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Microbiología es el compendio de tres términos: micros : microscópico, bios : vida y logos: ciencia. Se trata de la ciencia que estudia todos los seres vivos microscópicos. Un ser vivo microscópico es una forma de vida tan pequeña que no puede ser percibida por el ojo humano. Un ojo humano estándar no es capaz de percibir nada que sea más pequeño a 0,1 mm. Todos los seres vivos ≤ 0,1 mm entran en el estudio de la microbiología. La microbiología estudia la composición, estructura, bioquímica, fisiología y en especial la importancia y aplicación de los microorganismos Los microorganismos que vamos a estudiar pertenecen a 2 tipos fundamentales, los cuales presentan organización celular: -Procariotas: en donde encontramos dos grupos: bacterias y arqueas -Eucariotas: algas, hongos y protozoos Además de estos dos grupos de microorganismos, encontramos un tercer grupo de microorganismos, los cuales no presentan organización celular. Se trata de los virus. Los virus no son células, se consideran entes particulados que están en una categoría aparte. Son todos parásitos intracelulares obligados, es decir, que necesitan de una célula para poder desarrollarse.
Historia de la microbiología : Desde el origen del hombre la microbiología no ha existido prácticamente ; las enfermedades causadas por virus o bacterias se pensaban que tenían un origen divino o sobrenatural. En esta época se empezaron a construir algunos conceptos microbiológicos como , por ejemplo, las observaciones de cuando las personas padecían una enfermedad ya no la volvían a padecer. En el siglo XVII Van Leeuwenhoek se considera el primer padre de la microbiología por ser el inventor del microscopio. Leeuwenhoek era sastre , y tenía el hobbie de pulir lentes sin aferraciones cromáticas, es decir, sin defectos de color, y así con estas lentes descubrió lo que el llamó “ animáculos”.
La microbiología apareció con el primer microscopio, pero no se desarrollaría hasta el siglo XIX gracias a la respuesta de muchas preguntas.
-La controversia de la generación espontánea : Los abióticos pensaban que a vida podía surgir a partir de materia orgánica inerte o muerta (por ejemplo, carne en descomposición=larvas y moscas), mientras que los bióticos decían que la vida sólo puede surgir de otra vida anterior. Spallanzani tomó dos muestras de materia orgánica en descomposición. Una muestra la hirvió y la otra la dejó intacta. Observó que la muestra intacta se contaminó mientras que la muestra hervida no. Los partidarios abióticos alegaron que al hervir la carne en descomposición se destruía la “fuerza vital” de ésta. Appert desarrolló una técnica basada en el tratamiento y conservación de alimentos tratados previamente mediante calor ( appertización) Louis Pasteur a través de un sencillo experimento logró rebatir la teoría de la generación espontánea. Lo consiguió mediante matraces con cuello de cisne en forma de “S” muy largos y que contenían un caldo nutritivo de carne. Hizo hervir los matraces para poder eliminar los posibles microorganismos presentes en el caldo. Pasado un tiempo observó que ninguno de los caldos presentaba señal alguna de la presencia de algún microorganismo y cortó el tubo de uno de los matraces. El matraz abierto tardó poco en descomponerse, mientras que el cerrado permaneció en su estado inicial. A partir de estos experimentos elaboró dos ideas: -1ª idea: Lo que Pasteur demostró es que en las condiciones actuales de la Tierra, la generación espontánea es imposible , aunque dice que en la antigua atmósfera, reductora, se admite que la vida debió surgir espontáneamente.
-2ª idea: Demostró que el calor es el tratamiento más eficaz para eliminar microorganismos( pasteurización)
En sus experimentos usó como medios nutritivos sustratos más o menos esterilizados donde la ebullición eliminaba microorganismos. John Tyndall se dio cuenta de que el heno estaba contaminado por microorganismos resistentes al calor. Cohn y Koch demostraron que estos microorganismos eran estructuras pequeñas y refringentes que resisten a la ebullición ( endosporas).
Microorganismos y fermentaciones: Hacia 1830 Berzelius propuso que las transformaciones de la materia eran químicas. Pasteur dijo que estas transformaciones eran un proceso dependiente de las actividades de los seres vivos. Pasteur descubrió la vida anaerobia: microorganismos que viven en ausencia de oxígeno. El dijo que cada tipo de fermentación es específica de un microorganismo. En 1897 los hermanos Büchner tomaron un extracto de levaduras libre de células, observaron que al añadirle azúcar podía fermentar. Las transformaciones de materia orgánica son llevadas a cabo por reacciones químicas catalizadas por enzimas. Los microorganismos si plemente son portadores de las enzimas. Se habla de putrefacción a la transformación de materia orgánica ( o fermentación) rica en proteínas.
