Microbiología
Conceptos
de microorganismos.
Son
S. vivos y estructuras biológicas que no podemos ver a simple vista porque su
tamaño no llega a las dimensiones que podemos detectar, inferiores a 0,2mm. Por
tanto microorganismo es un termino sin mase significado que el pequeño tamaño
que engloba a un grupo muy heterogéneo de formas de vida que desarrollan todos
los procesos vitales de nutrición, relación y reproducción de forma unicelular
o con agrupaciones muy sencillas.
Los
microorganismos se clasifican en cinco grandes grupos:
Ø Virus.
Son
estructuras a celulares muy sencillas formadas por un acido nucleico asociado a
proteínas, como por ejemplo Adenovirus y Virus de la Gripe.
Ø Bacterias.
Tiene
organización celular procariotas y la mayoría con pared celular de Mureina.
Tienen nutrición autótrofa o heterótrofa según la especie, como por ejemplo Bacilo de Koch que causa la tuberculosis
y la Escherichia Coli.
Ø Microalgas.
Tienen
una organización celular eucariota, poseen cloroplastos y pared celular. Tienen
nutrición autótrofa, como por ejemplo Chlorrella,
Diatomea.
Ø Protozoos.
Tienen
organización eucariota, no poseen pared celular. Tienen nutrición heterótrofa,
como por ejemplo, Plasmodium agente causante
de la malaria, Trypanosoma causante
de la enfermedad del sueño.
Ø Hongos.
Tienen organización celular eucariotas, poseen pared celular.
Presentan nutrición heterótrofa, como
por ejemplo, Penicillium, Seccharomyces
que es levadura de cerveza.
Virus.
Los
virus están constituidos por un fragmento de Ác. Nucleico encerrado en una
cubierta proteica (Cápsida). Algunos virus presentan una envoltura membranosa
compuesta por una bicapa lipídica procedente de la célula hospedadora. Estos
virus se denominan virus con envoltura.
El
Ác. Nucleico de los virus puede ser ADN o ARN, la información genética se
encuentra en una única molécula lineal o ciclada, o bien en distintos diseños.
Todos los virus siempre tienen el mismo tipo de ácido.
Las proteínas de la Cápsida se organizan alrededor del ácido
nucleico, según esta organización se distinguen varios tipos:
§ Virus con simetría helicoidal: Son
virus con forma de varilla en los que los capsómeros (son unidades
estructurales constituidas por una o varias subunidades proteicas, llamados
protomeros) se disponen helicoidalmente alrededor del Ác. nucleico.
§ Virus con simetría icosaédrica: Son
virus que poseen la forma de un icosaedro en la cual cada cara (capsómeros) está
formada por cinco o seis subunidades proteicas.
§ Virus complejos: Son
virus con formas y simetrías diversas, Cápsidas con cabezas icosaédricas y
colas con simetrías helicoidal.
v Ciclos de multiplicación vírica.
El ciclo
de multiplicación tienen lugar cuando el
virión o código genético, penetra en una célula hospedadora y utiliza a esta
para generar nuevas particular víricas, este proceso recibe el nombre de ciclo
lítico.
¯ Ciclo lítico.
Este
ciclo se puede dividir en varias etapas:
1.
Entrada
de virus en la célula hospedadora.
Esta fase
suele ir precedida por una fase de absorción en la que se produce la unión de
las proteínas de la Cápsida con los receptores específicos de la célula
hospedadora. Sin embargos ciertos virus y sobre todos vegetales penetran
directamente a través de zona de roturas o de heridas.
La siguiente fase es la penetración, este proceso se puede
llevar a cabo de varios modos:
§ Por inyección del ác. nucleico viral.
§ Por procesos de endocitosis, en el
que el virus penetra por completo en el interior de una vesícula y es liberado
posteriormente en el citoplasma por fusión de la envoltura viral con la
membrana plasmática o directamente a través de poros.
2.
Replicación
y síntesis de los componentes virales.
Tras
liberarse del ác. Nucleico en el citoplasma, se produce la replicación de este
y la síntesis de las proteínas virales. Esta etapa cumple dos funciones
vitales:
§ Síntesis de proteínas del virus: Pueden
desarrollarse en dos fases y siempre se produce en el citoplasma de la célula.
§ Replicación del ác. nucleído viral.
Puede ocurrir en el citoplasma o bien en el núcleo de la célula.
3.
Liberación.
Cuando el ciclo de multiplicación finaliza los nuevos viriones
salen de la célula provocando la lisis de esta o por gemación. Durante la fase
de liberación los virus envueltos adquieren su membrana a partir de la membrana
hospedadora.
¯ Ciclo lisogénico.
Algunos virus penetran en las células hospedadoras y permanecen
en ellas sin producir nuevas partículas víricas completas, estos virus siguen
un ciclo lisogénico, o causan una infección latente como sucede en los virus
animales o vegetales.
Bacterias.
Las bacterias son microorganismos unicelulares que presentan un tamaño de unos
pocos micrómetros (entre 0,5 y 5 μm) y diversas formas, incluyendo
esferas (cocos), barras (bacilos) y hélices (espirilos). Las bacterias son procariotas, poseen una pared celular compuesta de peptidoglicano. Muchas bacterias disponen de flagelos o de otros sistemas de
desplazamiento móviles. Son los organismos más abundantes del planeta, se
encuentran en todos los hábitats terrestres y acuáticos. Algunas
bacterias pueden incluso sobrevivir en las condiciones extremas del espacio exterior. Se estima que se pueden
encontrar en torno a 40 millones de células bacterianas en un gramo de tierra y un millón de células bacterianas
en 1 ml de agua dulce.
v Características estructurales y funcionales.
Las
bacterias no presentan orgánulos membranosos, el material genético se encuentra
libre en el citoplasma. Presentan una pared celular de composición y naturaleza
exclusiva de estos organismos, situada externamente a la membrana plasmática.
Ø Pared celular.
La
pared celular tiene como componente principal el peptidoglicano, un
polisacárido unido a cortas cadenas pepiticas.
