INTRODUCCIÓN A LA MICROBIOLOGÍA M. Paz UMG-2014

¿Qué es la microbiología? Estudio de los organismos microscópicos 3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios (vida) y logos (ciencia) estudio de la vida microscópica Surgió como ciencia tras el descubrimiento y perfeccionamiento del microscopio.

¿Qué son los microorganismos? Organismos que no pueden ser observados a simple vista, al menos en parte de su ciclo. Organismos que viven como células aisladas o entidades que contienen ácidos nucleicos capaces de replicarse, por lo menos en parte de su ciclo. Incluidos: algas, hongos, protozoarios y bacterias

Ramas de la Microbiología

¿Cómo afectan nuestra vida? En la industria: más de cien especies microbianas son usadas en la producción de sustancias que no pueden ser obtenidas de forma más fácil o más barata por otros medios. Ventajas: tamaño, alta tasa metabólica, posibilidad de cultivarse a gran escala, estabilidad genética, etc.

¿Cómo afectan nuestra vida? En la producción de alimentos: lácteos Biotecnología alcohol tintes y colorantes. plásticos. alimentos endulcorantes Industria farmacéutica: antibióticos, hormonas (insulina y GH), factores de crecimiento, interferón, eritropoyetina, etc.

Pero también son una amenaza… Diversos tipos de microorganismos son causantes de enfermedades y abundan casi en cualquier lugar por lo que permanentemente estamos expuestos a un contagio. Causan impacto económico cuando enferman animales y plantas que nos sirven como fuente de alimento.

Epidemias Descritas a lo largo de toda la historia de la humanidad. Atribuidas en la antigüedad a hechizos o magia. SIN EXPLICACIÓN HASTA EL SIGLO XVII.

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) Sus primeros dibujos fueron publicados en 1684

Robert Hooke (1635-1702)

Lazzaro Spallanzani (1729-1799)

Robert Koch (1843-1910) Iniciador de la bacteriología médica moderna. Estudió botánica, física y matemáticas y MEDICINA. Otros intereses: arqueología, antropología, las enfermedades ocupacionales, como el envenenamiento por plomo, y la bacteriología.

Postulados de Koch

Louis Pasteur (1822-1895) Químico y biólogo francés fundador de la microbiología. Comenzó investigando los procesos de fermentación del vino y la cerveza y descubrió la existencia de las bacterias que interferían en este proceso. En 1861 introdujo los términos de aeróbico y anaeróbico. Introdujo el término “virus” sin hacer distinción y “vacuna” en honor a Jenner Desarrolló vacunas que consiguieron salvar miles de vidas: cólera aviar, antrax y rabia

Ferdinand Julius Cohn (1828-1898) Considerado fundador de la microbiología moderna y padre de la bacteriología. En 1872 propuso la clasificación de las bacterias: género, especie y variedades. Describió otros microorganismos patógenos transmitidos por agua contaminada, distintos al V. cholerae

Otros eventos importantes del siglo XIX 1878: Joseph Lister publica sus estudios sobre la fermentación de la leche Bacterium lactis 1879: Albert Neisser identifica al agente causal de la gonorrea 1880: Alphonse Laverin encuentra al parásito de la malaria en glóbulos rojos. 1881: Paul Erlich utiliza el azul de metileno

Siglo XX Aerobiosis y anaerobiosis En 1938: invención del microscopio electrónico: virus Técnicas moleculares: secuenciación del ácido desoxirribonucleico (ADN). Descubrimiento de los priones por Stanley Prusiner y su equipo en 1982 ha abierto una vía de estudio dentro de la microbiología (simples proteínas desprovistas de material genético) En 1988 Kary Mullis utiliza la enzima de Thermus aquaticus para estabilizar la PCR (premio Nobel en 1993)

Alexander Fleming (1881-1955) Descubrió que algunas colonias crecidas de S. aureus eran destruidas por el crecimiento del hongo Penicillium Realizó la extracción del compuesto activo: penicilina

Karl Woese (1928-

Por análisis de rARN 16S

Stanley B. Prusiner 1997 California, EEUU Descubrimiento de los “priones” Enfermedad de las “vacas locas” y enf. Creutzfeldt-Jakob. Prion = proteína + infección

Barry J. Marshall & J. Robin Warren (2005) La úlcera péptica: proceso infeccioso Helicobacter pylori Autoinoculación (1984) Demostraron el tratamiento exitoso con antimicrobianos.

