17.1: Crecimiento Bacteriano
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- Describa brevemente el proceso de fisión binaria en bacterias, indicando las funciones de las proteínas Par, el divisoma y las proteínas FtsZ.
- Defina lo siguiente:
- tiempo de generación
- progresión geométrica
- Dibuje una curva de crecimiento bacteriano generalizado, etiquete las fases y describa brevemente lo que sucede durante cada fase.
Crecimiento Bacteriano
Las bacterias se replican por fisión binaria, proceso por el cual una bacteria se divide en dos. Por lo tanto, las bacterias aumentan su número por progresión geométrica por lo que su población se duplica cada tiempo de generación. El tiempo de generación es el tiempo que tarda una población de bacterias en duplicarse en número. Para muchas bacterias comunes, el tiempo de generación es bastante corto, 20-60 minutos en condiciones óptimas. Para los patógenos más comunes en el cuerpo, el tiempo de generación es probablemente más cercano a 5-10 horas. Debido a que las bacterias crecen por progresión geométrica y la mayoría tienen un tiempo de generación corto, pueden aumentar astronómicamente su número en un corto período de tiempo.
La relación entre el número de bacterias en una población en un momento dado (N t), el número original de células bacterianas en la población (N o) y el número de divisiones que estas bacterias han sufrido durante ese tiempo (n) puede ser expresado por la siguiente ecuación:
\[N_t = N_o \times 2^n\]
Por ejemplo, Escherichia coli, en condiciones óptimas, tiene un tiempo de generación de 20 minutos. Si uno comenzara con solo 10 E. coli (N o = 10) y les permitiera crecer durante 12 horas (n = 36; con un tiempo de generación de 20 minutos dividirían 3 veces en una hora y 36 veces en 12 horas), luego tapando los números en la fórmula, el número de bacterias después de 12 horas (N t) serían
\[10 \times 2^{36} = N_t = 687,194,767,360\: E.\: coli\]
En general se piensa que durante la replicación del ADN (discutida en la Unidad 6), cada hebra del ADN bacteriano replicante se une a las proteínas en lo que se convertirá en el plano de división celular. Por ejemplo, las proteínas Par funcionan para separar los cromosomas bacterianos a polos opuestos de la célula durante la división celular. Se unen al origen de replicación del ADN y físicamente tiran o empujan los cromosomas separados, similar al aparato mitótico de las células eucariotas.
En el centro de la bacteria, un grupo de proteínas llamadas proteínas Fts (filamentosas sensibles a la temperatura) interactúan para formar un anillo en el plano de división celular. Estas proteínas forman el aparato de división celular conocido como el divisoma y están directamente involucradas en la división celular bacteriana por fisión binaria (ver Figura\(\PageIndex{1}\) y Figura\(\PageIndex{2}\)).
- micrografía electrónica de un divisoma: ver bajo División de Células Bacterianas, Laboratorio de Jon Beckwith.
El divisoma se encarga de dirigir la síntesis de nueva membrana citoplásmica y nuevo peptidoglicano para formar el tabique de división. Se ha identificado la función de una serie de proteínas divisorias, entre ellas:
- MiE: Dirige la formación del anillo FtsZ y del complejo divisome en el plano de división de la bacteria.
- FtsZ: Similar a la tubulina en células eucariotas, FtsZ forma un anillo de constricción en el sitio de división. A medida que FtsZ se despolimeriza, dirige un crecimiento hacia adentro de la pared celular para formar el tabique de división. Se encuentra tanto en Bacterias como en Archaea, así como en mitocondrias y cloroplastos.
- ZipA: Una proteína que conecta el anillo FtsZ con la membrana citoplásmica bacteriana.
- FTSA: Una ATPasa que descompone el ATP para proporcionar energía para la división celular y también ayuda a conectar el anillo FtsZ a la membrana citoplásmica bacteriana.
- FtsK: Ayuda a separar el cromosoma bacteriano replicado.
- Fts I: Necesario para la síntesis de peptidoglicanos.
- Micrografía electrónica de barrido de Escherichia coli divisoria; cortesía de CDC.
- Micrografía electrónica de barrido de Salmonella typhimurium divisoria; cortesía de CDC.
- Para ver una micrografía electrónica de transmisión de estreptococos en división, consulte la página principal de la Universidad Rockefeller.
La curva de crecimiento poblacional
Si bien las bacterias son capaces de replicarse geométricamente como resultado de la fisión binaria, en realidad esto solo ocurre siempre y cuando su espacio para crecer, suficientes nutrientes y una forma de deshacerse de los productos de desecho. Debido a que estos factores limitan la capacidad de replicarse geométricamente, con el tiempo en un sistema de crecimiento cerrado una población bacteriana suele exhibir un patrón de crecimiento predecible -su curva de crecimiento- que sigue varias etapas o fases:
1. La fase de rezago
Durante la fase de rezago el crecimiento es relativamente plano y la población parece no estar creciendo o creciendo bastante lentamente (ver Figura\(\PageIndex{3}\)). Durante esta fase las células recién inoculadas se están adaptando a su nuevo entorno y sintetizando las moléculas que necesitarán para crecer rápidamente.
2. La fase de crecimiento exponencial (también llamada fase logarítmica o logarítmica)
Esta es la fase en la que la población aumenta geométricamente siempre y cuando haya suficiente alimento y espacio para el crecimiento (ver Figura\(\PageIndex{3}\)).
3. La fase de crecimiento estacionario
Aquí la población crece lentamente o deja de crecer (ver Figura\(\PageIndex{3}\)) debido a la disminución de los alimentos, el aumento de los desechos y la falta de espacio. La tasa de replicación se equilibra con la tasa de inhibición o muerte.
4. La fase de declive o muerte
Aquí la población muere exponencialmente por la acumulación de productos de desecho (ver Figura\(\PageIndex{3}\)), aunque la tasa de muerte depende del grado de toxicidad y la resistencia de la especie y las células viables pueden permanecer por semanas a meses.
Resumen
- Las bacterias se replican por fisión binaria, proceso por el cual una bacteria se divide en dos.
- El tiempo de generación es el tiempo que tarda una población de bacterias en duplicar su número. Para muchas bacterias el tiempo de generación varía de minutos a horas.
- Debido a la fisión binaria, las bacterias aumentan su número por progresión geométrica, por lo que su población se duplica cada generación.
- Las proteínas Par funcionan para separar los cromosomas bacterianos a polos opuestos de la célula durante la división celular bacteriana.
- El divisoma bacteriano se encarga de dirigir la síntesis de nueva membrana citoplásmica y nuevo peptidoglicano para formar el tabique de división.
- Aunque las bacterias son capaces de replicarse geométricamente como resultado de la fisión binaria, esto solo ocurre siempre y cuando su espacio para crecer, suficientes nutrientes y una forma de deshacerse de los productos de desecho.
- En un sistema de crecimiento cerrado, una población bacteriana suele exhibir un patrón de crecimiento predecible -su curva de crecimiento- que sigue varias etapas o fases.
- Durante la fase de rezago el crecimiento es relativamente plano y la población parece no estar creciendo o creciendo bastante lentamente ya que las células recién inoculadas se adaptan a su nuevo ambiente.
- Durante la fase de crecimiento exponencial (fase logarítmica) la población aumenta geométricamente siempre y cuando haya suficiente alimento y espacio para el crecimiento.
- Durante la fase estacionaria la población crece lentamente o deja de crecer debido a la disminución de los alimentos, el aumento de los desechos y la falta de espacio.
- Durante la fase de muerte (declive) la población muere exponencialmente por la acumulación de productos de desecho.