Clasificación de los Microorganismos M. PAZ UMG-2011

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

Taxonomía molecular

procariotas 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 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 maza, 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 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). Esto hace que al observar al microscopio una población de estas bacterias veamos mayoritariamente células aisladas. 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: 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 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 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 Fimbria - filamento proteico corto, involucrado en funciones de adhesión a superficies. 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- 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 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 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 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 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

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