Harald zur Hausen (2008) Descubrimiento en la causa de cáncer cervical por el Virus del Papiloma Humano

Francoise Barré-Sinnousi & Luc Montagnier(2008) Descubrimiento del Virus de Inmunodeficiencia Humana (VIH) Cultivo de VLA en 1983 en el Instituto Pasteur después llamado VIH.

1987

Microscopios Ojo humano 0.2 mm. Microscopio óptico, resolución máxima 0.2 micras (1 µm = 0.001 mm = 10-6 m). Microscopio electrónico, resolución máxima 0.5nm (1 nm = 10-9 m)

Microscopios

Microscopios

Ejemplo: Staphylococcus aureus

Datos de Guatemala Tasa de mortalidad: 4,8 por 1.000 hab. Causas principales de mortalidad (ambos sexos): neumonía y diarrea. Seis grandes grupos de causas: enfermedades transmisibles 13% tumores 7% enfermedades del aparato circulatorio 12% afecciones perinatales 8% causas externas 13% otras 47%. Datos INE Guatemala

Mortalidad en Guatemala

En 2013 se reportó una tasa de 34 (la tercera más alta en Latinoamérica

Mortalidad en Guatemala

Causas bacterianas importantes de mortalidad Tuberculosis Tétanos Cólera Tos ferina

Taxonomía Microbiana: Las Bacterias

Siglo XIX Reino Plantae: Reino Animalia algas (inmóviles y fotosintéticas) hongos (inmóviles y no fotosintéticos), Reino Animalia Infusorios (microorganismos móviles) organismos perfectos: dotados de todos los sistemas orgánicos presentes en seres superiores. Divididos en metazoos, protozoos y bacterias

Cambios históricos Haeckel (1866): introdujo reino Protista Seres vivos sencillos, fotosintéticos y/o móviles Protozoos, algas, hongos y bacterias. Copeland (1938): introdujo reino Monera Separa a las bacterias. Margulis (1969): introdujo reino Fungi y reino Protoctista (m.o. eucariotas y parientes macroscópicos: mohos mucosos no hongos). Woese (1977): ARQUEOBACTERIAS Y EUBACTERIAS

El árbol filogenético universal

Árbol filogenético

LUCA: “last universal common ancestor” procariotas Las bacterias forman el conjunto de los procariotas: ADN libre en el citoplasma y no incluido en un núcleo. Reino Monera. LUCA: “last universal common ancestor”

Procariotas organización celular material genético (cromosoma circular de ADN de doble hebra) inmerso en el citoplasma Replicación: fisión binaria carecen de orgánulos rodeados de membrana Ribosomas: coeficiente de sedimentación de 70S Citoplasma envuelto por una membrana celular Pared celular de peptidoglicano, excepto las arqueas.

TAMAÑO: célula eucariota vrs célula procariota

Tamaños

FORMAS DE LAS BACTERIAS cocos bacilos espiroquetas

Formas 1. Cocos: (células más o menos esféricas); 2. Bacilos: (en forma de bastón, alargados), que a su vez pueden tener varios aspectos: cilíndricos fusiformes en forma de mazo, etc. Según los tipos de extremos, éstos pueden ser: redondeados (lo más frecuente), cuadrados, biselados, afilados. 3. Espirilos: al igual que los bacilos, tienen un eje más largo que otro, pero dicho eje no es recto, sino que sigue una forma de espiral, con una o más de una vuelta de hélice. 4. Vibrios: proyectada su imagen sobre el plano tienen forma de coma, pero en el espacio suelen corresponder a una forma espiral con menos de una vuelta de hélice. Otros tipos de formas: filamentos, ramificados o no anillos casi cerrados formas con prolongaciones (con prostecas)

Formas cocos bacilos vibrios espiroquetas filamentosas

Superficie vs. volumen En una célula esférica: cuanto menor sea el radio (r) mayor será la razón S/V lo que significa que el pequeño tamaño de las bacterias permite mayor contacto directo con el medio ambiente inmediato que las rodea reciben las influencias ambientales de forma inmediata. condiciona una alta tasa de crecimiento. La velocidad de entrada de nutrientes y la de salida de productos de desecho es inversamente proporcional al tamaño de la célula, y a su vez, estas tasas de transporte afectan directamente a la tasa metabólica. Por lo tanto, en general, las bacterias crecen (se multiplican) de forma rápida.

