MICROBIOLOGÍA UNIDADES

MICROBIOLOGÍA UNIDADES 24 - 27

Microorganismos Concepto de microorganismo.
Clasificación de los microorganismos. Bacterias Virus. Microorganismos eucarióticos. Relaciones entre los microorganismos y la especie humana. Importancia de los microorganismos en investigación e industria. Biotecnología: Concepto y aplicaciones.

CONJUNTO DE SERES VIVOS QUE SE CARACTERIZAN POR TENER UN TAMAÑO PEQUEÑO, DE MODO QUE LA MAYORÍA DE ELLOS NO SON VISIBLES A SIMPLE VISTA, TENIENDO UNA GRAN SENCILLEZ EN SU ESTRUCTURA Y SU ORGANIZACIÓN.

LOS HAY SIN ESTRUCTURA CELULAR, LOS VIRUS, PERO LA MAYORÍA DE ELLOS SON UNICELULARES; ALGUNOS SON PLURICELULARES, BIEN FORMADOS POR POCAS CÉLULAS, LAS CUALES APENAS TIENEN DIVERSIDAD FUNCIONAL, O BIEN TIENEN UN PORTE MAYOR, CONSTITUIDOS POR LA ASOCIACIÓN DE FILAMENTOS FORMADOS POR LA AGREGACIÓN DE CÉLULAS, COMO ES EL CASO DE LOS MOHOS.

Microorganismos Concepto de microbiología
A PESAR DE SU SENCILLEZ APARENTE, SU IMPORTANCIA ES TANTA QUE HA DADO ORIGEN A UNA RAMA DE LA BIOLOGÍA DEDICADA A SU ESTUDIO, LA MICROBIOLOGÍA.

Microorganismos

Microorganismos procariotas

Arqueobacterias Es el grupo más antiguo de bacterias.
Las paredes celulares carecen de peptidoglicanos; en cambio, poseen glucoproteínas, además de polisacáridos o proteínas, según las especies. Tienen una membrana plasmática cuyos lípidos carecen de ácidos grasos y, en su lugar, poseen hidrocarburos que se unen a la glicerina mediante enlaces éter (-C-O-C-) en vez de enlaces éster. Su genoma está formado por una sola molécula de ADN circular, más pequeña que la de eubacterias. Algunas especies adaptadas a hábitats de temperaturas extremas, contienen lípidos especiales que forman monocapas muy rígidas, para darles estabilidad en estos ambientes. También poseen enzimas especiales que no se desnaturalizan en esas condiciones. Hay especies autótrofas, aunque la mayoría son heterótrofas. Son capaces de vivir en ambientes de condiciones extremas de temperatura, salinidad, pH y anaerobiosis.

Arqueobacterias Dependiendo de las condiciones a las que han adaptado su metabolismo, se distinguen tres grupos: a) Halofítas: en ambientes de elevada salinidad. Confieren color rojo a las aguas sobresaturadas de sal porque algunas presentan carotenoides en sus membranas. b) Metanógenas: anaerobias. Producen metano. Se encuentran en ambientes ricos en materia orgánica en descomposición, (ambientes pantanosos y cenagosos, aguas estancadas, depósitos de tratamiento de aguas residuales, tracto digestivo, etc.) c) Hipertermófilas: de ambientes geotérmicos como fuentes termales y volcanes, incluso submarinos, donde las temperaturas superan los º C. Son las arqueas llamadas termófilas extremas. d) Acidófilas: ambientes de valores extremos de pH, (por ejemplo en suelos muy ácidos, aunque su citoplasma no disminuye el pH) e) Psicrófilas: incluye las bacterias que pueden crecer en condiciones extremas como los hielos antárticos.

Eubacterias

Eubacterias -También denominadas simplemente bacterias.
-Actualmente están representadas por cerca de 5000 especies diferentes, haciéndose complicada su clasificación. - Son formas simples que varían entre 1 y 15 micras. -Desde el punto de vista estructural, poseen (o pueden poseer): membrana plasmática que limita al citoplasma con ribosomas pared celular cápsula flagelos fimbrias o pili cromosoma circular plásmido

Eubacterias Staphylococcus aureus Bacillus anthracis
El tamaño de las bacterias varía entre 1micra (Staphylococcus aureus) y 13 micras (Bacillus anthracis).

