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Tema 18: MICROBIOLOGÍA I: LA DIVERSIDAD DE LOS
MICROORGANISMOS
Los microorganismos comprenden todos los seres vivos que, debido a su reducido tamaño pasan inadvertidos al ojo humano, siendo preciso el uso del microscopio óptico o, en algunos casos, del microscopio electrónico para poder observarlos. Los microorganismos son seres de gran sencillez estructural y organizativa, pero con estrategias vitales muy diferentes; la gran mayoría son unicelulares, bien procariotas o eucariotas, aunque una parte significativa tienen organización subcelular o acelular y unos pocos forman colonias o son verdaderos organismos pluricelulares. La microbiología es el área de las ciencias biológicas que se ocupa del estudio de los microorganismos. Surge cuando Leewenhoek (s. XVII) realizó las primeras observaciones de microorganismos con los microscopios que él mismo había construido. Aunque una gran parte del desarrollo de la microbiología actual se debe a sus aplicaciones prácticas en la medicina y en la industria de los alimentos, muchos investigadores han enfocado su atención sobre microorganismos, poniendo de manifiesto su amplia difusión en los ecosistemas terrestres, su importancia en el equilibrio de los ciclos biogeoquímicos y su gran diversidad bioquímica y metabólica. Por otra parte, dada la facilidad con que se pueden cultivar y manipular, y su relativa simplicidad, desde la segundad mitad del s. XX se han utilizado los microorganismos ampliamente, en particular virus, levaduras y bacterias, en investigación básica, destinada a comprender el desarrollo, la fisiología, la genética y la bioquímica de los seres vivos. Los microorganismos comparten: Rápido intercambio de sustancias con el medio externo. Metabolismo muy activo, al ser muy pequeños los compartimentos y estructuras celulares están muy próximas entre sí. Debido a su elevada tasa metabólica, la velocidad de reproducción es muy rápida.
1. CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS.
El término microorganismo no tiene ningún significado filogenético, los seres vivos microscópicos se encuentran repartidos entre los tres dominios ( Woese separó el reino Monera ) y además incluye formas acelulares.
Microorganismos acelulares: macromoléculas o asociaciones moleculares que se valen de las células a las que invaden para hacer copias de si mismas. Incluye: o Virus o Priones o Viroides Microorganismos celulares o Procariotas: todos unicelulares Arquobacterias ( dominio Archaea ): pared de pseudomureina y formas de nutrición muy variadas; adaptados a ambientes de características extremas ( Thermus aquaticus , cuya ADNpol se utiliza para hacer copias de ADN, , “ PCR ”). Eubacterias ( Dominio Bacteria ): pared de mureina, incluye varias ramas evolutivas, con gran capacidad adaptativa y variados grados de especialización. Incluye diversos grupos de bacterias , cianobacterias y micoplasmas ( sin pared celular ) o Eucariotas ( Dominio Eukaria) encontramos microbios en el reino Protista, y en el reino Hongos : El reino Protista incluye varios tipos de microorganismos eucariotas unicelulares o pluricelulares sencillos, con y sin pared y de nutrición variada, que tradicionalmente se han dividido en: algas solo las algas unicelulares, por ej. diatomeas. protozoos, todos ellos,por ej. Plasmodium falciparium (parasito intracelular que produce la malaria), mohos mucilaginosos y acuáticos, todos son microbios, por ej. Plasmopara vitícola (el mildiu de la vid). En el reino Fungi se encuentran algunos hongos microscópicos, que son eucariotas unicelulares o pluricelulares sencillos, heterótrofos con pared de quitina, como: mohos por ej. Mucor (el moho blanco del pan) levaduras como Saccharomyces cerevisiae (la levadura de la cerveza) royas y tizones como Ustilago zeae (Tizón del maíz).
