Clasificación de los Microorganismos M. PAZ UMG-2011

Siglo XIX Reino Plantae: Reino Plantae: –algas (inmóviles y fotosintéticas) –hongos (inmóviles y no fotosintéticos), Reino Animalia 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 Haeckel (1866): introdujo reino Protista –Seres vivos sencillos, fotosintéticos y/o móviles –Protozoos, algas, hongos y bacterias. Copeland (1938): introdujo reino Monera 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). Margulis (1969): introdujo reino Fungi y reino Protoctista (m.o. eucariotas y parientes macroscópicos: mohos mucosos no hongos). Woese (1977): ARQUEOBACTERIAS Y EUBACTERIAS Woese (1977): ARQUEOBACTERIAS Y EUBACTERIAS

Taxonomía molecular

Las bacterias forman el conjunto de los procariotas: ADN libre en el citoplasma y no incluido en un núcleo. Reino Monera. Los restantes organismos unicelulares se clasifican como eucariotas: genoma en el núcleo: Reino Protista: protozoos y algas unicelulares Reino Hongos: microscópicos y macromicetos Los virus constituyen un mundo aparte, ya que no pueden reproducirse por sí mismos, sino que necesitan parasitar una célula viva para completar su ciclo vital. procariotas

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

TAMAÑO: célula eucariota vrs célula procariota

cocosbacilos espiroquetas FORMAS DE LAS BACTERIAS

Formas 1. Cocos: (células más o menos esféricas); 2. Bacilos: (en forma de bastón, alargados), que a su vez pueden tener varios aspectos: cilíndricosfusiformes en forma de maza, etc. Según los tipos de extremos, éstos pueden ser: redondeados (lo más frecuente), cuadrados, biselados, afilados. 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) filamentos, ramificados o no anillos casi cerrados formas con prolongaciones (con prostecas)

Formas cocos espiroquetas bacilos vibrios filamentosas

Superficie vs. volumen la relación superficie/volumen (S/V) es muy alta. En una célula esférica: cuanto menor sea el radio (r) mayor será esta relación, lo que significa que el pequeño tamaño de las bacterias condiciona un 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). 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. Esto hace que al observar al microscopio una población de estas bacterias veamos mayoritariamente células aisladas. Diplococos y diplobacilos Diplococos y diplobacilos

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: 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: 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”. Bacilos: en empalizada, en V o L, “letras chinas”.

Estructura celular

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

Funciones de la pared Rigidez (mantener la forma, evitar la lisis). Rigidez (mantener la forma, evitar la lisis). Comunicación con el medio exterior. Comunicación con el medio exterior. Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Barrera para algunas moléculas. Barrera para algunas moléculas. Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.) 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. 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. 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 Alta concentración de solutos Lisozima -- proteína que rompe el enlace glicosídico 1-4 en el peptidoglicano Baja concentración de solutos

Gram + Gram- Bacteria

Estructura del Peptidoglicano

Pared Celular Gram Positivo

Otros compuestos químicos característicos de la pared de Gram+ Ácidos Teicoicos Ácidos Teicoicos –Polímero de alcohol (ribitol o glicerol) Ácidos Teicurónicos Ácidos Teicurónicos Ácidos Lipoteicoicos Ácidos Lipoteicoicos –Polímero de 16 a 40 unidades de glicerol unido a un glicolípido Ácidos Micólicos 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 histadina, 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 No contiene peptidoglicano Puede ser de 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 Existen Archaea sin pared

Pseudopeptidoglicano de Archaea

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

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

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

Membrana citoplasmática de E. coli

Estructura celular procariota - ADN No tiene núcleo. El ADN está en el citoplasma No tiene núcleo. El ADN está en el citoplasma –“nucleoide”: zona que ocupa el ADN Es haploide. Es haploide. –Genoma es una única molécula de ADN de doble cadena, circular. El genoma contiene x 10 6 pares de bases (bp) El genoma contiene x 10 6 pares de bases (bp) –procariotas de vida libre: genes No contiene histonas (proteínas para empaquetamiento de ADN). No contiene histonas (proteínas para empaquetamiento de ADN). Puede contener otros elementos genéticos no genómicos: plásmidos y genomas fágicos. Puede contener otros elementos genéticos no genómicos: plásmidos y genomas fágicos.

Procariotas No tienen membrana nuclear No tienen membrana nuclear

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

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

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

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

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

Sólo detectados por técnicas de tinción específicas Flagelos

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

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

Estructura de la espora

Formación de esporas A- el 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. En B. subtilis 6-7 horas, 50 genes.

Inclusiones citoplasmáticas Algunas bacterias tienen estructuras internas 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 Glicocálix: Material externo a la pared celular Glicocálix: Material externo a la pared celular –Cápsulas - Material en la superficie celular –Capas mucilaginosas - Material adherido, menos fuertemente –Capa S: Subunidades proteicas o glicoproteicas.  G+, G- y Archaea  Pueden constituir la pared Funciones Funciones –Protección contra defensas del huésped (fagocitosis) –Protección contra desecación –Protección contra virus, toxinas –Adhesión a superficies (células, objetos inanimados) formación de biofilms.

Glicocálix Tinción negativa Microscopía electrónica

El árbol filogenético universal

Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya PropiedadBacteriaEucaryaArchaea Membrana nuclear NOSINO OrganelosNOSINO Tamaño ribosoma 70S80S70S Peptidoglicano en la pared SINO Esteroles en membrana NO (hopanoides) SI Lípidos de membrana Ester unidos a glicerol Ester unido a glicerol Eter, ramificados

¿Cómo se estudia? Microscopía (óptica y electrónica) Microscopía (óptica y electrónica) Análisis químicos y bioquímicos Análisis químicos y bioquímicos Estudios genéticos (mutaciones) Estudios genéticos (mutaciones) –BIOLOGÍA MOLECULAR –BIOTECNOLOGÍA