Profesora: María Antonia Rojas Serrano

INTRODUCCIÓN

La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos, cuya única característica en común es su tamaño microscópico.

En este grupo se encuentran organismos del reino monera, protoctistas y hongos; así como formas acelulares como virus, viroides y priones.

Los microorganismos presentan gran importancia en la naturaleza, ya que se encargan de la descomposición de la materia orgánica transformándola en inorgánica, intervienen en los ciclos biogeoquímicos, realizan infinidad de reacciones metabólicas así como provocan enfermedades en plantas, animales y el ser humano.

MONERASSon todos organismos procariotas pertenecientes al dominio Archaea(arqueobacterias) o al dominio Bacteria (son las bacterias mayoritarias).

Son los seres vivos más sencillos que existen y fueron los primeros que habitaron la tierra, actualmente se encuentran presentes en todos los ecosistemas.

Son organismos unicelulares que pueden disponerse de forma individualizada o formando colonias.

Atendiendo a la forman que presentan hablamos de:

- Cocos: de forma esférica. Pueden encontrarse sólos, en parejas (diplococos), en cadenas (estreptococos), en racimos (estafilococos) o en forma de cubos (sarcinas).

- Bacilos: de forma alargada y cilíndrica. Podemos encontrarlos aislados, en parejas (diplobacilos) o en cadenas (estreptobacilos).

- Espirilos: de forma espiral

- Vibrios: tienen forma de coma

COCOS

Staphylococcus aureus

BACILOS

Escherichia coli

ESPIRILOS

Treponema pallidum

VIBRIOS

Vibrio cholerae

COCOS

DIPLOCOCOS ESTREPTOCOCOS

ESTAFILOCOCOS SARCINAS

BACILOS

DIPLOBACILOS ESTREPTOBACILOS

Dominio Archaea y Bacteria

Los tres dominios se clasifican comparando las secuencias de ARN ribosómico.

Las arqueobacterias y las bacterias son de apariencia similar, pero la gran separación evolutiva entre ambos dominios se manifiesta en sorprendentes diferencias entre sus características estructurales y bioquímicas.

Las arqueobacterias no presentan peptidoglucano formando sus paredes bacterianas, sus membranas plasmáticas no presentan ácidos grasos (sino hidrocarburos isoprenoides), también se observan diferencias en los ribosomas, las ARN polimerasas, y los procesos de transcripción y traducción.

Arqueobacterias

La mayoría son anaerobias y viven en ambientes inhóspitos. Se pueden diferenciar tres grupos:

- Bacterias metanógenas: producen metano en condiciones anaerobias, viven en fondos de pantanos y en el aparato digestivo de algunos animales como los rumiantes.

- Bacterias halófilas: viven en ambientes con una elevada concentración salina como las aguas del mar Muerto.

- Bacterias termófilas: viven en aguas muy calientes como las aguas termales.

BacteriasSon las formas más habituales, presentan gran diversidad metabólica, pudiendo ser aerobias, anaerobias o facultativas.

Dentro de estas podemos destacar los siguientes grupos:

- Bacterias gram positivas: debido a su pared bacteriana se colorean de azul en la tinción de Gram.

- Bacterias gram negativas: debido a su pared bacteriana se colorean de rojo en la tinción de Gram.

- Cianobacterias: son las bacterias de mayor tamaño y presentan clorofila como pigmento fotosintético.

- Micoplasmas: carecen de pared bacteriana, son patógenas.Cianobacterias Micoplasmas

Morfología de las bacterias

Las bacterias son organismos procariotas, que carecen de envoltura nuclear y orgánulos membranosos.

Sin embargo, presentan una serie de estructuras características que las definen, dichas estructuras son:

- CÁPSULA BACTERIANA

- PARED BACTERIANA

- MEMBRANA PLASMÁTICA

- RIBOSOMAS

- INCLUSIONES

- MATERIAL GENÉTICO

- FLAGELOS

- FIMBRIAS Y PILI

CÁPSULA BACTERIANAEs una cápsula externa de aspecto gelatinoso, compuesta por sustancias glucídicas, que suele estar presente en las bacterias patógenas.

Tiene como función:

- Regular el intercambio de agua, iones y sustancias nutritivas con el medio.

- Evitar la desecación de la bacteria, ya que contiene gran cantidad de agua.

- Defender a la bacteria frente anticuerpos, virus bacteriófagos y células fagocíticas.

- Permitir la formación de colonias bacterianas.