De forma consensuada se admite que los virus están en la frontera de la vida. Lo que es obvio es que lejos de ser formas primitivas, los virus son un producto bastante sofisticado de la evolución biológica, en la medida en que manipulan la materia y la energía del entorno con gran eficacia y economía en su propio beneficio. Cuando se oye hablar de virus enseguida se asocia a enfermedad, Medawar ( premio nobel ) los definió como un fragmento de malas noticias envuelto en una proteína , sabemos que hay más de 400 tipos de virus que parasitan humanos, ganado y plantas de cultivo. La gripe de 1918 fue una pandemia que ocasiono la muerte de unos 30 millones de personas, el SIDA ha dejado ya 39 millones de muertes. Covid 19: más de 130 millones de casos y casi 3 millones de fallecidos en un poco más de un año desde que se declaró la pandemia. Sorprendentemente, a pesar de su mala fama, los virus resultan más beneficiosos que perjudiciales. En primer lugar hay que considerar que probablemente han desempeñado un papel muy importante en el proceso de evolución de las especies tanto de animales como de vegetales, incluida la humana. Se encargan de transferir constantemente información genética entre miembros de la misma especie e incluso entre distintas especies. Y por tanto son agentes muy activos en la adaptación y plasticidad de los sistemas biológicos con lo que cohabitan, como son tan pequeños no se les ve, pero mueven hilos invisibles en el proceso de la evolución. En segundo lugar, aprovechando su capacidad invasora, se están utilizando en la actualidad en ingeniería genética como vectores que llevan el material necesario para el tratamiento de enfermedades a varias células de destino, por ej., en casos de enfermedades hereditarias y en cánceres, para destrucción de bacterias patógenas, para modificar genomas de plantas y animales, etc. Finalmente, los virus ofrecen la ventaja de ser sistemas simples que pueden utilizarse para manipular e investigar las funciones de las células, por eso constituyen un material idóneo en estudios de biología molecular y celular.
2.2.ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN El virión está constituido por: Un fragmento de ácido nucleico encerrado en una cubierta proteica o cápsida. Pueden tener una envoltura membranosa lipídica procedente de la célula hospedadora, solo presente en algunos virus. El genoma vírico consiste en una molécula de ácido nucleico, ADN o ARN, pero nunca los dos a la vez. Hay genomas víricos de todos los tipos excepto de ARN circular; pueden ser de doble cadena, bicatenario, o de cadena sencilla, monocatenario, y en el caso del ADN puede ser lineal o circular, el ARN es siempre lineal. Debido a su pequeño tamaño, evidentemente contienen muy pocos genes, codifican entre 3 y 200 proteínas (enzimas implicadas en su replicación, en la
maduración de las partículas virales, proteínas implicadas en la lisis de la célula hospedadora, proteínas estructurales de la cápsida ). Cápsida: Es la estructura proteica que rodea al ácido nucleico. Función: aloja y protege al ácido nucleico y participa en el reconocimiento de los lugares de unión de la célula huésped ( excepto en los que tienen envoltura membranosa, que se encarga del reconocimiento ) Constituida por capsómeros, que se disponen de forma regular, dando lugar a diferentes tipos de cápsidas. Cada capsómero puede estar formado por una o más subunidades proteicas, protómeros. Su número es constante para cada virus.
Algunos virus pueden poseer elementos adicionales tales como una envoltura o algunos enzimas. Envoltura = membrana (bicapa lipídica) que rodea a algunos virus y que está implicada en el reconocimiento virus-célula. Puede presentar proteínas insertadas (generalmente glucoproteínas) que pueden actuar como antígenos o sirven para reconocimiento y anclaje a la célula que tiene que infectar. Procede de las membranas de las células que parasitan. La envoltura es frecuente en virus que parasitan a animales, y menos entre los que parasitan vegetales. Virus de la gripe, VIH, herpes, sarampión. Enzimas. Los retrovirus, por ejemplo, poseen la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa. La capacidad de infección de los virus se debe en parte a su bajo nivel de complejidad, por lo que pequeños cambios en su información genética ocasionan grandes cambios en su estructura y funcionamiento general, lo que les permite evadir la respuesta inmunológica humana y atacar de nuevo con renovada virulencia. Un caso típico es el virus de la gripe que
Virus de simetría helicoidal Estructura cilíndrica. Virus de la rabia y el virus del mosaico del tabaco. Virus de simetría icosaédrica (virus esféricos o poliédricos ) Los capsómeros se empaquetan con una simetría icosaédrica. Ejemplo es el virus de la polio y los de la hepatitis. Virus complejos o bacteriófagos o fagos.