Teoría microbiana de las enfermedades infecciosas: En 1830 Bassi demostró que un hongo microscópico producía la enfermedad del gusano de seda. En 1845 se produjo la famosa “ hambruna de la patata” en Irlanda causada por un hongo que producía el tizón tardío de la patata. A finales del siglo XVIII Jenner había desarrollado las primeras prácticas de vacunación. Jenner observó que los ordeñadores de vacas no padecían la viruela, pero que sí tenían pústulas de la viruela resultado de que la habían pasado. Con estas pústulas “fabricó” las vacunas. Semmelneiss demostró que la mayor parte de las infecciones y los fallos llamados pnerperales se debían a médicos que no seguían una limpieza sanitaria. Pasteur identificó varios microorganismos que producían enfermedades en Francia. Desarrolló una serie de vacunas contra la rabia y el cólera aviar. Lister introdujo los primeras desinfectantes en cirugía. Introdujo un desinfectante llamado ácido carbólico que corresponde con el fenol. La figura clave de este momento fue también Robert Köch , el cual desarrolló una serie de colorantes para teñir los microorganismos. Desarrolló los primeros agentes solidificantes que permitían cultivar a los microorganismos en medios sólidos y utilizó agar como agente cementante que tiene la capacidad de licuar por encima de 50ºC y por debajo se vuelve sólido. Un cultivo puro ( o cultivo axénico) es aquel que solo tiene una única especie microbiana. Koch demostró que existe una reacción causal entre microorganismos y enfermedades, es lo que se resume en los llamados postulados de Koch : -Postulado 1: El microorganismo patógeno debe estar siempre presente en todos lo casos de enfermedad y ausente en animales sanos. -Postulado 2: El microorganismo debe poder ser aislado del hospedador enfermo y crecido en cultivo puro. -Postulado 3: La re inoculación del cultivo puro microbiano en animales sanos susceptibles ha de provocar la aparición del cuadro de síntomas específicos de la enfermedad.
En los microorganismos se demostró una serie de atributos funcionales comunes o compartidos por todos los seres vivos : Nutrición, es decir, tenemos la capacidad de captar sustancias del medio ambiente y transformarlas químicamente para obtener energía y sintetizar nuestras propias macromoléculas, y al mismo tiempo liberar los productos de desecho de esa transformación ( metabolismo). Autoreplicación: todo ser vivo puede generar una copia “exacta” de sí mismo. Diferenciación : los organismos pluricelulares tienen la capacidad de diferenciar sus células. Una parte de su contenido celular lo especifican. En los microorganismos la diferenciación o es muy elemental o no existe. Comunicación : Implica que los microorganismos respondan a señales químicas del medio, la respuesta suele provocar procesos de reprogramación genética. En el caso de los microorganismos las señales son de tipo ambiental o nutricional.
Modelos de organización celular Existen dos criterios principales:
-Atendiendo al número de células: Se habla de unicelulares cuando el organismo lo compone una sola célula, dado el tamaño de las células son estudiados por la microbiología. Pueden ser procariotas o eucariotas. Los pluricelulares , en el estadio adulto, el individuo está compuesto por más de una célula. Los pluricelulares microscópicos no tienen difernciación. -Organización celular : la distinción entre procariotas y eucariotas se puede hacer a distintos individuos:
El primer aspecto a considerar de una célula procariota es el tamaño. El tamaño se calcula con un ocular que tiene una regla donde las células encajan. El tamaño es específico para cada microorganismo y tiene interés taxonómico. Suelen tener un tamaño de 0,1/0,2-10 um ( Escherichia Coli tiene un tamaño aproximado de 0,5-1 um de ancho X 3-5 um de longitud) Hay células bacterianas con un tamaño inferior a una micra ( Bdellovibrio ) y otras como Oscillatoria que pueden medir hasta 50 um. Otra bacteria Epulopiscium puede llegar a medir 600 um y por lo tanto es una bacteria visible a simple vista. En las células esféricas la única dimensión que medimos es el diámetro. El tamaño es importante ya que existe una demostración matemática por la que los organismos más pequeños tienen un metabolismo mayor. Ventajas del tamaño pequeño: -Un tamaño pequeño permite que la relación de la superficie de la célula respecto al volumen interno es muy grande y eso favorece a que el intercambio de nutrientes sea muy eficaz. -Velocidad o tasa de crecimiento: cuanto más pequeña sea una célula contendrá menos estructuras internas y su tasa de división será más rápida.