La presencia de cápsula no sirve como carácter taxonómico, pues determinadas bacterias pueden formarla o no en función de las condiciones del medio; denominándose formas S a las bacterias con cápsulas y formas R a las que carecen de ella.

PARED BACTERIANA

Es una estructura fuerte y rígida que rodea la membrana plasmática y aporta a la bacteria soporte y mantenimiento de su forma, frente a las presiones osmóticas.

Está presente en todas las bacterias, excepto en los micoplasmas.

Presenta (salvo en las arqueobacterias) un componente denominado peptidoglicano, formado por la repetición de dos derivados de monosacáridos: la N-acetil glucosamina (NAG) y el N-acetil murámico (NAM) unidos por enlace O-glicosídicob(1 4). El N-acetil murámico lleva unida una cadena polipeptídica compuesta por 4 aminoácidos. Los aminoácidos de estas cadenas, se unen entre sí mediante enlaces peptídicos, originando una estructura de red molecular.

La estructura de la pared sirve para clasificar a las bacterias en dos grandes grupos, atendiendo a la coloración que presenten tras la tinción de Gram:

* Gram positivas: la pared celular de estas bacterias está formada por una capa homogénea y espesa de peptidoglicano, asociada con proteínas, polisacáridos y con ácidos teicoicos.

* Gram negativas: su pared celular presenta una capa delgada de peptidoglicano, por encima de este se encuentra la membrana externa formada por fosfolípidos, proteínas y lipopolisacáridos.

Propiedades y funciones de la pared bacteriana:

- Protege a la membrana plasmática, mantiene la morfología celular, contrarresta la presión de turgencia e impide la lisis osmótica.

- Permite la entrada de agua y metabolitos esenciales (aunque el paso de moléculas de gran tamaño se realiza mediante poros).

- Participa en la división bacteriana.

- Está implicada en la patogenicidad, ya que las bacterias Gram negativas presentan toxinas en su pared.

- Es el sustrato sobre el que actúan muchos antibióticos, como la penilicina.

MEMBRANA PLASMÁTICA

Su composición química es similar a la de las células eucariotas; sin embargo, las membranas bacterianas carecen de colesterol u otros esteroides (exceptuando los micoplasmas).

En la membrana existen unos repliegues internos denominados mesosomas, que incrementan la superficie de la membrana plasmática, sirven para sujetar el cromosoma bacteriano y contienen gran cantidad de enzimas responsables de funciones celulares como:

- Dirigir la duplicación del ADN bacteriano mediante la ADN polimerasa.

- Realizar la respiración celular.

- Llevar a cabo la fotosíntesis en bacterias fotosintéticas (pero no en cianobacterias).

RIBOSOMASAparecen libres en el citoplasma bacteriano.

La velocidad de sedimentación del ribosoma bacteriano es de 70S y consta de dos subunidades, la subunidad menor de 30 S y la mayor de 50S.

Constituyen el punto de impacto de antibióticos como la tetraciclina y el cloranfenicol.

INCLUSIONES

Son acúmulos de sustancias dentro de la bacteria, sin presentar membrana que las rodee.

Pueden ser:

- Gránulos de volutina: son acúmulos de polifosfatos encargados de almacenar grupos fosfatos y energía (ATP).

- Gránulos lipídicos: pudiendo estar formados por triglicéridos o por sustancias como el ácido polihidroxibutírico que también sirven como reserva de energía.

- Gránulos de polisacáridos.

- Gránulos de azufre elemental: en aquellas bacterias capaces de oxidar compuestos de azufre reducido.

MATERIAL GENÉTICO

El ADN bacteriano es una única molécula de ADN circular y bicatenario (dos cadenas) que no presenta histonas ni envuelta nuclear. El sitio donde se sitúa se denomina nucleoide.

Aunque el ADN bacteriano posee todos los genes necesarios para el crecimiento y la reproducción de la célula, la mayoría de bacterias presentan pequeñas moléculas de ADN circular y bicatenario, denominadas plásmidos. Estos plásmidos se replican de manera independiente del cromosoma bacteriano y se reparten aleatoriamente en la división celular.

Los plásmidos suelen contener genes que confieren resistencia frente a los antibióticos.

FLAGELOS

Son largas extensiones que permiten el movimiento.

Son diferentes a los de las células eucariotas, que están formados por microtúbulos; los flagelos bacterianos se encuentran anclados a la membrana plasmática y a la pared bacteriana (mediante anillos) y el filamento está formado por una proteína denominada flagelina.

Aparecen en número y disposición variables.

FIMBRIAS Y PILISon prolongaciones tubulares que aparecen en la superficie de algunas bacterias Gram negativas, pero que no tienen función de movilidad.