El
peptidoglicano o mureína está formado por cadenas polisacáridas compuestas por
dos azucares: acetílglucosamina y ác. acetilmurámico unidos por enlaces
glucosídicos. Entre las bacterias presentan dos tipos de pared celular:
o
Grampositiva: Están
formadas por una gruesa capa de mureína a la que se unen ác. teicoicos, que es
un polialcohol unido por grupos fosfatos responsables de la carga negativa de
la pared celular.
o
Gramnegativa: Estas
paredes muestran una estructura trilaminar mas compleja, que consta de los
siguientes elementos:
§ Una membrana externa constituida
por una bicapa lipídica con diversas proteínas asociadas.
§ El periplasma, es un
material con consistencia de gel situado entre la membrana externa de la pared
celular y la membrana plasmática de la membrana.
§ Una fina capa de mureína (una o
dos) unida a la membrana externa por lipoproteínas que atraviesan el
periplasma.
La pared celular de las bacterias cumple una serie de
funciones:
o
Mantiene la forma de la célula y previene de la
lisis osmótica.
o
Posee componentes con capacidad antigénica (ác.
teicoicos)
o
Regulan el intercambio con el exterior.
o
Proporciona carga negativa a la superficie
celular.
Ø Envueltas externas.
Muchas bacterias presentan en el exterior de la pared celular
cubiertas mucosas compuestas por polisacáridos y en ocasiones por proteínas.
Las cubiertas gruesas y mas adheridas a la pared se denominan capsulas y las
mas finas y laxas capas mucosas. Las
capsulas y las mucosas cumplen una serie de funciones:
o
Protegen a la bacteria de factores tóxicos y de la
fagocitosis por otras células.
o
Evitan la desecación, ya que retienen gran
cantidad de agua.
o
Permiten la adherencia a superficies y a otras
células.
Ø Citoplasma.
El citoplasma esta formado por el protoplasma, una matriz
gelatinosa de aspecto granuloso, junto con ribosomas 70s, así como diversas
inclusiones de variada naturaleza y función según los tipos celulares.
Tipo
|
Composición
|
Función
|
Gránulos de glucógeno
|
Polisacáridos
(glucano-amilo-pectinas)
|
Reserva
de carbono
|
Gránulos de polifosfatos
|
Polímeros
de ortofosfatos
|
Reserva de
fosfato
|
Gránulos de PHB
|
Poli-β-Hidroxibutirato
|
Reserva
de carbono
|
Gránulos de azufre
|
Azufre
|
Reserva de
azufre
|
Vesículas de gas
|
Cubierta
proteica e interior gaseoso
|
Flotación
en organismos acuáticos
|
Inclusiones paracristalinas
|
Proteínas
|
Diversas
|
Carboxisomas
|
Rubisco
|
Ciclo
de Calvin
|
Magnetosomas
|
Magnetita
(Fe3O)
|
Migración
a zonas anaerobias
|
Ø Nucleoide.
En la célula procariota el material genético no se encuentra
en compartimentos, no está separado del citoplasma. Sin embargo en la zona
central del citoplasma se observa una zona de aspecto fibrilar donde se
localiza el material genético. EL material genético esta constituido por:
o
Un cromosoma principal, formado por ADN
bicatenario, circular y superenrollado.
o
Uno o varios plásmidos, que son pequeñas moléculas
de ADN circular extracromosómico que se replican de forma independiente al
cromosoma principal.
Ø Apendices externos.
1.
Flagelos, son
apéndices implicados en el movimiento, cuyo numero y disposición varia de una
bacteria a otra.
¤
Clasificación de los flagelos según el número:
o
Flagelación
monótrica.
o
Flagelación
polítrica.
¤
Según su posición:
¤
Flagelación
polar, los flagelos se sitúan en uno o ambos polos.
¤
Flagelación
subpolar, los flagelos se encuentran ligeramente desplazados respecto
a los polos.
¤
Flagelación
perítrica, los flagelos se disponen regularmente por toda la superficie
de la célula.
La estructura del flagelo está
formada por:
o
Un filamento rígido y curvado, constituido por
flagelina que es una proteína globular enrollada helicoidalmente alrededor de
un núcleo central hueco.
o
Un codo que une al filamento a la superficie de la
célula.
o
Una estructura basal compuesta por una serie de
anillos. Dos anillos en bacterias gampositivas y cuatro en bacterias
gramnegativas.
2.
Fimbrias
y pelos.
Las
fimbrias y los pelos no intervienen en el movimiento de las bacterias.
Las
fimbrias son prolongaciones cortas, finas y numerosas en algunas bacterias, y
tienen una función de adhesión a otras células o superficies.
Los
pelos, de mayor longitud, son poco numerosos y están implicados en la unión de
dos células durante la conjugación bacteriana.
v Reproducción bacteriana.
¯ Bipartición.
El mecanismo de reproducción habitual en bacterias
es la bipartición. Mediante este mecanismo se obtienen dos células
hijas, con idéntica información en el ADN y de contenido citoplasmático
similar. Por este sistema de reproducción se puede originar una colonia de
células con material idéntico; sin embargo, esto no ocurre debido al alto
índice de mutaciones que se producen en las bacterias.
La bipartición se produce cuando la célula ha
aumentado su tamaño y ha duplicado su ADN. El ADN bacteriano se une a un mesosoma, que separa el citoplasma en dos y reparte cada copia del
ADN duplicado a cada lado. Al final del proceso el mesosoma se ha unido al
resto de la membrana plasmática y se han formado dos células hijas
genéticamente iguales.
¯ Reproducción parasexual
En ocasiones, la célula bacteriana tiene la
oportunidad de intercambiar información genética por procesos de recombinación.
Estos procesos son la transformación, la transducción y la conjugación. En estos procesos no hay formación de ningún tipo
de gametos, por lo que no es reproducción sexual.
¯
Transformación
Fragmentos de ADN que pertenecían a células lisadas
(rotas) se introducen en células normales. El ADN fragmentado recombina con el ADN de la célula receptora, provocando
cambios en la información genética de ésta.