Formas de las bacterias

Tipos de bacterias

CÉLULA PROCARIÓTICA

Cápsula bacteriana La cápsula es una capa externa sin estructura definida, compuesta por glúcidos de gran tamaño, generalmente polímeros de glucosa, aunque puede contener otros componentes. Aparece en casi todos los grupos de bacterias patógenas. Regula procesos de intercambio de iones, agua y sustancias nutritivas con el medio externo. Retiene agua (mecanismo de resistencia ante la desecación del medio. Facilita la adherencia al sustrato, por ejemplo a las células del huésped. Facilita la formación de colonias bacterianas. Dificulta el reconocimiento de la bacteria por parte de anticuerpos y células fagocíticas.

Pared Bacteriana La pared bacteriana está formada por el peptidoglicano mureína, componente común a todas las paredes celulares de las eubacterias. La mureina está compuesta por cadenas de un heteropolisacárido formado por dos azúcares, N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM), unidos por enlaces β(1 -4); una corta cadena de cuatro aminoácidos (tetrapéptido) se une, a su vez, a los restos de NAM.

Pared Bacteriana La estructura de la pared adquiere una forma de una red que resulta cuando varias cadenas del heteropolisacárido se superponen, y se pueden establecer enlaces peptídicos intercatenarios entre los tetrapéptidos de las cadenas adyacentes mediante pequeños oligopéptidos de 5 aminoácidos.

Pared Bacteriana La pared cumple varias funciones:
Mantiene la forma de la bacteria frente a variaciones de presión osmótica. Regula el paso de iones. Una vez formada, la pared hace a la bacteria resistente a la acción de antibióticos y otras sustancias , ya que estos actúan sobre las enzimas que regulan la formación de la pared. Por ejemplo, la lisozima presente en secreciones animales impide los enlaces entre NAG y NAM. La penicilina y otros antibióticos impide la formacón del enlace entre del NAM con el tetrapéptido.

Pared Bacteriana En función de la tinción de gram, se distinguen dos tipos de bacterias que se diferencian en la estructura de su pared.

Pared bacteriana La tinción de gram es un método de tinción diferencial que utiliza un colorante fundamental, el cristal violeta, y un colorante de contraste, la safranina (de color rosado). Las células gram positivas se observan al microscopio de color violeta, mientras que las células gram negativas, incapaces de retener el colorante fundamental tras la decoloración con alcohol, presentan color rosado.

Pared Bacteriana

Pared Bacteriana gram +
La pared de las bacterias gram + es monoestratificada y está constituida por una capa gruesa de peptidoglicano (con varias capas superpuestas e interconectadas de mureina), a la que se asocian proteínas y ácidos teicoicos.

Pared Bacteriana gram +
Los ácidos teicoicos son polímeros de glicerol o ribitol unidos mediante enlaces fosfodiéster. Estos ácidos se encuentran en la pared celular de las bacterias gram + extendiéndose sobre la superficie de la capa de peptidglicano.

Pared Bacteriana gram -
La pared de las bacterias gram – muestran la siguiente estructura: Una membrana externa constituida por una bicapa lipídica con diversas proteínas asociadas, muchas de ellas con actividad enzimática. Presenta gran cantidad de lipopolisacáridos que se proyectan hacia el exterior, (estos lipopolisacáridos al igual que la mureina, son exclusivos de las bacterias. Están formados por ácidos grasos, acetilglucosamina, grupos fosfato y diferentes azúcares dependiendo de la bacteria de la que se trate). Una capa basal fina de peptidoglicano, unida a la membrana externa mediante lipoproteínas. Entre la membrana externa y y la membrana plasmática se encuentra el espacio periplasmático . Debido a la presencia de la membrana externa, las bacterias gram – son más resistentes a antibióticos.

Pared Bacteriana gram -

Membrana La membrana rodea al citoplasma. Tiene una estructura casi idéntica a la de las células eucariotas, excepto que no hay esteroides (colesterol por ejemplo). Presenta unos repliegues hacia dentro denominados mesosomas. Las funciones son: Regular el paso de sustancias. La membrana celular tiene permeabilidad selectiva y permite el ingreso de nutrientes y la salida de desechos por mecanismos de transporte activo y pasivo. Los mesosomas aumentan la superficie de la membrana. Sirven para sujetar el cromosoma bacteriano. Además en ellos existen gran cantidad de enzimas: Contienen la ADN polimerasa, y dirigen la duplicación del ADN bicatenario. Realizan la respiración, ya que ahí se encuentran los sistemas de fosforilación oxidación y el transporte de electrones para la producción de energía. Enzimas que intervienen en la fotosíntesi (en quellas bacterias que sean fotosintéticas). Enzimas para la asimilación delnitratos y nitritos en bacterias nitrificantes. Además tiene las enzimas necesarias para la síntesis de lípidos, de la pared celular, de la cápsula, etc. Finalmente la membrana contiene moléculas receptoras especiales que ayudan a las bacterias a detectar y responder a sustancias químicas del medio externo.