La forma o morfología. Existen tres patrones básicos de morfología: Las células totalmente esféricas se denominan cocos. Las células con una disposición alargada o de bastón se denominan bacilos , y las bacterias con una morfología en espiral, espirilos. La morfología correspondiente a la unión de muchos bacilos se denomina espiroquetes. Algunos tienen apéndices muy largos llamadas bacterias pedunculadas. Algunos microorganismos ( del suelo sobre todo) tienen una disposición miceliar : actinomicetos. En el caso de las células cocales, una célula se divide en un solo plano y la célula hija se queda acoplada a la madre, si esto se repite, tenemos un conjunto de células unidas como una cadena( “estrepto”), define al género Streptococcus. Si el coco se divide en múltiples planos, el resultado es una masa de células que se disponen formando un conjunto que recuera a un racimo de uvas (“estafilo”), y que define a otro género importante , Staphylococcus. Lo normal es que los bacilos una vez divididos se queden unidos o separados. Corynelvacterium dyphteriae forma unos bacilos en empalizada en posición vertical y muy característicos. Los llamados bacilococos ( como E. Coli ) se dan cuando no llega a ser un bacilo largo ni un coco. Los Vibrios son una especie de bacilo deformado ( Vibrio cholerae) con forma de alubia.
La membrana plasmática procariota: La membrana plasmática es una capa delgada que rodea a la célula y separa el interior del medio externo. La membrana es una barrera osmótica esencial que regula el tráfico de nutrientes y productos entre la célula y el medio. La membrana de los procariotas tiene la misma estructura básica. Es una bicapa lipídica con disposición del fluido móvil donde las cabezas polares están hacia los extremos y las colas hidrofóbicas hacia el interior. No son los mismos fosfolípidos en eucariotas que en procariotas. Existen 2 propiedades importantes de la membrana procariota: -Contiene una gran actividad enzimática: permeasas ( se encargan del transporte), enzimas biosintéticas ( sintetizan componentes celulares), ATPasas, proteínas de señalización; y en muchas bacterias fotosintéticas, parte del equipo fotosintético está en la membrana. Al no haber orgánulos internos el mayor trabajo está en la membrana. Las proteínas enzimáticas son proteínas transmembrana y tienen dominios hidrofóbicos para poder interaccionar con los fosfolípidos y también tienen dominios tanto internos como externos. -Los procariotas no tienen esteroides: Los eucariotas tienen esteroles ( colesterol) o ergosterol ( hongos). Hay procariotas que sí tienen esteroles ( micoplasmas y las
bacterias meliotrofas). En los procariotas existen compuestos que recuerdan a los esteroles ( hopanoides).
Mesosomas: Son invaginaciones o repliegues que se producen junto al tabique de división celular cuando la célula va a dividirse por fisión binaria. Estos repliegues son puntos de anclaje para el nucleoide bacteriano en división. Son más abundantes en bacterias Gram + que en las Gram -. Algunas especies que tienen una elevada actividad respiratoria ( Azobacterias) y muchas bacterias fotosintéticas tienen muchos repliegues internos para aumentar la superficie fotosintética y respiratoria.
Pared celular: Es la capa externa que rodea a la membrana y le confiere la forma característica y protección osmótica. También le proporciona rigidez a la célula. La pared celular es una estructura esencial y por lo tanto si la bacteria la pierde se muere. Todos los procariotas tienen pared celular a excepción de los micoplasmas ( bacterias sin pared). La composición química en arqueas y bacterias es distinta. Está formada por polímeros exclusivos ( no aparecen en el resto de la biosfera): el llamado peptidoglucano o mureína. Es portadora de importantes factores de patogenicidad bacteriana. Protege a la bacteria de sustancias tóxicas del medio ( antibióticos) y también la protegen contra la fagocitosis del sistema inmune y contra los factores del complemento. La pared celular es la diana sobre la que actúan algunos antibióticos como la penicilina. Dentro de las bacterias diferenciamos en la composicición química y en la estructura de la pared, permiten clasificarlos en dos grandes grupos ( Gram 1884) : Las Gram + y las Gram -.
El peptidoglicano es la capa responsable de la rigidez, consistencia y forma de la membrana. Su composición química es muy similar en las bacterias Gram + Gram -. El esqueleto está formado por la unión de L-azúcares - N-acetilglucosaminas y N-acetilmuránico unidos por un enlace b(1-4).