Superficie vs. volumen Tamaño pequeño intercambio más eficiente, permite mayor velocidad metabólica

Agrupaciones Las bacterias normalmente se multiplican por fisión transversal binaria. En muchas especies, las células hijas resultantes de un evento de división por fisión tienden a dispersarse por separado al medio, debido a la actuación de fuerzas físicas (movimiento browniano). Esto hace que al observar al microscopio una población de estas bacterias veamos mayoritariamente células aisladas. Diplococos y diplobacilos: agrupaciones pares

Agrupaciones Si la tendencia a permanecer unidas es mayor y por más tiempo, nos encontramos con varias posibilidades, dependiendo del número de planos de división y de la relación entre ellos: Estreptococos o estreptobacilos Si existe más de un plano de división, en el caso de cocos podemos encontrar tres posibilidades: dos planos perpendiculares: tétradas o múltiplos tres planos ortogonales: sarcinas (paquetes cúbicos) muchos planos de división: estafilococos (racimos irregulares). Bacilos: en empalizada, en V o L, “letras chinas”.

Estructura celular

Pared celular Bacteria: Archaea: Gram positivo Gram negativo Sin pared Diversas estructuras

Funciones de la pared Rigidez (mantener la forma, evitar la lisis). Comunicación con el medio exterior. Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Barrera para algunas moléculas. Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)

Formación de protoplastos Mediante procedimientos de laboratorio se puede lograr eliminar total o parcialmente la pared celular bacteriana. Se denominan protoplastos las células bacterianas a las que se ha desprovisto totalmente de pared celular, mientras que esferoplastos son aquellas células bacterianas que poseen restos de pared.

Formación de Protoplastos Baja concentración de solutos Alta concentración de solutos Lisozima -- proteína que rompe el enlace glicosídico 1-4 en el peptidoglicano

Gram- Bacteria Gram +

Estructura del Peptidoglicano

Pared Celular Gram Positivo

Otros compuestos químicos característicos de la pared de Gram+ Ácidos Teicoicos Polímero de alcohol (ribitol o glicerol) Ácidos Teicurónicos Ácidos Lipoteicoicos Polímero de 16 a 40 unidades de glicerol unido a un glicolípido Ácidos Micólicos

Membrana Externa de Gram Negativos Porinas - proteínas que permiten el pasaje de moléculas pequeñas a través de la membrana - específicas e inespecíficas

Lipopolisacárido (LPS) Lípido A (NAG-P + grupos acilos) Núcleo del polisacárido contiene KDO (cetodesoxioctonato) y otros carbohidratos (ramnosa, ácido galacturónico) usualmente específico de especies O-antígeno número de repeticiones variables también contiene carbohidratos específico de cepa A menudo tóxico para animales - endotoxina Crea superficies densamente hidrofílicas

Funciones del Periplasma (E. coli) Proteínas de periplasma de E. coli Proteínas de unión para aminoácidos histidina, arginina Enzimas de biosíntesis Ensamblado de mureína Enzimas de degradación de polímeros proteasas Enzimas detoxificantes Beta-lactamasas: penicilinasa

Algunas bacterias no poseen pared Mycoplasma Membrana celular más gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos. Pleomórficos

Pared celular de Archaea No contiene peptidoglicano Puede ser de pseudopeptidoglicano (pseudomureína) tiñe G+ pseudomureína cubierta de proteína, tiñe G+ monocapa superficial de proteína o glicoproteína, sin pseudomureína (halófilos, metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G - Existen Archaea sin pared

Pseudopeptidoglicano de Archaea

Funciones de la pared Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis). Comunicación con el medio exterior. Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)

La membrana celular Estructura: Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al colesterol. En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman monocapas.