Bacterias

Ribosomas Los ribosomas de la célula procariota son 70 S. La subunidad mayor es 50 S (Dos moléculas de ARN r y 34 proteínas). La subunidad menor es 30 S (una molécula de ARN r y 21 proteínas). La síntesis de las proteínas es idéntica que en los ribosomas eucariotas, pero en procariotas siempre actúan libres en el citoplasma.

Bacterias

Gránulos de inclusión Son gránulos de material orgánico o inorgánico, algunas veces rodeados de membrana. En general funcionan como almacenamiento de compuestos energéticos que son usados como fuente de energía (polisacáridos, lípidos, polifosfatos). El glucógeno constituye el principal elemento almacenado por las enterobacterias (40% de su peso). También pueden almacenar residuos del metabolismo. Están dispersos por el citoplasma, y generalmente no posen una membrana que los aísle del medio interno.

Vesículas gaseosas Estructuras membranosas huecas, cilíndricas y extremos cónicos, que contienen gas. Esta membrana es impermeable al agua o a los solutos, pero sí es permeable a los gases. Pueden existir desde solo una a varios centenares por bacteria. Permiten la flotabilidad de las bacterias que las poseen. Permite movilidad hacia arriba y hacia abajo en la columna de agua en respuesta a cambios ambientales. Vesículas gaseosas Ejemplos de bacterias que presentan vesículas gaseosas son: cianobacterias, bacterias fotosintéticas purpúreas y verdes y algunas Archaea).

ADN BACTERIANO Una sola molécula circular muy plegada.
Suele estar unido a mesosomas. La región del cromosoma donde se presenta mayor condensación es el nucleoide. El plegamiento de la molécula se estabiliza por medio de proteínas estructurales, semejantes a las histonas, pero no iguales, ni presentan unidades tipo nucleosomas. El ADN tiene la función de mantener y conservar la información genética y dirigir el funcionamiento de todo el metabolismo. Además del cromosoma principal, pueden existir uno o varios plásmidos, pequeñas moléculas de ADN circular extracromosómico que se replican de forma independiente al cromosoma principal.

Flagelos de las Bacterias
Los flagelos son prolongaciones finas cuya longitud es varias veces la de la bacteria. Presentan dos partes, la zona basal, (constituida a su vez por el cuerpo basal y el codo) y el tallo. La zona basal se compone de una bastón central y cuatro estructuras discoidales. Los dos internos asociados a la membrana plasmática. Al girar sobre sí mismos transmiten su movimiento al resto del flagelo. Los dos externos son fijos, y se encuentran incrustrados en la pared, el de abajo en la capa de mureina. El más externo se asocia a la membrana externa de las bacterias gram -, y en las gram + no existe.

Flagelos de las Bacterias
El codo hace una curvatura de 90º. Es algo más grueso que el tallo del flagelo. El tallo contiene un número variable de fibras trenzadas constituidas por moléculas de la proteína flagelina. Es una estructura ligeramente ondulada pero rígida. Los flagelos intervienen en la locomoción.

Bacterias A-Monotrico; B-Lofotrico; C-Anfitrico; D-Peritrico.

Pelos (pili) y fimbrias
Son estructuras huecas tubulares constituidas por moléculas proteícas que se disponen helicoidalmente. Si son cortas y muy numerosas son fimbrias. Los pelos son más largos y menos numerosos (1 o 2 por bacteria). Las fimbrias permiten a la bacteria fijarse al sustrato. Los pili sirven para el intercambio de material genético con otras bacterias.

Reproducción en Bacterias
Asexual por bipartición Procesos Parasexuales Conjugación. A través de los pili. Transducción. Consiste en una transferencia del material genético mediante un bacteriófago. Transformación. Consiste en la captura del ADN de otra bacteria que estaba libre en el medio. Puede considerarse el menos frecuente.