Las fimbrias son cortas y numerosas, y facilitan la fijación de la bacteria a determinadas superficies.

Los pili, aunque son similares a las fimbrias, suelen ser más largos y menos numerosos; participan en el intercambio de material genético durante la conjugación bacteriana.

Fisiología de las bacteriasLas bacterias, como los demás seres vivos, llevan a cabo funciones de nutrición, relación y reproducción.

Nutrición bacteriana

Por ser un grupo muy heterogéneo, las bacterias podrán llevar a cabo todas las formas de metabolismo existentes. Algunas incluso poseen dos tipos de metabolismo, que utilizan facultativamente según las circunstancias.

Las bacterias pueden ser:

Fotoautótrofas: como las cianobacterias y bacterias verdes y purpúreas sulfúreas.

Fotoheterótrofos: como las bacterias verdes y purpúreas no sulfúreas, que requieren energía luminosa pero también moléculas orgánicas como fuente de carbono.

Quimioautótrofas: como las bacterias nitrificantes.

Quimioheterótrofas: como las que se alimentan de materia orgánica muerta, que son la mayoría de las bacterias.

Relación bacteriana

Las bacterias responden a un número elevado de estímulos ambientales, mediante modificaciones de su actividad metabólica o de su comportamiento. Así como presentar movimientos de acercamiento o distanciamiento a determinados estímulos.

Ciertas clases, como bacterias de los géneros Bacillus y Clostridium, producen endosporas, que son formas de resistencia que soportan condiciones ambientales adversas (altas temperaturas, radiaciones, desecación, etc.). Están formadas por una cubierta muy gruesa que les permite resistir mucho tiempo, hasta que las condiciones ambientales vuelvan a ser favorables y germinen originando un nueva bacteria.

Reproducción bacteriana

Las bacterias se pueden dividir asexualmente mediante bipartición.

Las bacterias también pueden intercambiar información genética mediante una serie de mecanismos parasexuales como:

- Conjugación: una bacteria donadora (F+ o Hfr) transmite un fragmento de ADN a otra bacteria receptora (F-), a través de pili.

- Transformación: una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN procedentes de otra bacteria, que se encuentran libres en el medio.

- Transducción: cuando un virus bacteriófago, al infectar a una bacteria, introduce fragmentos de ADN procedente de otra bacteria, previamente parasitada.

PROTOCTISTASEn este reino se incluyen las algas (autótrofos) y los protozoos (heterótrofos).

Las algas (microscópicas) son los productores de los ecosistemas acuáticos, ya que constituyen el fitoplancton.

Los protozoos pueden ser tanto de vida libre como parásitos. Se clasifican en función de su movimiento:

- Rizópodos o sarcodinos: se mueven mediante pseudópodos. A este grupo pertenecen las amebas. Entamoeba histolytica, es una ameba parásita que causa la disentería amebiana.

- Flagelados: presentan flagelos. Flagelados del género Trypanosoma originan la enfermedad del sueño.

- Ciliados: poseen cilios que permiten su movimiento. Como el caso del paramecio.

- Esporozoos: son inmóviles y parásitos. La malaria es causada por un esporozoo del género Plasmodium.

RIZÓPODOS(Entamoeba)

FLAGELADOS(Trypanosoma)

CILIADOS(Paramecium)

ESPOROZOOS(Plasmodium)

HONGOSSon organismos heterótrofos, que viven en ambientes húmedos.

La mayoría de ellos son saprófitos (se alimentan de organismos muertos), y contribuyen a la descomposición de la materia orgánica(junto con las bacterias); otros son parásitos y originan enfermedades; y otros pueden originar asociaciones simbióticas, como es el caso de los líquenes (hongo-alga).

Por su importancia en el campo de la microbiología, citaremos los siguientes grupos:

- Levaduras: son hongos unicelulares que intervienen en los procesos de fermentación, a partir de los cuales se obtienen productos como el pan, el vino, el vinagre y la cerveza. Como Saccharomyces cerevisiae.

- Mohos: son hongos filamentosos que intervienen en la descomposición de los alimentos, como el moho del pan (Rhizopus), otros se emplean para la obtención de antibióticos como es el caso de Penicillium, productor de la penicilina.

LEVADURAS(Saccharomyces cerevisiae)

MOHOS(Rhizopus)

(Penicillium notatum)

VIRUSLos virus son parásitos intracelulares obligados.

