respuesta de tolerancia a ácidos, consistente en ATPasas translocadoras de protones (expulsan protones al exterior) y chaperonas (proteínas celadoras) para corregir las proteínas desnaturalizadas. Existen algunos notables procariotas cuyo pH óptimo es muy bajo (acidóf ilos extremos u obligados): Algunas eubacterias del género Thiobacillus (T. thiooxidans, T. ferrooxidans) y las arqueas de los géneros Sulfolobus, Thermoplasma y Ferroplasma tienen su óptimo a pH 2, y generan ellas mismas estos bajos pH al oxidar sulfuros hasta ácido sulfúrico. (Sulfolobus es un Secciones un termoacidófilo). De hecho, estas bacterias necesitan esas altas concentraciones de H+ para mantener la integridad de sus membranas y envueltas: a pH neutro esas envueltas se desintegran. Una arquea sorprendentemente acidófila es Picrophilus oshimae, cuyo pH óptimo es nada menos que 0.7 (aparte de que es una termófila que necesita temperaturas de más de 60ºC) Las especies alcalófilas obligadas tienen óptimos de pH en torno a 10-11. Por ejemplo, Bacillus alcalophilus , cuyo pH interno es de 9. Sus hábitats típicos son suelos carbonatados y lagunas alcalinas (algunos son también halófilos, como Natronobacterim gregoryi). Estos organsimos tienen gran interés industrial, porque de ellos se obtienen enzimas hidrolíticas como proteasas y lipasas que se usan como aditivos en detergentes Bibliografias http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/13agfisicos.htm#_Toc59451621 Conclusiones Barrón Arredondo Evelin: Puedo concluir en que esta investigación fue de suma importancia para poder identificar cuales son los efectos que el ambiente puede dejar en los procariotas, pues en la investigación se nombran la mayoría de los factores físicos. Por ejemplo la temperatura; cada bacteria muestra una curva de crecimiento en función de la temperatura, por eso sus habitad son las fuentes termales volcánicas terrestres, fuentes termales submarinas: fumarolas hidrotermales asociados a las grandes dorsales oceánicas y los materiales en fermentación como composta y ensilados pueden alcanzar 65ºC. Otro claro ejemplo es el de pH ya que esto depende la alcalinidad o la acidez, gracias a su pH estas también se pueden clasificar neutrófilas, si crecen de modo óptimo en torno a la neutralidad (entre pH 6 y 8), acidófilas, si crecen normalmente entre pH 0 y 6, alcalófilas, si crecen entre pH 8 y pH 14. En si todos estos factores que se mencionan en la investigación pueden formar parte de una curva de crecimiento, ya que, de acuerdo a su nivel de temperatura, pH, presión atmosférica, etc. Porque se hace un análisis de todos los factores y la mejor manera de representarlo es mediante dicha curva. Batrez Arias Nidia Viviana en conclusión encuentro que es importante saber sobre los agentes físicos ya que gracias a ellos sabemos la temperatura que deben estar las bacterias, sus efectos colaterales, las reacciones que obtienes a consecuencia del calor, su efecto en el pH, también sabemos el efecto de las ondas sonoras, efectos de la luz sonora entre otras. Por ejemplo es importante saber sobre el efecto de las temperaturas baja en las bacterias ya que si no supiéramos nuestras bacterias morirían, aunque algunas se puedan desarrollar a temperaturas baja no todas sobre viven y morirían, en general es importante saber todo sobre ellas y sus efec tos ya que si no no tendremos los resultados deseados. Bernal Loera Alejandro Concluyo que las celulas procariotas se pueden adaptar fácilmente a cualquier medio donde habiten es decir, su medio de desarrollo puede ser extremo, ya que de acuerdo a su gran evolución a lo largo de cientos de años