Bacterias Reproducción por Bipartición
La duplicación del ADN está regida por la ADN polimerasa de los mesosomas.

Bacterias Reproducción por Bipartición

Conjugación Es un proceso en el que una bacteria donadora (F+) transmite ADN, a través de los pili, a otra bacteria receptora (F-). Existen dos tipos de bacterias donadoras: a) Bacterias F+ : poseen plásmidos no integrados en el cromosoma. b) Bacterias Hfr : poseen plásmidos integrados en el cromosoma. En ocasiones, una bacteria F+ puede pasar a Hfr si su episoma se incorpora al ADN bacteriano. -Las bacterias F+ suelen transferir únicamente el factor F (plásmido), que, en principio, no se recombina con el ADN de la bacteria receptora (ésta F- queda convertida en F+). -En cuanto a las bacterias Hfr: · antes de la conjugación, duplican su ADN, incluido el factor F. · al transcribir la copia de ADN, generalmente sólo pasa un fragmento de ésta a la bacteria receptora F-. · el factor F o episoma suele quedar en el interior de la bacteria donadora. · el ADN transferido se recombina con el ADN de la bacteria receptora.

Conjugación a través de pili

TRANSDUCCIÓN -Es un mecanismo de intercambio genético que requiere un agente transmisor, concretamente un virus bacteriófago, el cual transporta fragmentos de ADN procedentes de la última bacteria parasitada. -El proceso tiene lugar como sigue: · el ADN del fago penetra en una bacteria A receptora, y se integra en su cromosoma. · en un momento dado, el provirus se replica arrastrando un fragmento del ADN bacteriano; además, el ADN del fago transcribe y traduce su información para la síntesis de las proteínas que constituirán los capsómeros de las cápsidas de los nuevos virus. · tras formarse múltiples copias del fago, se produce la lisis de la bacteria, quedando libres los virus que portan también material genético de la bacteria. · alguno de estos nuevos virus infecta a otra bacteria B receptora y se integra en su cromosoma; de esta manera, la información genética del virus más el fragmento de ADN procedente de la bacteria A se inserta en la bacteria B, y es replicada junto con el resto de ésta.

Bacterias Relación Funciones de relación bacteriana: dependiendo de las condiciones ambientales, las bacterias pueden responder con: movimientos, variaciones metabólicas, adopción de formas de resistencia (quistes: pierden agua y se rodean de una gruesa capa; o endosporas: con una cubierta interna). Así permanecen en estado de vida latente hasta que pasen las condiciones adversas. Por eso son muy resistentes incluso a veces a la esterilización como ocurre con Clostridium botulinum.

Bacterias Relación y formación de quistes

Nutrición en bacterias
Desde el punto de vista de la degradación de la materia orgánica y la obtención de energía química (ATP), las bacterias pueden ser: Aerobias: cuando utilizan O2 para degradar (oxidar) la materia orgánica y obtener ATP. Anaerobias: cuando no utilizan O2 y degradan la materia orgánica por medio de procesos fermentativos. A su vez, pueden ser: Anaeróbicas estrictas: no toleran el O2 y mueren. Anaeróbicas facultativas: si hay presencia de O2 en el medio, lo utilizan, si no, pueden prescindir de él y utilizar vías fermentativas. Anaeróbicas aerotolerantes: no utilizan el O2, pero toleran su presencia

Nutrición En el ámbito de las bacterias se encuentran todos los tipos de nutrición que puedan poseer las células (cuadro). Así pues, desde este punto de vista (nutricional), distinguimos cuatro tipos de bacterias: 1) Fotoautótrofas Utilizan luz como fuente de energía. La fuente de carbono es el CO2 (lo fijan, igual que las plantas, incorporándolo al ciclo de Calvin). También pueden utilizar azufre (H2S) o nitrógeno (NH3) como fuente de materia para obtener las moléculas necesarias para su metabolismo. Ej: Bacterias purpúreas sulfúreas, bacterias verdes y cianobacterias.