Estructura de la Membrana Citoplasmática

Membrana citoplásmica

Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces químicos Ester - Bacteria Eter - Archaea Isopreno

Funciones de Membrana Citoplasmática Barrera de Permeabilidad sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, pueden atravesar la membrana por difusión. Ancla de Proteínas transporte, generación de energía, quimiotaxis Generación de fuerza proton motriz En fotótrofas: Estructuras intracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintético (Vesículas y túbulos) Síntesis de pared y estructuras extracelulares.

Membrana citoplasmática de E. coli

Estructura celular procariota - ADN No tiene núcleo. El ADN está en el citoplasma “nucleoide”: zona que ocupa el ADN Es haploide. Genoma es una única molécula de ADN de doble cadena, circular. El genoma contiene 1 - 6 x 106 pares de bases (bp) procariotas de vida libre: 1000-5000 genes No contiene histonas (proteínas para empaquetamiento de ADN). Puede contener otros elementos genéticos no genómicos: plásmidos y genomas fágicos.

Procariotas No tienen membrana nuclear

ADN Cromosómico ADN circular cerrado Superenrrollado. No hay procesamiento del ARNm La transcripción está ligada a la traducción.

Citoplasma Proteínas (enzimas, complejos enzimáticos, estructurales) Ribosomas (70S: 55 proteínas, rARN 5S, 16S, 23S)- polisomas mARN, tARN Otras macromoléculas, solutos Sin estructura visible al microscopio No tienen citoesqueleto.

Estructuras características Estructuras con funciones específicas. No todos los microorganismos las tienen. Son características de género y especie (taxonomía) Ejemplos: fimbrias, flagelo, pili, endospora, cápsula, inclusiones citoplasmáticas

Fimbrias – Pili-Pelos-Flecos L Fimbria - filamento proteico corto, involucrado en funciones de adhesión a superficies. Pelos ordinarios: adhesión Pelo sexual - unión a célula receptora durante la conjugación.

Flagelos Más de 40 genes involucrados La energía la proporciona la fuerza protomotriz

Flagelos Sólo detectados por técnicas de tinción específicas

Anaerobaculum mobile sp. Flagelo insertado lateralmente Barra 0,5 micras

Endosporas Resistencia al calor, radiación, desecación. Producidas principalmente por los géneros Bacillus y Clostridium Permite la supervivencia en ambientes desfavorables ADN protegido por ácido dipicolínico y proteínas. Luego de la activación por stress, la disponibilidad de nutrientes dispara la germinación y el crecimiento La localización de la espora en la célula puede ser usada para su identificación

Estructura de la espora

Formación de esporas A- ADN se duplica y enrolla alrededor del eje central (filamento axial) B- Uno de los cromosomas se rodea de membrana plasmática. C- el protoplasto es rodeado por la célula madre D- se sintetizan las cubiertas de la espora. E- se elimina agua, se forma estructura resistente al calor. F- se libera la espora por lisis de la célula madre. DIPICOLINATO DE CALCIO EN EL CENTRO DE LA ESPORA

Inclusiones citoplasmáticas Algunas bacterias tienen estructuras internas gránulos de almacenamiento - polifosfato,azufre, polihidroxibutirato (PHBs) vesículas de gas – flotación Carboxisomas, clorosomas.

Gránulos de polihidroxibutirato (PHBs) vesículas de gas flotación

Cubiertas extracelulares Glicocáliz: Material externo a la pared celular: polímero de carbohidratos o péptidos HOMO Y HETEROPOLÍMEROS Cápsulas Capas mucilaginosas Capa S: Subunidades proteicas o glicoproteicas. G+, G- y Archaea Funciones Protección Adhesión

Glicocálix Tinción negativa Microscopía electrónica

Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya Propiedad Bacteria Eucarya Archaea Membrana nuclear NO SI Organelos Tamaño ribosoma 70S 80S Peptidoglicano en la pared Esteroles en membrana (hopanoides) Lípidos de membrana Ester unidos a glicerol Ester unido a glicerol Eter, ramificados