El N-acetilmuránico es un derivado de la N-acetilglucosamina al cual se le ha añadido una molécula de ácido láctico. Sólo en el N-acetilmuránico aparecen unidos 4 aminoácidos: L-alanina, D-glucosa, L-lysina ( en Gram – se sustituye por m-DAP o ácido meso diamino pimélico). Este tercer aminoácido tiene que ser obligatoriamente un diaminoácido ( 2 grupos amino). El 4º aminoácido es la D-alanina. En bacterias encontramos los dos esteroisómeros D y L. La rigidez depende de formar una estructura tridimensional. La tercera dimensión del peptidoglicano se da entre residuos de N-acetilmuránico (NAM) viene dada por un enlace peptídico cruzado entre el 4º aminoácido de un NAM (D-alanina) y el 3º de otro NAM (L-lysina) .El tercer aminoácido tiene que llevar 2 grupos amino: uno para formar el enlace y otro para la transpeptidación entre la D-alanina y la L-lysina. En bacterias Gram – el enlace transpeptídico es un enlace directo ( sin intermediarios). En las Gram + hay un puente de 5 glicinas. Mediante este sistema las bacterias tienen una malla tridimensional de peptidoglicano que les da rigidez. No todos los tetrapéptidos están implicados en relaciones cruzadas. Cuantos más puentes haya más rígida será la pared. Para que la
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Los lipopolisacáridos tienen una función estabilizante sobre la membrana externa y también , gracias a la presencia de los grupos fosfato, tienen carga negativa. En general las Gram - son mucho más resistentes que las Gram + al ataque de los antibióticos, a los desinfectantes y a la acción de otras moléculas , debido a que la membrana externa es más hidrofóbica y ,por tanto menos osmótica al paso de moléculas. Las Gram – necesitan tener una permeabilidad selectiva. Para las moléculas de baja masa molecular lo hacen mediante las porinas ( asociaciones de proteínas de 400-700 Da de 3 moléculas y forman un poro o canal selectivo). Para moléculas mayores existen sistemas específicos de transporte. Entre el peptidoglicano y la membrana hay una zona con aspecto gelificado llamada espacio periplásmico, que se trata de una zona metabólicamente muy importante porque muchas actividades enzimáticas se dan aquí.
Síntesis del peptidoglicano: En principio los precursores se sintetizan en el citosol y siempre a partir de prescursores activados. Progresivamente se van acumulando los distintos componentes. Una vez sintetizado se transfiere a un portador o “charger” ( un lípido llamado Bactoprenol) que lleva las unidades fuera entre un polímero en crecimiento y el peptidoglicano sigue creciendo. El transportador se recicla intacto, eso implica una fosforilación y un gasto de ATP. Originariamente en el transportador se sintetiza un pentapéptido ( con un dímero de D-Alanina al final). Sin embargo en el peptidoglicano maduro solo aparecen 4.( la rotura en el enlace entre las D- Ala produce la energía necesaria para el enlace de transpeptidación (etapa inhibida por la penicilina). La penicilina tiene un grupo B-lactámico que limita la estructura de la D-Ala terminal del pentapéptido. En resumen, Los precursores se sintetizan en el citoplasma y se transfieren a un transportador lipídico de membrana (Bactoprenol), donde se va ensamblando el polímero, que se une a peptidoglicano ya formado. El transportador se regenera. Inicialmente se sintetiza un pentapéptido, la rotura del enlace entre el dímero de D-ala-D-ala proporciona energía para el enlace de transpepetidación (etapa inhibida por la penicilina).
Cápsulas bacterianas: Para muchas bacterias la pared celular no es la capa más externa, sino que tienen otras estructuras llamadas cápsulas formadas por un material bien organizado y unido firmemente a la pared. A diferencia de la pared de la membrana, estas estructuras no son esenciales. Sus funciones son las de: factor de virulencia ( protege a la célula frente a la fagocitosis y frente a los anticuerpos), también son mediadores de interacciones celulares, evita la fijación de fagos y sustancias tóxicas. Opone resistencia a la desecación ya que son una fuente de carbono y energía. Existen dos tipos de cápsulas atendiendo a su composición, la cual puede ser polipeptídica o polisacarídica. Las polipeptídicas , como Bacillus anthacis, posee una composición polipeptídica de poli-D-glutámico. En las de composición polisacarídica existen dos tipos de polisacáridos: internos y externos. Los internos ( a partir de UDP-glucosa o UDP- manosa). La célula las ha sintetizado implicando un gasto de energía. O bien cápsulas polisacarídicas de origen externo ( fuentes de carbono de origen externo: sacarosas). La capa polisacarídica puede ser de dos tipos según sea a partir de nucleótidos de azúcar o a partir de un sustrato externo como la sacarosa. A partir de la sacarosa , existen dos tipos de pol´meros: dextranos y levanos. Los dextranos se forman por adición sucesiva de α-glucosilo al fructosilo de una molécula aceptora de sacarosa ( enlace α(1-6)). Los levanos poseen un resto terminal glucosilo al que se une una cadena de restos β-fructosilo con enlaces α(2,6).
Las capas S: No están presentes en todas las bacterias y son más importantes en arqueas que en bacterias. Son estructuras que tienen una disposición regular en forma de mosaico. Estructura de las proteínas o glicoproteínas en aminoácidos azufradas ( metionina y cisteína). En Gram + se disponen sobre la capa de peptidoglicano mientras en Gram – recurren a la membrana externa de la pared. En las arqueas pueden ser la única estructura interna por fuera de la membrana plasmática. Sirven para contribuir a la forma y rigidez de la célula y una protección específica contra el estrés osmótico. También ayudan a la virulencia facilitando la adhesión celular y evitando la acción de las defensas del hospedador.