¯
Transducción
Cuando una célula es atacada por un virus
bacteriófago, la bacteria genera nuevas copias del ADN vírico. En la fase de
ensamblaje se pueden introducir fragmentos de ADN bacteriano en la cápsida del
virus. Los nuevos virus ensamblados infectarán nuevas células. Mediante este
mecanismo, una célula podrá recibir ADN de otra bacteria e incorporar nueva
información.
¯ Conjugación
Este proceso se lleva a cabo si la célula
presenta el plásmido F, que contiene la información genética para
formar pili, puentes que sirven de unión citoplásmica entre dos
bacterias. La célula que presenta el plásmido se denomina F+;
la célula que no lo contiene se llama F-. La bacteria F+(donadora
de información) se une a una bacteria F- (receptora) mediante
uno de sus pili. A través de él introduce una hebra del plásmido F, de forma
que la bacteria F- se convierte en bacteria F+.
En ocasiones el plásmido se introduce en
el anillo del ADN bacteriano. Entonces, la bacteria donadora se denomina Hfr (High
frequency of recombination). De esta forma la bacteria Hfr puede donar a otras
células cualquier gen de su ADN.
v Nutrición
bacteriana.
Si consideramos la nutrición de los procariotas,
encontramos todas las posibilidades presentes en los seres vivos. No en vano
las bacterias son los primeros organismos presentes en la Tierra y en los miles
de millones de años que llevan evolucionando se han adaptado a todos los medios
y formas de nutrición posibles:
Ø Heterótrofos
La mayoría de las células procariotas son heterótrofas. Es decir, consiguen
su alimento incorporando materia orgánica formada por otros
seres vivos. De ellas, la mayor parte son saprobios,
lo que significa que se alimentan de materia orgánica muerta y de
esta forma contribuyen a reciclar la materia en los ecosistemas.
Pueden realizar tanto catabolismos aeróbicos —con la
utilización del oxígeno— como anaeróbicos,
mediante fermentaciones, muchas de las cuales son útiles para nuestras
industrias.
Hay bacterias heterótrofas que viven asociadas a otros
organismos, con provecho mutuo, serían por lo tanto simbióticas. Un ejemplo claro
es Escherichia coli, bacteria que vive en el tracto
intestinal humano. Muchos herbívoros pueden aprovechar la celulosa gracias a la
flora microbiana de sus tubos digestivos que contienen la enzima
celulasa. Otra simbiosis es la de algunas plantas con bacterias fijadoras
del nitrógeno atmosférico (Rhizobium) en que la
planta aprovecha parte del nitrógeno fijado por la bacteria que, a su vez,
aprovecha parte de los azúcares de la planta.
Otras muchas son parásitas, se aprovechan de materia
orgánica de ese otro ser vivo causándole un perjuicio; es el caso de todas las
bacterias patógenas que causan enfermedades. Algunas patógenas (clamidias, ricketsias y algunos micoplasmas) han simplificado su estructura y sólo
pueden reproducirse dentro de otra célula: son parásitos obligados. Dentro del exótico grupo de las
mixobacterias, un tipo de bacterias deslizantes que tienen la capacidad de
agregarse varias células para formar estructuras que les permiten migrar, se
incluyen algunas que son depredadoras de otras bacterias.
Ø Autótrofos
quimiosintéticos.
La quimiosíntesis es
la formación de materia orgánica a partir de materia inorgánica utilizando la
energía producida en reacciones químicas. Las rutas metabólicas son semejantes
a las de la fotosíntesis.
En este grupo se incluyen bacterias fundamentales en
la ecología de los ciclos biogeoquímicos del nitrógeno, del azufre y del
hierro. Un grupo especial son los procariotas metanógenos que viven en ambientes anaerobios, como los
sedimentos de fondos acuáticos, y los termófilos extremos (arqueobacterias),
que son el primer nivel trófico de los ecosistemas asociados a los materiales
que escapan del interior de la Tierra en las dorsales oceánicas.
Ø Autótrofos
fotosintéticos.
Tienen unos colores característicos debidos a los
pigmentos con los que captan la luz. Hay dos grandes grupos:
Las más abundantes son las cianobacterias, células
aeróbicas con el mismo tipo de clorofila que los cloroplastos de las plantas
superiores. Fueron los primeros seres que produjeron oxígeno en la Tierra. De
hecho el oxígeno atmosférico se debe a su actividad incesante ya hace muchos
millones de años: la actual atmósfera es producto de la vida.
Algunos pueden fijar el nitrógeno atmosférico, por lo
que es probable que fueran los primeros colonizadores del medio terrestre.
Las llamadas bacterias
verdes y las púrpuras contienen
otro pigmento diferente, la bacterioclorofíla, con la que aprovechan la
energía luminosa. En ambos grupos, las llamadas sulfúreas utilizan compuestos
de azufre reducido como donadores de electrones para los procesos
biosintéticos. En ambos grupos también, las llamadas no sulfúreas son
fotoheterótrofos anaerobios que viven en sedimentos ricos en materia orgánica y
que necesitan un compuesto orgánico como donador de electrones para las
reacciones fotosintéticas. Los halófilos extremos (arqueobacterias) viven en
ambientes de elevada salinidad. Poseen otro pigmento diferente, la
bacteriorrodopsina (proteína con retinal), y utilizan diferentes rutas
metabólicas en su anabolismo para la síntesis de la glucosa a partir del
dióxido de carbono. Normalmente son organismos heterótrofos y sólo realizan la
fotosíntesis cuando los niveles de oxígeno en el medio son bajos.
Microorganismos eucariotas.
Las eucariotas presentan unos compartimentos u orgánulos
membranosos los cuales pueden hacer cosas incompatibles al mismo momento,
pudiendo hacer mas funciones a la vez.
En cualquier célula distinguimos tres partes
principales:
La membrana plasmática la cual limita, separa y comunica,
el citoplasma donde se encuentran los orgánulos y se producen el metabolismo y
el núcleo donde se dirige el funcionamiento de la célula a través de la
síntesis de proteínas y las funciones que realizan.