- 15. han podido encontrar un modo de adaptación asombroso. Dichas células pueden reproducirse a una temperatura que resulta difícil de averiguar el Como lo hacen? Es de 100 grados centígrados y a muy grandes presiones. Todos los microorganismos tienen determinado factor ambiental ya que unas pueden ser nocivas para una especie bacteriana y para otras pueden ser de gran beneficio. Es por eso que el medio de desarrollo y los diferentes factores son beneficiosos. Cardona Barbosa Adriana Fernanda En conclusión puedo decir que estas células son las que perciben los efectos mucho mas rápido que cualquier otra, y gracias a todos estos efectos, presiones etc esas células procariotas evolucionaron y se fueron adaptando a los diferentes efectos que el ambiente u otros factores como agentes químicos . Esta investigación nos fue de mucha utilidad, pues gracias a esta podemos identificar mas fácilmente cuales son algunos de los factores que afectan no solo a las procariotas, si no que también puede afectar a otros tipos y en si también pudimos ver que las procariotas pueden ser muy resistentes debido a sus adaptaciones de pH tan altos así como también a temperaturas muy altas o bajas y muchos mas factores como pudimos observar durante la investigación. Cervantes de la Cruz Jose Angel Debido a su pequeño tamaño, y condiciones por demás evidentes de las procariotas, estas células son las que al contacto con todos los factores externos, entre ellos abióticos, sufren las consecuencias de los cambios ambientales, de una forma mas grave y consistente. Por todo el tiempo, este tipo, han sido sometidas a millones de sensaciones que el medio les provoca, en ocasiones sobreviviendo o llevando al limite la vida de sus microorganismos. Provocándoles la muerte, evitando su desarrollo. Hasta ahora hemos venido considerando el crecimiento de las bacterias en función de su fondo genético, en relación con los nutrientes, y en unas hipotéticas condiciones ideales (óptimas). Sin embargo, el trabajo experimental con microorganismos ha de tener en cuenta los factores ambientales, es decir, un sinfín de agentes químicos, bioquímicos, y demás físicos. Chávez Ortega Miriam Pues es de sumo interés el tema ya que es identificado por su tamaño y su estilo de vida individual, sufren cambios y evoluvionan notablemente porque producen numerosos mecanismos de adaptación. Y que el crecimiento de las bacteras es pr su función genética bacteriana, nutrientes una serie de agentes químicos, es modificar el crecimiento sin ocacionar muerte demicroorganismos adaptarlos a su medio ambiente asi qeue es muy importante tener el conocimiento previo antes de la experimentación de las propias bacterias cuales son sus ventajas y desventajas asi teniendo en cuenta los riegos que trae acabo cada una de ellas. Chavez Castorena Edna Paola Debido a su pequeño tamaño y a su estilo de vida individual, las células procarióticas sufren los cambios ambientales de un modo mucho más directo e inmediato que las células de los organismos pluricelulares. Actualmente, las únicas formas de vida existentes en determinados ambientes extremos son exclusivamente procarióticas Ay algunas personas que creen que estar expuestos a ese microorganismos es algo peligroso
- 16. Gonzalez Gomez Cinthia Judith Puedo concluir en esta investigación que las células procariotas a lo largo de los años han sufrido grandes cambios ambientales lo que les provoca adaptarse al medio donde deben de desarrollarse, su nivel y mecanismo de adaptación es especial. Su desarrollo en ambientes extremos es sorprendente ya que la vida que tienen y sus niveles de pH pueden ser desde ácidos hasta alcalinos. Estos organismos tienen el nombre de extremofilos, ya que son medios donde un ser humano no puede adaptarse. Es importante tener en cuenta los factores ambientales, que, además de su visualización de crecimiento permite al ser humano por medio de distintos parámetros. Hay distintos factores para determinar los factores de crecimiento, reproducción etc. Agentes físicos: Temperatura, ondas sonoras, presión osmótica, pH. Agentes químicos: Antibióticos, desinfectantes y antisépticos. Esto me hace un cuestionamiento a mi persona… Un ser humano podría adaptarse a lugares extremos como lo hacen las células procariotas? La respuesta es negativa, ya que ellas tienen una sorprendente adaptación a medios que los humanos somos incapaces de hacer. Herrera Lopez Hassel puedo llegar a la conclusión de que el pH dentro de un medio de cultivo afecta directamente a el estado de la bacteria. El pH en el sitio activo afecta la velocidad de la reacción. En caso de pH extremos puede causar desnaturalización de la enzima. Así como Las bacterias se pueden clasificar según su margen de pH: neutrófilos (pH entre 5.5 y 8), acido filó (pH entre 0 y 5) y al calofilas (pH entre 8.5 y 11.5).