Lípidos y membranas de arqueas : Dentro de los dominios de bacterias y arqueas, las arqueas encuadran un submundo de microorganismo distintos. Existen muchas diferencias entre bacterias y arqueas: En la membrana plasmática los fosfolípidos de arqueas son distintos de los de bacterias. Predominan los hidrocarburos alifáticos de un alto número de carbonos; en arqueas la unión de los fosfolípidos al glicerol en la membrana es por un enlace éter. En la membrana de arqueas es frecuente que se de una disposición en monocapa. El enlace de tipo éter es más rígido que el éster, significa que la fluidez queda muy disminuida. Estas propiedades permiten que se desenvuelvan mejor en condiciones extremas. En la pared de arqueas nunca hay peptidoglicanos y encontramos unas que tienen capas S , una cubierta proteica, y otros tienen algo que se llama pseudopeptidoglicano o pseudomureína ( es un polímero de N-acetilglucosamina y otra cosa que se parece al NAM , el N-acetiltalosaminmuránico). Aquí el enlace es β(1-3), insensible al ataque de la lisozima.
Movimiento flagelar: algunos seres vivos ( sobretodo los unicelulares) viven en ambientes con cierto grado de viscosidad. En consecuencia necesitan moverse, y la estructura responsable del movimiento es el flagelo. Hay flagelos en eucariotas y procariotas. El flagelo bacteriano: Los flagelos son estructuras semirrígidas de tipo apéndice , muy largo, muy fino y con una disposición filamentosa y semirrígida. En general tiene un diámetro de 20 nm y por lo tanto no son visibles con MO. Es una estructura que está anclada a la membrana plasmática, se proyecta a través de la pared al medio y puede alcanzar una longitud de hasta 10 veces el diámetro de la célula. Está formado por un tipo de proteína exclusiva: la flagelina. L secuencia de aminoácidos puede variar entre especies, pero todas las flagelinas son ricas en ác. Aspártico y glutámico. La luz
Pelos y fimbrias: Los pelos o pilis son más escasos y más largos en las bacterias. Están compuestos por una proteína exclusiva llamada Pilina y suelen tener una función sexual. Intervienen en el proceso de conjugación entre dos bacterias (transferencia de DNA desde una bacteria llamada donadora hasta otra llamada receptora). Las fimbrias son más cortas y abundantes y no son huecos sino son compactos porque no tienen función de transferencia genética. Es muy común que las bacterias de vida libre tengan muchos. Su función es la de reconocimiento y adherencia a sustratos, así la disponibilidad de fimbrias permite que las bacterias colonicen muchos hábitats. En todas las bacterias patógenas las fimbrias intervienen en el reconocimiento de las células diana que van a ser infectadas.
Citoplasma de bacterias: En el citoplasma de procariotas no hay orgánulos internos y el aspecto es de una matriz homogénea ( 70% de agua) y con un aspecto muy granuloso debido a la presencia de multitud de ribosomas libres. El ribosoma de procariotas ( 70S) se ensambla en presencia de magnesio. En estos ribosomas la traducción comienza acoplada a la transcripción. El nucleoide es un fragmento de DNA bicatenario con una disposición circular ( para impedir el ataque de las nucleasas). Este DNA sin separación del citoplasma carece de histonas. Es muy común durante la fase activa de síntesis de proteínas observar a los ribosomas como un grupo de partículas enlazadas a una cadena de RNA en crecimiento ( polirribosomas).
Inclusiones de reserva : Aparecen dentro del citoplasma como cuerpos de inclusión o gránulos que se tiñen y que son observables al microscopio. Los procariotas son capaces de acumular tanto reservas orgánicas como inorgánicas, pero no acumulan lípidos neutros. Inclusiones de reserva no nitrogenados: Los más típicos son las reservas de carbono y de energía y los más importantes son los polímeros de glucosa o glucanos, de los cuales el más importante es el glucógeno, compartido por procariotas y por muchos eucariotas. El glucógeno está formado por polímeros de glucosa α(1-4) y con ramificaciones de glucosa α(1-6). En bacterias el glucógeno aparece como gránulos internos. Para observar si una bacteria tiene glucógeno se le añade lugol (yodo) y la bacteria adquiere un fondo de color pardusco. El otro glucano es el almidón , un polímero sintetizado sobre todo por las plantas. Hay muy pocas especies de bacterias que sintetizan almidón. Otro glucano es el PHB ( poli-β-Hidroxiburirato) , es exclusivo de procariotas. Está formado por unidades β del ácido hidroxiburítico. El PHB tiene carácter neutro y para visualizarlo es preciso emplear un colorante llamado negro-sudán. Normalmente cada especie bacteriana acumula una sola inclusión de reserva (por ejemplo las enterobacterias del género Clostridium , como E. Coli , acumulan glucógeno; en cambio Pseudomonas y Bacillus acumulan PHB , y dentro de Pseudomonas, Pseudomonas florescens , no acumulan ninguna sustancia de reserva). También existe un número de bacterias que no sintetiza ninguna sustancia. Inclusiones de reserva nitrogenadas: En las procariotas no acumulan reservas de nitrógeno orgánico, la excepción es la Cianoficina ( sintetizada por las cianobacterias). Estas cianobacterias , el exceso de Nitrógeno que no consumen lo acumulan formando cianoficina, que es un polímero formado por dos aminoácidos (Asp y Arg). Una vez que sintetizan la cianoficina, cuando la bacteria vuelve a activar su metabolismo, se moviliza rápidamente. Si la célula para su crecimiento ( fase estacionaria) el exceso de nitrógeno lo convierte en cianoficina. Gránulos de volutina o polifosfato: Es una reserva de fósforo y se acumula como fosfato inorgánico. Se les denomina corpúsculos metacromáticos. Esta sustancia teñida sufre un proceso de inversión cromática. Se sintetizan cuando hay alguna limitación de algún nutriente durante el crecimiento y se sintetiza a partir de ATP a un polímero de volutina. El ATP queda fosforilado en ADP.