Los grupos más importantes de microorganismos
eucariotas son: protozoos, algas unicelulares y hongos.
Ø Protozoos.
Están incluidos
dentro del reino protoctistas. Son organismos unicelulares
eucariotas, heterótrofos. Carecen de pared celular. Pueden ser móviles.
Viven en
ambientes acuáticos. Algunos son de vida libre, otros son parásitos de animales
incluidos el hombre, a los que causan enfermedades como la disentería, la
malaria o el paludismo, etc.
Se alimentan a
partir de otros organismos (bacterias, algas, etc.) o de macromoléculas
orgánicas que ingieren en disolución por pinocitosis o en estado sólido por
fagocitosis.
Se reproducen
asexualmente mediante división binaria, por división múltiple. En algunos se
dan procesos parasexuales como la conjugación.
Algunos
protozoos cuando las condiciones son adversas (falta de agua) pueden originar
formas de resistencia que les permite subsistir.
El tipo de
locomoción que presentan es una de las características que se utilizan para su
clasificación:
o Ciliados, utilizan cilios en la locomoción. Ejemplos: Vorticella y Paramecio.
o Flagelados, utilizan flagelos para la locomoción. Ejemplo: Trypanosoma
o Sarcodinos, se desplazan por pseudópodos. Ejemplo: Ameba
o Esporozoos, son inmóviles y parásitos de animales. Ejemplo Plamodium.
Ø Algas.
Se incluyen en
el reino protoctistas. Son organismos unicelulares eucariotas. Son autótrofos
fotosintéticos, realizan la fotosíntesis oxigénica.
La mayoría
tienen pared celular formada principalmente por celulosa y en la que puede
haber otros polisacáridos. Presentan uno o más cloroplastos, que contiene gran
variedad de pigmentos fotosintéticos (clorofila a, b, c, carotenoides y
ficobilinas) en distintas proporciones que les confieren colores
característicos.
Las algas se
pueden reproducir asexualmente y sexualmente.
Viven
preferentemente en ambientes acuáticos tanto en agua dulce como en agua salada.
Constituyen el fitoplancton, siendo la base de las cadenas tróficas de los
ecosistemas acuáticos. Debido a su actividad fotosintética son los principales
fijadores de CO2 del
planeta y los que más oxígeno aportan a la atmósfera.
Los principales
grupos de algas microscópicas son:
o Pirrofitas. Poseen dos
flagelos
o Diatomeas. Están
recubiertas por un caparazón silíceo, a modo de caja.
o Euglenofitas. No tienen
pared celular y tienen dos flagelos.
Ø Hongos.
Se encuentran
incluidos dentro del reino de los hongos. Son organismos eucariotas,
unicelulares o pluricelulares. Tienen nutrición heterótrofa. Presentan paredes
celulares formadas por quitina. Se reproducen asexualmente por esporas y
sexualmente. En los pluricelulares el cuerpo tiene estructura talofítica, las células forman filamentos simples o ramificados
denominados hifas, el conjunto de todas ellas
constituye elmicelio que forma el cuerpo vegetativo.
Viven en
ambientes muy diversos, algunos son acuáticos. Sin embargo, la mayoría son
terrestres y viven en el suelo o sobre materia orgánica en descomposición
(saprófitos), otros se asocian en simbiosis con algas formando líquenes, otros
son parásitos de plantas, animales y el hombre a los que causan enfermedades
llamadas micosis.
Los principales
hongos microscópicos son:
o Los mohos, son hongos
filamentososo. Están muy distribuidos por la naturaleza, se desarrollan sobre
el pan, la fruta, queso, etc.
o Las levaduras, son
hongos unicelulares, que se reproducen asexualmente por gemación. Se
desarrollan sobre frutas, flores, cortezas de árboles y en todos aquellos
hábitats ricos en azúcar. Pueden vivir en simbiosis con animales y algunos son
patógenos no sólo para animales, sino también para el hombre como Cándida. Desde el punto de vista
industrial, algunas cepas de levaduras, como las del género Saccharomyces son importantes porque son
las responsables de la fermentación alcohólica interviniendo en la fabricación
del pan y de las bebidas alcohólicas (vino, cerveza).
Relación entre los microorganismos y la
especie humana.
En la naturaleza, los organismos viven en
complejas comunidades formadas por diversas poblaciones que interaccionan entre
si y con el medio abiótico que las rodea.
¯ El ciclo de la
materia
La materia circula en la naturaleza entre
los S. vivos y el medio abiótico en un sistema cerrado en el que apenas se
producen pérdidas, todos los nutrientes son recuperados por el ecosistema,
aunque parte de la energía se pierde en forma de calor.
Los organismos productores elaboran los compuestos orgánicos a partir de
inorgánicos. La materia orgánica elaborada por los productores es esencial para
el resto de los organismos vivos.
Los consumidores
aprovechan la materia orgánica sintetizada por los productores alimentándose
directamente de ellos o de otros consumidores.
Los descomponedores
son microorganismo que degradan la materia orgánica en descomposición y la
remineralizan de forma que puedan ser utilizadas de nuevo por los productores,
de este modo se origina un nuevo ciclo.
v Microorganismos
en los ciclos biogeoquímicos.
Los microorganismos
participan activamente en los ciclos debido a los siguientes factores:
o Su amplia distribución en todo tipo de
ambientes.
o Su facilidad de dispersión.
o Su diversidad metabólica.
o Su pequeño tamaña y su condición de unicelular.
v Ciclo del
Carbono.
Existen dos
grandes reservas de carbono en la tierra:
o Depósitos pocos activos de rocas
carbonatadas (dolomitas y calizas), carburantes fósiles y sedimentos que
difícilmente llegan hasta los S. vivos.
o La atmósfera es la reserva mas activa
biológicamente en la que el carbono se encuentra en forma de CO, CH.
¯ Ciclo biológico
de Carbono.
Son tres etapas:
1. Los organismos productores autótrofos
incorporan el CO2 en la materia orgánica.