No se consideran seres vivos ya que no realizan las funciones vitales de nutrición, ni relación y la reproducción la llevan a cabo utilizando la maquinaria de la célula que parasitan.

Presentan tamaños muy pequeños comprendidos entre 0,05 y 0,2 mm de diámetro, por lo que no pudieron observarse, hasta la aparición del microscopio electrónico (principios s. XX).

En función del hospedador que parasitan, los virus se clasifican en tres grandes grupos: virus bacteriófagos o fagos (parasitan a células procariotas), virus vegetales y virus animales.

Los virus están constituidos por:

- Un ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN, pero nunca ambos. De cadena simple o compuesta.

- Una cápsida, que es una estructura proteica que recubre el ácido nucleico del virus. Esta estructura está constituida por unidades más pequeñas llamas capsómeros. En función de cómo sea la simetría de la cápsida nos encontramos con distintos tipos de virus:

• Virus de simetría helicoidal: son virus alargados con forma de varilla, en los que los capsómeros se disponen helicoidalmente alrededor del ácido nucleico. Un ejemplo es el virus del mosaico del tabaco.

• Virus de simetría icosaédrica: poseen una estructura poliédrica. Dentro de este grupo se encuentra el virus de la hepatitis A.

• Virus de estructura compleja: son los bacteriófagos que presentan una cabeza icosaédrica, que contiene el ácido nucleico, y una cola helicoidal con función de anclaje.

- Una envoltura, que es una membrana que rodea la cápsida. No está presente en todos los virus y procede de la membrana de la célula a la que parasita el virus cuando sale. Esta envoltura es una bicapa lipídica donde se insertan glucoproteínas víricas. Estas glucoproteínas sirven para reconocer y unirse a la célula huésped.

El mecanismo de infección de los virus puede ser de dos maneras:

- Ciclo lítico: el virus destruye (lisa) la célula hospedadora. El proceso se desarrolla en cinco pasos:

1. Fijación o adsorción: el virus se ancla a la célula hospedadora.

2. Penetración: se produce la inyección del ácido nucleico vírico al interior celular.

3. Replicación y síntesis: el ácido nucleico altera el metabolismo normal de la célula, modificándolo para la fabricación de componentes víricos.

4. Ensamblaje: una vez formadas las estructuras del virus, estas se reúnen y se ensamblan formando nuevos virus.

5. Liberación: los virus se liberan, rompiendo la membrana plasmática, pudiendo infectar nuevas células.

- Ciclo lisogénico: el virus inserta su ácido nucleico en el de la célula hospedadora, sin destruirla. Cada vez que la célula duplica su ADN, el ADN vírico será replicado y transmitido a la nueva célula. Hasta que algún desencadenante externo (rayos X o radiación ultravioleta) origine la separación del ADN vírico del ADN celular, iniciando un ciclo lítico. A veces esto ocurre de manera espontánea.

- A estos virus se les denomina profagos y a célula receptora, célula lisogénica.

VIROIDES Y PRIONESLos viroides son partículas infecciosas que carecen de cubierta proteica y que consisten en cadenas cortas y circulares de ARN. Son parásitos exclusivos de las plantas.

Los priones son partículas infecciosas proteicas, situadas en las membranas neuronales. Son la causa de enfermedades como el síndrome de Creutzfeldt-Jakob, la encefalitis esponjiformebovina (“mal de las vacas locas”) y la tembladera o scrapie de las ovejas.

Fueron descubiertos en 1982 por el Premio Nobel, Stanley Prusiner, quien dedujo que los priones son formas mal plegadas de proteínas normales, capaces de inducir plegamientos erróneos en otras proteínas.

IMPORTANCIA DE LOS MICROORGANISMOS

Los microorganismos son los seres más simples que encontramos en la naturaleza, están presentes en prácticamente todos los hábitats naturales siendo imprescindibles a nivel ecológico, puesto que intervienen en los ciclos biogeoquímicos.

Además de provocar enfermedades en plantas, animales y el ser humano, son empleados por el hombre en procesos como:

- En la producción de alimentos (pan, cerveza, vino, yogur…).

- En el tratamiento de aguas residuales.

- Extracción de metales en yacimientos con baja concentración (biominería).

- En ingeniería genética se utilizan como vectores en la obtención de animales y plantas transgénicos, el empleo de estos ha permitido la obtención de sustancias de interés sanitario (antibióticos, insulina, hormona de crecimiento...),así como la eliminación de sustancias contaminantes (biorremediación).

Importancia de los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos representan las transformaciones que experimentan los elementos químicos debidas a la actividad biológica y al intercambio entre los componentes bióticos y abióticos del ecosistema. En todos estos ciclos intervienen los microorganismos.