Sirven para replicar los ácidos nucleicos o para servir como fuente de energía. El ejemplo de bacteria que acumula volutina es Spirillum volutans. Inclusiones de azufre: Las bacterias fotosintéticas utilizan el azufre y los sulfuros como fuente de poder reductor en la fotosíntesis , y el exceso lo pueden acumular como inclusiones en el citoplasma porque el azufre libre es tóxico ( algunos los acumulan como gránulos extracelulares). Los quimiolitotrofos y en ellas la bacteria Beggiatoa utilizan sustancias quimiolotras reducidas.
Formaciones intracelulares de procariotas
-Vacuolas de gas: Corpúsculos presentes en bacterias acuáticas ( agua dulce o salada) en cianobacterias y en una arquea del género Holobacterium. Su función es asegurar la flotabilidad de la célula en la columna de agua. Están formadas por membranas compuestas únicamente de proteínas ( no hay lípidos). Estas proteínas polimerizan y forman un cilindro hueco impermeable al agua pero permeable a los gases de la atmósfera exterior. Además de ayudar en la flotabilidad, sirven para soportar la presión del medio. -Carboxisomas ( o cuerpos poliédricos) , en cianobacterias, bacterias nitrificantes y en todas las bacterias que fijan CO2. La fijación de Co2 ocurre dentro de estos Carboxisomas que contienen una enzima llamada rubisco. Están dentro de una monocapa proteica. -Clorosomas: vesículas de Chlorobium. Estas vesículas están próximas a la membrana plasmática. Constan de una monocapa lipídica que les da forma cilíndrica y que contienen una gran parte del aparato fotosintético de las bacterias verdes. La bacterioclorofila de estas bacterias está en la membrana. Solo bacterias verdes. -Magnetosomas: hay bacterias con propiedades magnéticas. Esta propiedad depende de los magnetosomas. Son cristales o acúmulos de óxido ferroso. Dependen de que en el medio haya hierro. Si se cultiva en un medio carente de hierro nunca se forman los magnetosomas. Se sintetizan por bacterias anaerobias o microaerófilas ( Aquaspirillum)
Endospora bacteriana : Son estructuras rígidas, singulares y muy diferenciadas que producen en el interior de la célula algunas especies bacterianas; principalmente bacilos, que tienen el suelo como su hábitat. Las endosporas son muy resistentes al calor pero también a la desecaión, a las radiaciones ionizantes y UV y a cierto compuesto de origen sintético ( Xenobióticos). Una vez formados puede permanecer viables durante mucho tiempo. Se ven refringentes pero su estructura rígida e impermeable hace que sean muy difíciles de teñir con colorantes y hay que aplicar técnicas especiales de tinción. Funcionalmente las bacterias nunca sintetizan endosporas cuando están creciendo activamente. Requiere que haya limitación de algún nutriente esencial o que haya cambios bruscos en la condiciones del medio. Para cada especie la localización y tamaño de la endospora es específico. Puede tener posición terminal, central o intermedia. Cuando hablamos de procariotas ( sobre todo en bacterias) entendemos que las esporas se forman en el interior de las células. Sin embargo en eucariotas, y también en actinomicetos, las esporas se forman en el exterior de la célula ( exosporas); esto quiere decir que en bacterias solamente se puede generar una espora mientras que en eucariotas y actinomicetos una célula puede originar varias esporas. En bacterias la endosporulación es un mecanismo de termorresistencia. En cambio los eucariotas y los actinomicetos forman esporas como mecanismo de multiplicación de la especie.
Bacterias que forman endosporas: Esta capacidad de formar endosporas está restringida a unos pocos grupos: Dentro de los Bacilos nos encontramos dos géneros de bacterias Gram +: El género Bacillus (aerobio estricto) y el género Clostridium ( anaerobio estricto). Dentro de los Cocos nos encontramos un género de Gram + , el género Sporosarcina , y un género de Gram - , el género Desulfotomaculum.