2.4. CICLO DE MULTIPLICACIÓN VÍRICA
Los viriones no realizan ninguna actividad fisiológica, por lo que no requieren sintetizar proteínas ni utilizan energía; son inertes. El ácido nucleico se replica a expensas de la maquinaria y la energía de la célula infectada. Existen dos sistemas de replicación de virus, el ciclo lítico y el ciclo lisogénico. Los explicamos referidos a la que se da en virus bacteriófagos.
2.4.1. CICLO LÍTICO ( virus virulentos ): la célula infectada muere El ciclo vírico es el ciclo vital o ciclo infeccioso de un virus, consta del conjunto de acontecimientos que tienen lugar desde que se incorpora el virus a una célula hasta la salida de la célula de los nuevos virus formados. Por tanto, su finalidad es la multiplicación del virus. El ciclo vital se ha estudiado principalmente en los bacteriófagos (o fagos), que parasitan a las bacterias. Aunque los detalles de cada etapa del virus difieren mucho de unos tipos de virus a otros, en general consiste en la entrada en el citoplasma de la célula huésped, seguida de reproducción de las partículas víricas (viriones), gracias a la maquinaria celular y la salida de los virus al exterior de la célula infectada. El ciclo se suele dividir en las siguientes fases o etapas: -Adsorción o fijación : el virus se fija a la célula hospedadora de forma estable. Unión específica entre proteínas específicas de la cápside o de la envoltura , capaces de reconocer receptores
Se distinguen: una cabeza poliédrica, que contiene el ácido nucleico; un cuello; una cola, compuesta por un eje tubular proteico rodeado por una vaina contráctil; y una placa basal con espinas basales y filamentos caudales que sirven al virus para adherirse a la pared de la célula huésped. Estructura característica de algunos virus bacteriófagos (T2, fx174).
glucoproteícos de la membrana de la célula. Por eso los virus son específicos de cada tipo de células, por ejemplo, el de la polio ataca a neuronas, el del sida a ciertos linfocitos, el de la hepatitis a las células hepáticas del hígado, etc.
- Penetración del ácido nucleico viral. Una posibilidad es que penetre todo el virus en el citoplasma celular o que inyecte sólo su ácido nucleico y algunas proteínas acompañantes. En el caso de virus con envoltura suelen fusionar su envoltura con la membrana plasmática de la célula y entra la cápside completa. -Eclipse y replicación: aparentemente el virus desaparece y difícilmente puede ser observado al microscopio, ya no tiene ni cápside ni envueltas; se debe a que el material genético se ha integrado en el metabolismo de la célula y ha comenzado a utilizar la maquinaria de la célula huésped para hacer copias de su genoma y dirigir la síntesis de proteínas víricas -Maduración y ensamblaje: Una vez fabricadas las copias del ácido nucleico del virus, se sintetizan cada uno de sus componentes separado. Los virus son muy sencillos y las estructuras que lo componen se auto-ensamblan con rapidez ( se unen capsómeros, se forma la cápsida y el ácido nucleico viral se empaqueta dentro, junto a las enzimas que pueda llevar el virus.) - Liberación : lisis o ruptura que conlleva la muerte celular. Los viriones salen de la célula, mediante la rotura enzimática de la pared bacteriana ( endolisisa, enzima que induce la lissi bacteriana ). Los nuevos virus pueden infectar una nueva célula.
2.4.2. CICLO LISOGÉNICO Las dos primeras fases de este ciclo son iguales a las descritas en el ciclo anterior. La fase de eclipse es más larga; el ácido nucleico viral se integra en el material genético celular y permanece así en estado de profago, replicándose con él cada vez que la célula se divide, pero sin generar nuevos virus, en estado latente. Cuando están en estado latente, sin que se expresen sus genes se les denomina virus atenuados, atemperados o profagos. De esta forma todas las células hijas nuevas también estarán infectadas. El ciclo lisogénico se mantiene hasta que se produzca un estímulo externo que haga que el profago se convierta de nuevo en un virus activo, y revierte al ciclo lítico. Mientras la célula está infectada, y contenga el ADN del profago, está inmunizada frente a infecciones de otros virus del mismo tipo.