CICLO DEL CARBONO

Los principales microorganismos implicados son las bacterias fotosintéticas y las algas microscópicas que utilizan el CO2

atmosférico e incorporan el carbono a sus moléculas orgánicas.

Los microorganismos descomponedores liberan CO2 a la atmósfera, procedente de la materia orgánica.

También, las arqueas metanógenas descomponen la materia orgánica y producen metano (CH4), y las bacterias oxidantes del metano devuelven el CO2 a la atmósfera, al igual que todos los microorganismos al realizar la respiración o la fermentación.

CICLO DEL NITRÓGENO

Es el ciclo donde la implicación de microorganismos es mayor, puestos que estos intervienen en casi todos las etapas, como:

• Fijación del nitrógeno atmosférico, bacterias de los géneros Azotobacter y Rhizobium forman amoniaco a partir de nitrógeno atmosférico. Algunas cianobacterias (Anabaena y Nostoc) también pueden fijar nitrógeno.

• Amonificación, las bacterias descomponedoras degradan la materia orgánica muerta y producen amoniaco (NH3).

• Nitrificación, las bacterias nitrificantes del género Nitrosomonas transforman el amoniaco en nitrito (NO-

2) y las bacterias nitrificantes del género Nitrobacter, transforman el nitrito en nitrato (NO-

3).

• Desnitrificación, las baterías desnitrificantes como Pseudomonas, degradan los nitratos y producen N2 que se incorpora de nuevo a la atmósfera.

Microorganismos causantes de enfermedades

Microorganismos beneficiosos

Aunque algunos microorganismos ocasionan enfermedades, la mayoría de ellos nos aportan beneficios como la microbiotahumana, que constituye todos los microorganismos que habitan en nuestra piel y mucosas (cavidad oral, tractos respiratorios, intestinal y genitourinario). Estos microorganismos además de aportarnos beneficios, como favorecer la digestión de ciertas sustancias y la producción de vitaminas, evitan que nos colonicen microorganismos patógenos, ya que van a competir con ellos por los recursos. Este es el caso de Escherichia coli, que es una enterobacteria que constituye la flora intestinal, facilitando la digestión de los ácidos biliares.

Otras bacterias enriquecen los suelos con nitrógeno, como es el caso de Rhizibium. Esta bacteria puede formar asociaciones simbióticas con plantas leguminosas, aumentando así los nutrientes y la fertilidad del suelo.

Los microorganismos participan en la elaboración de alimentos, como es el caso de las bacterias del ácido láctico (Lactobacillus) que fermentan la leche y producen yogur, kéfir, queso…Las levaduras (Saccharomyces) se emplean para la elaboración de vino y cerveza, así como en la fabricación del pan. Las bacterias acéticas (de los géneros Acetobacter y Gluconobacter) originan vinagre, mediante un proceso respiratorio en donde partiendo de etanol se obtiene ácido acético y agua.

CH3-CH2OH + O2 CH3-COOH + H2O

Etanol Ácido acético

Los hongos se emplean en la producción de antibióticos, como el hongo Penicillium que origina la penicilina y el hongos Streptomyces que sintetiza la estreptomicina.

Bacterias como Bacillus thuringiensis actúan de insecticidas biológicos, ya que produce una proteína (no tóxica para los seres humanos) que mata a los insectos de forma natural. Cuando las larvas de los insectos ingieren las bacterias o sus esporas (que se encuentran en el suelo o sobre las plantas), tiene lugar un doble efecto: la proteína se degrada en el intestino, y los productos resultantes atacan la pared intestinal y las esporas de la bacteria, germinan e invaden otros tejidos del insecto. Las esporas de Bacillus thuringiensisse comercializan como insecticida biológico y se pulverizan sobra las hojas de las plantas.

Bacterias del género Pseudomonas modificadas genéticamente se emplean en la biorremediación de vertidos de petróleo al mar, ya es capaz de degradar de manera rápida y eficaz los hidrocarburos.

Los organismos descomponedores (bacterias, hongos y protozoos) intervienen en la eliminación tanto de residuos sólidos como en la depuración de aguas residuales.

E incluso se emplean microorganismos en la extracción de ciertos metales (biominería). Cuando en las zonas minera hay menas metálicas secundarias con baja concentración de metal, como cobre o hierro, se emplean bacterias como Thiobacillus ferrooxidans, que provocan la solubilización de estos metales y permiten su obtención a bajo coste, mediante una precipitación posterior.