Esta germinación requiere una activación interna. A nivel metabólico están pasando varias cosas como la síntesis de dipicolinato cálcico ( ácido dipicolínico); pero ocurren sobre todo procesos metabólicos en el nucleoide como por ejemplo la pérdida de agua ( aprox. 10-30% de agua de una célula vegetativa). Simultáneamente hay una bajada de pH de una unidad. Estos dos procesos van a tener varias consecuencias: establecen la actividad de las enzimas y también van a hacer que la endospora sea menos sensible a las radiaciones y al efecto de las sustancias oxidantes. Otro efecto es la síntesis de un grupo específico de proteínas: las SASPs. Las proteínas específicas de la endosporulación tienen dos funciones: unirse y estabilizar el material genético de tal manera que el DNA se hace más resistente al calor y a las radiaciones. La segunda función de estas proteínas es servir como fuente de carbono y energía en la germinación de la espora. En B. Thuringiensis existen los cristales paraesporales se tratan de criatles tóxicos que cuando las larvas de insectos lo ingieren se disuelven en sus jugos gástricos de las larvas y se transforma en una toxina letal.
TEMA 5: Nutrición microbiana
Requerimientos nutritivos : Necesitamos dos tipos de nutrientes: los macronutrientes (en grandes cantidades) >95% del peso seco, hay varios tipos: carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, fósforo y azufre. Otro tipo de nutrientes son los esenciales, que se ingieren en cantidades más pequeñas, son el potasio, el calcio, el magnesio, hierro sodio…El potasio es sintetizado por muchas especies de arqueas como soluto compatible. El calcio como mensajero celular por ejemplo. El magnesio es un estabilizante de muchas moléculas, el hierro para los citocromos de las cadenas transportadoras de electrones. Estos cationes no hay que suministrarlos sino que aparecen como elementos adicionales en la dieta. Las fuentes de N y S son de tipo inorgánico, los microorganismos pueden utilizar amoniaco y nitrato. Los mayor parte de los micronutrientes son metales o cationes. Muchas enzimas necesitan estos micronutrientes. Éstos aparecen como elementos traza en una dieta. Factores de crecimiento: algunos organismos tienen necesidades específicas de ciertos aminoácidos o vitaminas que no pueden sintetizar y los tienen que tomar preformados del medio. Las bacterias lácticas: la mayor parte de los bacilos lácticos tienen su capacidad biosintética muy reducida y tienen que tomar las moléculas presintetizadas. El agua es un elemento esencial.
Grupos tróficos: En base a los requerimientos nutritivos se establecen una serie de categorías que tienen como consideración principal la fuente de energía a través del cual el microorganismo cubre todas sus necesidades. Respecto a la fuente de energía , existen dos fuentes esenciales: luz ( fototrofos) o sustancias químicas ( quimiotrofos). Respecto a la fuente de carbono tenemos dos posibilidades : los que utilizan dióxido de carbono ( autótrofos) y los que no pueden fijar el CO2 dependen de compuestos orgánicos ( heterótrofos). Los fotoautótrofos ( plantas , algas y cianobacterias) tienen como fuente de carbono el CO2 y como fuente de energía la luz. En este grupo el poder reductor lo suministra el agua y por lo tanto este mecanismo desprenderá oxígeno: proceso oxigénico. Los fotoheterótrofos ( bacterias rojas y verdes) utilizan la luz pero tienen como fuente de carbono compuestos orgánicos. El poder reductor lo darán moléculas reducidas como el hidrógeno y el H2S y no desprenderá oxígeno: anoxigénico. Los quimiautótrofos son seres vivos que pueden crecer sobre compuestos químicos reducidos y fijar CO2 .Pueden oxidar compuestos inorgánicos ( comedores de piedras o quimiolitotrofos). Los quimioheterótrofos necesitan moléculas orgánicas para todo. La gran mayoría de las bacterias son quimioheterótrofos.
La distribución entre los distintos grupos no es tajante. Hay algunos microorganismos que son facultativos. Muchos quimioheterótrofos es ausencia de moléculas orgánicas pueden oxidar compuestos inorgánicos. De la misma manera. Algunos fotoheterótrofos pueden utilizar CO2. Los mixotrofos; algunas especies de Beggiatoa tienen un metabolismo mixto. Pueden usar una molécula inorgánica como fuente de energía y una orgánica como fuente de carbono.
El oxígeno en el metabolismo microbiano La atmósfera actual depende en gran parte del oxígeno. Es una molécula muy tóxica al ser muy oxidante. Para que un organismo pueda crecer su metabolismo
La peroxidasa : Los aerobios y los anaerobios facultativos siempre poseen catalasa. Los anaerobios estrictos siempre tienen peroxidasa.