2. EL carbono orgánico es utilizado por los
consumidores aerobios, que emplean los compuestos orgánicos como fuente de
carbono y energía.
3. Los organismos descomponedores utilizan la
materia orgánica en descomposición y remineralizan el carbono a CO2,
por respiración anaerobia o por fermentación.
Las
arqueobacterias metanogénicas utilizan elCO2 para producir metano
que a su vez es oxidado de nuevo hasta CO2.
v Ciclo del Nitrógeno.
El nitrógeno es
un elemento imprescindible para los S. vivos, pues forma parte de moléculas
esenciales para la vida como ác. nucleicos o proteínas.
La principal
reserva de nitrógeno es la atmósfera, en la que se encuentra en forma de N2
muy estable químicamente. También se encuentra en el humus orgánico y en las
rocas sedimentarias. Las reservas mas activas son los compuestos inorgánicos
solubles en agua (amonio, nitrito, nitrato).
¯ Ciclo biológico
del Nitrógeno.
o Fijación del
nitrógeno: consiste en la conversión del N2
gaseoso en amonio, como el N2 es una forma muy estable, la fijación
de nitrógeno en una molécula orgánica supone un gran gasto de energía.
o Amonificación: La mayoría de los seres vivos
metabolizan el nitrógeno orgánico y producen amonio, que es excretado después
directamente como urea o ác. úrico por los organismos superiores.
o Nitrificación: La conversión de amonio en nitrato la
llevan a cabo únicamente las bacterias quimiolitotrofas, utilizan el amonio y
los nitritos, sucesivamente como fuente de energía y liberan nitratos.
o Asimilación: Este proceso implica la utilización de
amonio o nitratos por las plantas y otros organismos vivos. Los animales asimilan
el nitrógeno en la dieta.
o Desnitrificación: Consiste en la conversión de nitratos en
nitrógeno gaseoso, este proceso lo realizan las bacterias desnitrificantes, que
oxidan los compuestos orgánicos por respiración anaeróbica, utilizan el nitrato
como aceptor de electrones y liberan N2 gaseoso a la atmósfera.
v Ciclo del Azufre.
Las rocas y los
sedimentos en los que el azufre se encuentra inmovilizado, constituyen la
reserva principal de este elemento. Sin embargo, los mares y océanos contienen
una mayor cantidad de azufre en forma de sulfato inorgánico.
Las principales
transformaciones biológicas transcurren entre dos estados de oxidación del
azufre: El sulfato y el sulfuro de hidrogeno.
¯ Ciclo biológico
del azufre.
¤
Reducción del sulfato: El sulfato puede ser asimilado por
plantas y microorganismo que los reducen a sulfuro, que es su forma más
habitual en las M.O.
Ciertos microorganismos pueden mineralizar
el azufre de los compuestos orgánicos liberando sulfuro de hidrogeno mediante
la desulfurilación.
¤
Oxidación de sulfuros y azufre elemental: La oxidación biológica de ambos a
sulfatos es también un proceso que solo lleva a cabo dos tipos de bacterias:
o Bacterias
quimiolitotrofas: Utilizan los
compuestos reducidos de azufres como fuente de energía oxidándolo hasta
sulfato.
o Bacterias
fotosintéticas anoxigénicas: Utilizan los
compuestos reducidos del azufre como donadores de electrones en la fotosíntesis
y generan sulfatos en ambientes anaerobios.
v Otros ciclos.
Las actividades
metabólicas de los microorganismos inciden notablemente en otros ciclos como:
¤
El ciclo del Hierro: A pesar de que el hierro constituyen uno
de los elementos mas abundantes en la corteza terrestre, se encuentra
inmovilizado para la mayoría de los S. vivos.
Los microorganismos son esenciales en
varias etapas del ciclo biológico del hierro:
o Solubilización
del hierro: El hierro férrico es insoluble en
muchos ambientes alcalinos y neutros, y algunas bacterias pueden reducir la
forma férrica a ferrosa, mas soluble, y ponerlo así a disposición de otros
organismos.
o Oxidación del
hierro: En ambientes ácidos oxigenados,
aguas de drenajes de minas o manantiales ácidos, las bacterias quimiolitotrofas del hierro utilizan el
ión ferroso como fuente de energía y lo oxidan a la forma férrica.
¤
El ciclo del Fosforo: Las reservas más activas se encuentran
en suelos y aguas en forma de fosfatos. Los componentes del fitoplancton las
plantas acuáticas, aprovechan los fosfatos e incorporan el fosforo a las
cadenas tróficas. Los microorganismo participan en el ciclo del fosforo por
transferencia de formas inorgánicas a orgánicas o bien solubilizando el fosfato
insoluble.
Los microorganismos también pueden
participar en la detoxificación de metales como el mercurio o arsénico,
altamente tóxicos para otros seres vivos.
Beneficios y perjuicios de los
microorganismos para los humanos.
El ser humano entra en contacto con
multitud de microorganismo, mucho de los cuales son inocuos o incluso ejercen
un efecto beneficioso, mientras que otros causan un desequilibrio en el estado
normal del organismo originando diversas enfermedades.
Se denomina microbiota normal al conjunto de microorganismo asociados a un
tejido, órganos o superficie corporal que no produce en estos efectos
negativos.
Los parásitos
son microorganismo que viven a expensas de otros organismos hospedadores y les
causan un perjuicio. La enfermedad recibe el nombre de patógeno por tanto la patogenicidad se define como capacidad
potencial de un microorganismo para producir una enfermedad, mientras que la
virulencia es el grado de patogenicidad. La infección consiste en el
crecimiento y colonización de microorganismos patógenos en un individuo.
Los microorganismos que normalmente no
causan enfermedad y se convierten en patógenos solo bajo determinadas
circunstancias como la disminución de las defensas inmunitarias, se denomina
patógeno oportunistas.
v Microbiota
normal.