receptoras llamados CD4 que son reconocidas por la proteína gp120 de la envuelta del virus. Una vez que se unen, al producirse la fusión de la membrana de la célula con la envuelta del virus, se libera el contenido del virus en el citoplasma. El virus contiene dos copias de ARN monocatenario y dos enzimas -la transcriptasa inversa y la integrasa-. El ARN vírico con ayuda de la transcriptasa inversa produce copias de ADN, y este ADN vírico emigra al núcleo y se integra con el ADN celular gracias a la integrasa. Allí puede permanecer en estado de latencia como provirus, de modo que cuando la célula se divide también replica el ADN vírico, y va pasando el profago a las células hijas. Como se comentó antes, en un momento dado el ciclo lisogénico se detiene y el ADN vírico se transcribe formando el ARN vírico que se traduce para originar las proteínas estructurales y enzimáticas del virus. Tras el ensamblaje se liberan los viriones por gemación, pues un fragmento de la membrana celular pasara a formar la envuelta del virus.
2.5. ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS VIRUS Dada la ausencia de registros fósiles se desconoce el origen y evolución de los virus. Existen dos hipótesis:
- Algunos , podrían derivar de células procariotas parásitas de otras mayores que con el tiempo se fueron simplificando y haciendo más dependientes (evolución retrógrada).
- Los virus podrían ser fragmentos génicos de las células hospedadoras que, durante la evolución, alcanzaron independencia replicativa de la célula inicial y posteriormente se asociaron a proteínas y pudieron desarrollar un estadio extracelular. No podemos olvidar, por último, la aparición de virus nuevos, algunos de ellos originados por cambios genéticos o por la transferencia a otros hospedadores ( ejemplo: virus del SIDA que parece que procede de un retrovirus que infecta a los chimpancés, coronaviurs????) Debido a la gran variedad de virus que existe es posible que presenten distintos orígenes.
3.OTRAS FORMAS ACELULARES.
3.1.VIROIDES.
- Son los agentes infecciosos más pequeños que se conocen hasta el momento. (su tamaño es una milésima parte del de los virus más pequeños) -Están formados por fragmentos de ARN monocatenario constituido por unos pocos cientos de nucleótidos y con varios bucles por apareamiento de bases complementarias.
- Carecen de cápsida.
- Sólo han sido detectados en plantas, donde provocan enfermedades como el atrofiamiento del tomate, o el tubérculo fusiforme de la patata.
- No existen ninguna evidencia de que los viroides son traducidos a proteínas, ni se conoce cómo causan las enfermedades. Lo que sí se sabe es que son replicados por los enzimas del huésped.
- Algunas semejanzas entre la secuencia de nucleótidos de los viroides y ciertas secuencias del genoma de las plantas no traducidas (intrones) sugieren que los viroides evolucionaron a partir de los intrones 3.3. PRIONES Los priones son partículas infecciosas proteicas Se asocian a enfermedades degenerativas, de desarrollo lento , del sistema nervioso central del ser humano y de los animales. Las encefalopatías espongiformes transmisibles (TSEs) son enfermedades cerebrales degenerativas que ocurren en muchos mamíferos, incluido el hombre. En estas enfermedades, se desarrollan progresivamente cavidades que hacen que adquiera el aspecto de una esponja. Las más conocidas son el prurito lumbar ( scrapie ) o tembladera ovina y la encefalopatía espongiforme bovina o enfermedad de las vacas locas, y en humanos la enfermedad de Creutzfeldt- Jacob. Los priones son una forma modificada de una proteína natural existente en el organismo, con la misma secuencia de aminoácidos pero diferente estructura secundaria y terciaria. Esta proteína modifica se conoce como proteína del prion ( Prp ) Al entrar en contacto con las proteínas originales provoca un cambio conformacional que la transforma en priones. Una sola molécula de prión puede inducir la transformación de muchas moléculas originales, que a su vez adquieren capacidad transformadora, produciendo un efecto cascada.
Priones a) forma normal y b) forma infecciosa. Fuente: http://academic.pgcc.edu/~kroberts/Lecture/Chapter %2013/prions. html from Pearson Educ.