Mecanismos de transporte en bacterias : La membrana plasmática la estructura que decide qué entra o sale de la de la célula. Es muy selectiva. Prácticamente deja que entren muy pocas sustancias al azar. No permite que entren ninguna molécula polar. Pueden entrar moléculas pequeñas apolares y algunas sustancias con fuerte hidrofobicidad que pueden solubilizarse en la membrana lipídica ( agua, alcohol y ácidos grasos de bajo número de carbonos). Para ello tienen que desarrollar sistemas específicos de transporte: -Difusión simple: Las sustancias apolares pueden cruzar la membrana siempre que lo hagan a favor de un gradiente de concentración desde una parte más concentrada hasta otra más diluida. Tanto la velocidad como el nivel de difusión tienden a estabilizarse. A medida que la concentración aumenta la difusión se para. Puede ser reversible. En resumen se trata de una difusión a favor de gradiente que tiende a estabilizarse. -Difusión facilitada: En la membrana hay una serie de proteínas transmembrana llamadas permeasas que capturan el sustrato a transportar del medio y ,mediante un cambio conformacional, lo liberan en el interior celular. Es un mecanismo de difusión porque también se hace a favor de gradiente, aunque se trata de un gradiente menos exigente que la difusión simple. Todas las permeasas están trabajando y , a medida que el sustrato se consume , se tiende a estabilizar. Utilizan permeasas muy específicas, cada permeasa únicamente va a transportar un grupo de moléculas que estén estructuralmente relacionadas. Es un mecanismo reversible, de tal manera que las moléculas capturadas por la célula pueden volver a ser expulsadas; aunque recientes estudios han demostrado que una vez las moléculas dentro del interior celular comienzan a formar parte del metabolismo celular. Mediante la difusión facilitada en las bacterias se transporta glicerol y algunos aminoácido pequeños.
-Transporte activo: Cuando la concentración en el medio es baja y la calidad nutritiva es pobre. Transporta nutrientes en contra de gradiente ( desde un medio más diluido a otro más concentrado). Para ello han desarrollado mecanismos de transporte activo. Emplean permeasas específicas que transportan sustancias muy concretas. El transporte requiere gasto de ATP. En las Gram + este ATP proviene del ATP interno, en Gram – proviene de la fuerza protón motriz. En general en estos mecanismos de transporte activo la sustancia introducida se libera al citoplasma sin ninguna modificación química. En el transporte activo el transporte no es reversible. Existen 3 tipos principales de transporte activo:
- Uniporter : Se transporta una sola sustancia del medio al interior celular. Favorece la entrada de potasio.
- Symporter : Dos sustancias son cootransportadas simultáneamente. Es un transporte interdependiente. Ejemplo, transporte acoplado de lactosa permeasa con un protón: es una reacción equimolecular de los dos solutos; el protón se une a la enzima y cambia su especificidad haciendo que se reconozca y se una a la lactosa para introducirse. Siempre van juntos.
- Antiporter : Las dos sustancias son transportadas en sentidos inversos , una molécula entra y otra sale. Como ejemplo está el bombeo hacia el exterior de sodio de E. Coli ;
simultáneamente se bombea internamente protones, de manera que se genera un gradiente externo de sodio. El gradiente de sodio se acopla al transporte de azúcares. Se da mucho en enterobacterias y en bacilos.
Dentro del transporte activo hay una variante que es la llamada translocación de grupo, donde se produce la modificación química del soluto transportado del interior, que consiste normalmente en la fosforilación. El sistema mejor conocido es el de fosfotransferasas por el que un azúcar del exterior utilizando un donador de fosfatos (PEP) cede un fosfato y entonces el azúcar fosforilado se convierte en piruvato. El componente clave se denomina enzima II , específica de cada azúcar. La enzima I y la HPr también intervienen en este proceso. Aceleran el metabolismo. Este sistema de fosfotransferasas es muy común en anaerobios facultativos ( enterobacterias y estafilococos) y en anaerobios estrictos como Clostridium. Sin embargo hay también en aerobios estrictos. Además de servir para la nutrición son igualmente importantes como señales quimiotácticas ( quimiorreceptores).
-Transportadores ABC: Presentes en los 3 dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya). El transportador como tal consta de dos regiones transmembranales insertadas en la membrana y otras dos regiones de unión con ATP ( Este conjunto es inespecífico) El tercer elemento es una proteína específica de unión al sustrato que en bacterias Gram – está situada en el espacio periplásmico y en Gram + en la superficie externa de la membrana plasmática. Una vez que la proteína se une al sustrato, se pone en contacto con el transportador y el gasto de ATP permite la liberación de las sustancias sin modificar. Mediante este sistema , se ha demostrado con E.Coli , que sirve para transportar azúcares (ara, gal, mal) y aminoácidos (glu, his, leu). En los últimos años lo que más se ha estudiado es su utilización para bombear sustancias nocivas de las células ( antibióticos y detergentes), y por ejemplo,
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