Nutrición 2) Fotoheterótrofas
También utilizan luz como fuente de energía. Utilizan compuestos orgánicos (ác.grasos y glúcidos) como fuente de carbono, y se nutren de ellos; este es un proceso anaeróbico, aunque algunas especies son aeróbicas (y pueden crecer en la oscuridad por oxidación de sustratos orgánicos). Ejemplo: bacterias purpúreas no sulfúreas (también llamadas rojas fosintetizadoras). 3) Quimioautótrofas No precisan luz para crecer y utilizan diversos sustratos inorgánicos (NO2-, NH3, H2S, CO) tanto como fuente de energía como de materia; los oxidan para obtener energía y poder sintetizar materia orgánica. Por lo tanto necesitan la presencia de oxígeno. Ejemplo: bacterias incoloras del azufre, bacterias del nitrógeno, del hierro y del metano. 4) Quimioheterótrofas Constituyen la mayoría, y utilizan sustratos orgánicos como fuente de energía y de materia. Las hay grampositivas y gramnegativas (éstas siempre aerobias). Dentro de este grupo hay bacterias saprofitas, simbiontes y parásitas- patógenas.

OXIDACIÓN DEL HIDRÓGENO
OXIDACIÓN DEL AZUFRE H2S + ½ O S + H2O 2S + 3 O2 + 2 H2O SO H+ OXIDACIÓN DEL HIDRÓGENO H2 + ½ O H2O CH4 + 2 O CO2 + 2H2O OXIDACIÓN DE IONES FERROSO 4 Fe H+ + O Fe H2O

NITRIFICACIÓN 2 NO2- + 2 H+ + 2 H2O 2NH 3 + 3 O2 NO2- + 1/2 O2 NO3-
Oxidación de amoniaco a nitrito: Nitrosomonas Oxidación de nitrito a nitrato: Nitrobacter

OXIDACIÓN DEL HIDRÓGENO
OXIDACIÓN DEL AZUFRE H2S + ½ O S + H2O 2S + 3 O2 + 2 H2O SO H+ OXIDACIÓN DEL HIDRÓGENO H2 + ½ O H2O

OXIDACIÓN DE IONES FERROSO
OXIDACIÓN DEL METANO CH4 + 2 O CO2 + 2H2O OXIDACIÓN DE IONES FERROSO 4 Fe H+ + O Fe H2O 2 FeCO3 + 3 H2O + ½ O Fe(OH)3 + 2CO2

NITRIFICACIÓN 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O 2NH 4+ + 3 O2 NO2- + 1/2 O2 NO3-
Oxidación de amoniaco a nitrito: Nitrosomonas Oxidación de nitrito a nitrato: Nitrobacter

Imágenes de diferentes especies de bacterias

Cianobacterias Cianofíceas, cumplen una función de vital importancia para todos los ecosistemas de La Tierra. Producen grandes cantidades de oxígeno, más que todos los árboles de la Selva Amazónica. La cantidad de oxígeno en la atmósfera es regulada por este tipo de seres. Además, son fuente de alimento de gran cantidad de microorganismos que se alimentan de ellas.

Cianobacterias

Bacterias púrpuras Chromatiaceae
Bacterias púrpuras Chromatiaceae. El color se debe a los compuestos de azufre.

Vibrio parahaemolyticus - halophilic, facultative anerobic, rod bacterium

Lactobacillus plantarum - Gram-positive, rod prokaryote, non- spore forming, anaerobic or microaerophilic, occurs singly or in pairs. Very rarely pathogenic and is part of the normal flora in man and animals (mouth, vagina, and intestinal tract);

Listeria monocytogenes - Gram-positive, regular, nonsporing, rod prokaryote. Zoonotic microorganism; domestic mammals, rodents and birds contaminate water, vegetables and cheese, which, if ingested by humans, can cause listeriosis, meningitis, septicemia, encephalitis, food poisoning and risk of spontaneous abortion in pregnant women.

Alicyclobacillus spp. - an acidophilic, thermophilic, spore forming bacteiurm. Causes food spoilage, especially in fruit juices. The spores can survive pasteurization treatments and heat can activate the spores to begin growth and cause contamination.

Ejemplos de enfermedades bacterianas
Streptococcus pyogenes es una bacteria patógena que se encuentra con frecuencia en el hombre en la boca, la faringe, las vías respiratorias, la sangre y en algunas heridas. Por lo habitual se trasmite por vía aérea y es responsable de un gran número de enfermedades como la infección faríngea estreptocócica.

Ejemplos de enfermedades bacterianas
Neisseria meningitidis que muestra esta imagen, produce meningitis bacteriana

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