La microbiota normal se localiza
principalmente en la piel, la cavidad oral y los tractos respiratorios,
intestinales y genitourinarios. Cuando el individuo esta sano y sus defensas
son altas, estos microorganismos no tienen efectos negativos, sino que compiten
con otras bacterias que si pueden tener un efecto patógeno, evitando así su
proliferación.
o En la piel y la cavidad oral proliferan
sobre todo bacterias gampositivas, estafilococos y levaduras.
o En el tracto intestinal son más comunes la
bacterias anaerobias o aerobias facultativa tanto grampositiva como
gramnegativa, como por ejemplo la Escherichia
Coli que contribuye a la digestión de ác. biliares y aportan vitaminas.
o En la mucosa genital habitan también un
elevado número de bacterias y hongos, como por ejemplo, Cándida Albicans que puede originar infecciones vaginales ante un
descenso del pH.
v Microorganismos
como agentes patógenos.
Para crecer a
expensas de un organismo hospedador y causar una enfermedad, los patógenos
desarrollan una serie de estrategias específicas gracias a las cuales penetran
en los tejidos, se adhieren a ellos y consiguen eludir el sist. de defensa,
invadir la célula y multiplicarse.
Ø Entrada al
hospedador.
Los microorganismos potencialmente
patógenos pueden transmitirse hasta el hospedador por diversos mecanismos:
Transmisión
|
Mecanismo
|
Entrada
|
Enfermedad
|
Microorganismo
|
Respiratoria
|
Inhalación
|
Mucosas del tracto respiratorio
|
Gripe
|
Virus de la gripe
|
Meningitis
|
Neisseria meningitidis
|
|||
Neumonía
|
Streptococcus pneumoniae
|
|||
Digestiva
|
Ingestión
|
Mucosas
gastrointestinales
|
Botulismo
|
Clostriduim botulinum
|
Cólera
|
Vibrio cholerae
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Intoxicación
alimentaria
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Staphylococcus aureus
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Disenteria amebiana
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Entamoeba histolytica
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Sexual
|
Contacto
sexual
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Mucosas
genitales
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Sida
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VIH
|
Sífilis
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Treponema pallidum
|
|||
Candidiasis
|
Cándida albicans
|
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Tricomoniasis
|
Trichomonas vaginalis
|
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Cutánea
|
Contacto
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Conductos sudoríparos
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Lepra
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Mycobacterium leprae
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Parenteral
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Heridas
Picaduras
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Sis. Circulatorio
Tejidos internos
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Peste
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Yersinia pestis
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Hepatitis B
|
Virus de la hepatitis B
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Tétanos
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Clostridium tetani
|
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Malaria
|
Plasmodium sp.
|
Ø Adhesión a los
tejidos del hospedador.
La colonización se ve facilitada si los
microorganismos tienen la capacidad de adherirse a las células de los tejidos
invadidos. En muchos casos, la adherencia es especifica, en esta intervienen la
capsula y las fimbrias de la bacteria.
Ø Invasión de las
células del organismo.
En algunos casos la penetración se lleva a
cabo a través de heridas o lesiones y luego se produce la proliferación del
microorganismo en el mismo lugar de la infección. En estos casos, el patógeno
debe ser transportado a través de la sangre o la linfa hasta los órganos o
tejidos diana. Algunos virus con envoltura, pueden fusionarla con la membrana
de la célula. Por último, ciertos patógenos eucariotas desarrollan mecanismos más
complejos de invasión.
Ø Desarrollo de
la infección.
Cuando es capaz de multiplicarse en la
sangre y dispersarse por todo el organismo, en muchos casos produciendo
toxinas, hablamos de septicemia.
Las lesiones producidas por el hospedador
pueden ocurrir por varias causas:
o Producción de
factores de virulencia: Se trata de
enzimas producidas por el patógeno.
Factor
|
Acción
|
Efecto
|
Ejemplo
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Hialuronidasa
|
Rotura del acido hialurónico
|
Favorece la difusión
|
Staphylococcus aureus
|
Colagenasa
|
Disgregación
de la trama de colágeno
|
Dispersión
del patógeno
|
Clostridium perfringens
|
Hemolisinas
|
Lisis de eritrocitos
|
Debilitamiento
|
Streptococcus pyogenes
|
Leucocidinas
|
Lisis de
leucocitos
|
Disminución
de las defensas inmunitarias
|
Estreptococos y estafilococos
|
o Producción de
toxinas: Ciertos patógenos pueden producir
sustancias toxicas para las células y tejidos. Algunas toxinas se liberan al
exterior durante el crecimiento del microorganismo (exotoxinas) y otras son
componentes del microorganismo y solo se libera cuando este se lisa
(endotoxinas). Las exotoxinas tienen un efecto más dañino sobre el hospedador.
o Exotoxinas: Son proteínas solubles que pueden
trasladarse desde el lugar de la infección hasta otros tejidos o células diana.
Toxina
|
Tipo
|
Acción
|
Efecto clínico
|
Ejemplo
|
Exotoxina
|
Citotoxina
|
Inhibe la síntesis proteica
|
Alteraciones citológicas
|
Toxina diftérica
|
Neurotoxinas
|
Interfiere en
el impulso nervioso
|
Inhibe la
contracción muscular
|
Toxina
botulinica
|
|
Enterotoxinas
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Aumento de los niveles de AMPc
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Secreción activa de agua e iones
|
Toxina colérica
|
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Inhibe la
síntesis proteica
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Fiebre.
Debilidad. Diarrea…
|
Shigella.
Salmonella…
|
o Endotoxinas: Son los lipopolisacáridos de la membrana
externa de la pared celular en las bacterias gramnegativas, que causan diarrea,
fiebre, vómitos, etc.
Para combatir el efecto de algunas
bacterias microbianas se han desarrollado antitoxinas y toxoides.
Una antitoxina es un suero con anticuerpos
dirigidos contra la toxina que causan la neutralización de la misma y evitan
sus efectos negativos. Los toxoides son toxinas modificadas que inducen la
formación de anticuerpos dirigidos contra la proteína toxica, evitando la
acción de la toxina.
Ø Evasión de las
defensas del hospedador.
Algunos microorganismos patógenos han
desarrollado distintos mecanismos para evitar el reconocimiento y la actuación
de las defensas inmunitarias:
o Protección
frente a la fagocitosis: Algunos
microorganismos se localizan en sitios donde no llegan los fagocitos, y otros
producen capsulas y fimbrias.
o Supervivencia a
la fagocitosis: Algunos
patógenos consiguen evitar su destrucción inhibiendo la fusión entre el
lisosoma con la vesícula, y además posee
una pared que interfiere en los mecanismos de destrucción del fagocito.
o Inmunosupresores: Sustancias que causan un daño directo
sobre los fagocitos.
o Evasión del
reconocimiento del sist. Inmunitario: Ciertos
patógenos pueden modificar sus características antigénicas para evitar ser
reconocidas.
Control de enfermedades producidas por
microorganismos.
Un agente antimicrobiano es una sustancia
que mata o inhibe el crecimiento de los microorganismos. Según el tipo de
microorganismo, estos agentes pueden ser: antibacterianos, antivíricos,
antiparasitarios.
Los desinfectantes son agentes
antimicrobianos que se emplean para eliminar los microorganismos de los
objetos, mientras que los antisépticos se utilizan con el mismo fin sobre los
tejidos de los seres vivos.
v Antibióticos.
Grupo
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Ejemplo
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Microorganismo productor
|
Modo de acción
|
Espectro de acción
|
β –Lactámicos
|
Penicilinas
|
Penicillium(hongos)
|
Inhiben la síntesis de la pared
bacteriana
|
Grampositivas y negativas
|
Cefalosporinas
|
Cephalosporium
(hongo)
|
|||
Aminoglucosidos
|
Estreptomicina
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Streptomyces
|
Inhiben la síntesis de las proteínas
|
Gramnegativas
|
Macrólidos
|
Eritromicina
|
Streptomyces
|
Inhiben la síntesis de las proteínas
|
Gramnegativas
|
Tetraciclinas
|
Clorotetracilina
|
Streptomyces
|
Inhiben la síntesis de las proteínas
|
Grampositivas y negativas
|
Quinolonas
|
Ciprofloxacino
|
Sintéticos
|
Inhiben la replicación del ADN
|
Grampositivas y negativas
|
v Antivirales.
Los virus
utilizan la maquinaria replicativa del hospedador para reproducirse, por lo que
resulta muy difícil desarrollar agentes quimioterapéuticos eficaces que no
tengan efectos negativos para el organismo.
o La Rifampicina
es un antibiótico que inhibe la función de la ARN polimerasa bacteriana y la de
algunos virus.
o La Azidotimidina
(AZT) inhibe la transcripción inversa en los retrovirus, se utiliza para
frenar el desarrollo del retrovirus.
o El Aciclovir
inhibe la replicación de los virus con ADN, se utiliza para tratar el herpes.
En la
actualidad se utilizan los interferones, proteínas que producen muchas células
animales como respuesta a una infección viral. Al unirse a células no
infectadas, provocan la síntesis de proteínas antivíricas e inhiben la
replicación del virus, se emplean en el tratamiento de la gripe, hepatitis o
herpes.
Importancia de microorganismos en
investigación e industria.
v Industrias
alimentarias.
Ø La fabricación
del pan.
Los microorganismos que intervienen en
este proceso son levaduras. Estos hongos realizan una fermentación alcohólica
que emplea como sustratos de la fermentación los glúcidos presentes en la
harina de trigo.
La elaboración del pan consiste en mezclar
harina, agua, sal y levadura como primer paso. Al entrar en contacto las
amilasas de la harina con el agua, se hidroliza el almidón liberando
mono/disacáridos, que son rápidamente fermentados por la levadura. La cocción
elimina el etanol producido en la fermentación y destruye las células de
levadura.
C6H12O6
2CH3-CH2OH
+ 2CO2 + 2ATP
2CH3-CH2OH
+ 2CO2 + 2ATP
glucosa etanol
Ø La fabricación
del vino y la cerveza.
En este proceso también interviene la
levadura y realiza el mismo proceso de fermentación alcohólica.
La fabricación del vino comienza con el
prensado de las uvas para obtener el mosto (glúcidos) y la levadura de la uva
empieza a fermentar-en la producción industrial se añaden mas levadura para
incrementar el contenido de etanol-. Cuando termina la fermentación, se elimina
la turbidez que pueda tener y se embotella para tener vinos jóvenes o se somete
a un proceso de maduración para envejecerlos.
En el caso de la cerveza, el proceso es más
complicado es más complicado desde el punto de vista tecnológico, ya que
implica la germinación de semillas de cebada para obtener malta y su tueste
posterior, malteado. Los glúcidos presentes en la malta constituyen el sustrato
para la fermentación. El producto final se obtiene añadiendo algunos aditivos.
Ø La producción
de vinagre.
El vinagre se produce transformando el
etanol en acido acético mediante un proceso de oxidación que realizan las
bacterias Acetobacter y Gluconobacter. La formación del acido
acético es un proceso respiratorio.
CH3-CH2OH + O2
CH3-COOH
+ H2O
CH3-COOH
+ H2O
etanol ácido
acético
Ø La fabricación
de queso y leche.
En el proceso de fabricación interviene un
grupo de bacterias, llamadas bacterias lácticas, que fermentan glúcidos
sencillos para producir acido láctico.
La reacción de la fermentación láctica es
la siguiente:
C6H12O6 2CH3-CHOH
+ 2COOH + 2ATP
2CH3-CHOH
+ 2COOH + 2ATP
glucosa acido láctico
Estas bacterias
son muy beneficiosas para el ser humano, y están de forma natural en la leche
sin esterilizar, Lactobacillus y Lactococcus.
v Industrias Químicas.
Muchos
productos químicos de uso industrial son producidos por microorganismos y se
emplean como disolventes, lubricantes, conservantes, colorantes, potenciadores
de sabores y aromas, etc.
o Compuestos
orgánicos- Acetona,
alcoholes como: etanol, n-butanol y glicerina. Estos son empleados como
disolventes.
o Enzimas- Hoy en día se producen unas doscientas
enzimas para industrias farmacéuticas, para producir piensos y/o detergentes.
v Industrias
farmacéuticas.
La obtención de
productos farmacológicos más puros y baratos constituye uno de los campos de
aplicación de la biotecnología que más progresos ha experimentado en las
últimas décadas. Gran parte de la producción se centra en la obtención de
nuevas vacunas y antibióticos.
Ø Obtención de
Vacunas.
Actualmente, se tiende a fabricar vacunas
recombinantes, obtenidas por ingeniería genética, como el caso de la vacuna
contra la hepatitis B. También se utilizan vacunas que están formadas por algún
componente del microorganismo, como la vacuna para la meningitis meningocócica,
que consiste en polisacáridos de la cápsula de Neisseria meningitidis.
Ø Producción de
Antibióticos.
Alexander Fleming fue el primero en darse
cuenta de la existencia de la penicilina, es un antibiótico que produce el
hongo Penicillium impidiendo el
crecimiento de la bacteria patógena. Once
años más tarde, dos químicos británicos, Howard Florey y Ernst Chain, lograron
aislarla.
El procedimiento de obtención de la
penicilina consta de varias etapas:
1. Crecimiento del hongo productor, Penicillium chrysogenum, en
fermentadores con el cultivo adecuado, a fin de conseguir las condiciones
óptimas de crecimiento.
2. Al cabo de unas 40 horas de cultivo, el
hongo ya no crece más y comienza a producir la penicilina.
3. Purificación del antibiótico, el hongo se
separa del caldo de cultivo por filtración o centrifugación y se purifica por
cristalización.
Otros tipos de antibióticos:
o Cefalosporinas:
Son antibióticos con una composición
química muy parecida a la de la penicilina.
o Estreptomicina: Producida por la bacteria Streptomyces griseus, se utilizan en el tratamiento contra la
tuberculosis.
o Cloranfenicol: Producido por Streptomyces
venezuelae, utilizado para infecciones oculares o fiebres tifoideas.
o Eritromicina: Producida por Streptomyces
erythreus, tratamiento alternativo a las personas alérgicas a la penicilina
o bacterias inmunes a la penicilina.
o Tetraciclina: Producida por Streptomyces
rimosus, es igual que la eritromicina.
v Biotecnología
aplicada a la Agricultura.
La
biotecnología en este campo se centra en la producción de fertilizantes,
insecticidas y piensos.
Ø Biofertilizantes.
Muchos de los fertilizantes usados por los
agricultores están formados por nitratos que utilizan las plantas para sus procesos.
Las bacterias fijadoras de nitrógeno se
pueden comercializar para añadirlas a los suelos, y así enriquecerlos en
nitrógeno para incrementar la producción vegetal.
Ø Insecticidas.
La bacteria Bacillus thuringiensis produce una proteína, no toxica para los
seres humanos, que actúa como un insecticida natural.
Se producen dos efectos:
o La proteína se degrada en el intestino y
los productos resultantes atacan la pared intestinal.
o Parte de las esporas ingeridas germinan
invadiendo así otros tejidos del insecto.
Ø Piensos.
Durante la primera guerra mundial, se
desarrollo en Alemania un método para obtener proteínas a partir de
microorganismos. Este tipo de proteínas se denominó proteína unicelular. Esta
proteína posee un gran valor nutritivo.
v Biotecnología
Ambiental.
Es posible
encontrar en cualquier ambiente una población microbiana adaptada a ese entorno
que participa activamente en el reciclaje de la materia. Esta propiedad de los
microorganismos es aprovechada por diversos procesos biotecnológicos cuya
finalidad principal consiste en la conservación y preservación del medio
ambiente.
Las actuaciones
biotecnológicas se centran principalmente en dos aspectos:
o Biodegradación: Consiste en la descomposición, mediante
microorganismos, de papel, pintura, textiles, hormigón e hidrocarburos.
o Biorreparación: Se utilizan microorganismos para
eliminar sustancias contaminantes del medio ambiente.
Una de las aplicaciones más interesantes
de las técnicas biotecnológicas consiste en aprovechar la capacidad de
biodegradación de algunas bacterias.
Un aspecto importante de biorreparación
mediante microorganismos es la detoxificación y eliminación de los PCB,
compuestos difíciles de degradar y muy contaminantes.
Ø Eliminación de
residuos humanos.
La eliminación de residuos constituye uno
de los problemas medioambientales más graves a los que deben hacer frente los
países industrializados.
Según la actividad que los origina se
clasifican en:
o Urbanos: Basuras o aguas residuales de origen
urbano.
o Industriales: Aguas residuales de la industria y
compuestos altamente contaminantes.
o Agrícolas: Residuos vegetales, insecticidas,
herbicidas, fertilizantes y productos empleados en la agricultura.
Ø Producción
microbiana de compuestos biodegradables.
Los residuos plásticos constituyen un
problema ecológico realmente grave, ya que muy pocos microorganismos son
capaces de degradarlos.
Algunas bacterias almacenan sus reservas de
carbono en forma de unos compuestos llamados poli-beta-hidroxialcanos o poli-hidroxialcanoatos
(PHA), estos compuestos son verdaderos plásticos, por lo que son
biodegradables.
v Biotecnología y
minería.
Hoy en día se
utilizan microorganismos para la extracción de ciertos metales, uranio o
petróleo. Algunas de ellas son:
o Biolixiviación: Cuando en zonas mineras se encuentran
menas metálicas con baja concentración del metal, se utilizan bacterias como Thiobacillus ferrooxidans, que provocan
la Solubilización del metal o metales permitiendo su obtención a bajo coste.
o Recuperación de
petróleo cautivo: La primera
parte del petróleo se extrae por la propia presión del yacimiento, y la segunda
inyectando agua o gases. Con este sistema se extrae el 50% del petróleo, por lo
que se inyecta a presión agua espesada con polisacáridos de origen bacteriano,
llamados goma de xantano.
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