LOS MICROORGANISMOS. I.- Introducción.

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1 LOS MICROORGANISMOS I.- Introducción. Microbiología.- Es la ciencia que estudia los microorganismos. Microorganismos.- Son seres vivos de tamaño microscópico que para observarlos hay que utilizar un microscopio. Es un grupo muy heterogéneo que comprende tanto seres unicelulares como pluricelulares; organismos autótrofos como heterótrofos; organismos procariotas como eucariotas. Presentan una característica común (además de su pequeño tamaño), es que cada célula microbiana puede realizar por sí misma todas las funciones vitales: metabolismo, crecimiento y reproducción. Pertenecen por tanto a varios reinos: *Reino MONERAS: +arqueobacterias +eubacterias *Reino PROTOCTISTAS: +algas microscópicas +protozoos *Reino FUNGI: hongos microscópicos: +mohos +levaduras Procariotas Eucariotas Eucariotas *VIRUS: agentes transmisores de enfermedades. Unidades utilizadas en microscopía. *Micra o micrómetro *Nanómetro *Ángstrom 1mm = 10 3 = 10 6 nm = 10 7 A 1m = 10 6 = 10 9 nm = A Existen otros agentes infecciosos más simples que los virus: Los viroides y los priones.- ambos también dependen de la maquinaria metabólica de células vivas para replicarse.

2 *Los viroides.- Están asociados a determinadas enfermedades de plantas. Cada viroide se compone de una pequeña molécula de ARN circular y monocatenaria que no está protegida por ningún tipo de cubierta. Ejem: La desaparición casi por completo de los cocoteros en muchas zonas de las islas Filipinas. *Los priones.- Son únicamente moléculas de proteínas. Ejem: El prión más estudiado está compuesto por 250 aminoácidos y su tamaño es aproximadamente unas 100 veces menor que el virus más pequeño. Los priones son capaces de autorreplicarse dentro de las células. Se cree que activan algún gen del ADN huésped para codificar las proteínas del prión. Los priones son proteínas con la misma o casi con la misma secuencia de aminoácidos que una proteína normal pero con forma espacial distinta. Los priones son capaces de inducir que las proteínas normales de la célula adopten la forma del prión. Normalmente los priones son proteínas de membrana de las neuronas, provocando enfermedades neurovegetativas. Los priones son resistentes a tratamientos físicos y químicos. Ejem: *Enfermedad de Creutzfeld Jacob que produce una rápida degeneración del sistema nervioso muerte al cabo de un año. *Mal de las vacas locas o encefalopatía bovina espongiforme.

3 II.- Los Virus. Son los seres vivos más pequeños que existen, no presentan la estructura típica celular. Son complejos supramoleculares, capaces de autoconservarse, que necesitan una célula para reproducirse y carecen de estructuras membranosas. Fueron descubiertos por IVANOWSKY, al estudiar la enfermedad del mosaico del tabaco. A estos nuevos agentes se les denominó virus o viroides y sólo se pueden observar por microscopia electrónica, que no pueden ser cultivados y que atraviesan filtros para bacterias. Composición química. Presentan dos tipos de componentes: 1.- Principales o esenciales.- Están en todos los virus y son: *Proteínas.- Normalmente cada virus presenta un único tipo de proteínas. *Ácido Nucleico.- Bien llevan ADN o ARN (son los únicos seres vivos que pueden llevar la información genética en una molécula de ARN). Existen cuatro tipos de Ác. nucleico en los virus: *ADN monocatenario: +lineal virus que producen infecciones en perros. +circular bacteriófagos *ADN bicatenario: +lineal bacteriófagos, Herpes. +circular verrugas. *ARN monocatenario: virus de la Poliomelitis. *ARN bicatenario: virus que producen diarreas y vómitos en niños. 2.- Adicionales.- Son: *Lípidos. *Polisacáridos. Estructura vírica. Todos presentan estructuras geométricas, constituidas por una cápsula proteica llamada cápsida, formada por numerosas subunidades llamadas capsómeros, que a su vez están constituidos por unas unidades llamadas polipéptidos. La cápsida encierra y protege a la molécula de ac. nucleico. Existen cuatro tipos estructurales de virus: 1.- Virus esféricos o Adenovirus.- La cápsida tiene una forma esférica (a grandes aumentos es un icosaedro regular), en su interior se encuentra apelotonada una molécula de ADN. Ejem: virus de la varicela, Herpes, Poliomelitis, verrugas.

4 2.- Virus helicoidales.- La cápsida es una partícula alargada de forma cilíndrica, esto es debido a que los capsómeros se disponen helicoidalmente, quedando un hueco tubular en el centro, donde se dispone también de forma helicoidal el ác. nucleico. Ejem: virus del mosaico del tabaco. 3.- Virus con envoltura.- Su nucleocápsida es de forma helicoidal, está protegido por una envoltura de lípidos, mucopolisacáridos y proteínas estructurales, presentando unas espículas características. Ejem: virus de la gripe.

5 4.- Bacteriófagos.- Presentan tres partes: *Cabeza.- Capsómero icosaédrico formado por una sola proteína que encierra una molécula de ADN o ARN. *Cola.- Está formada por una vaina helicoidal de proteínas, que recubre a un eje que termina en una placa con formaciones espiculares. *Sistema de anclaje.- Constituido por la placa terminal de cola con sus espículas y seis filamentos que parten de dicha placa. Ciclo vital de un virus Una característica de los virus es que para reproducirse necesitan una célula, esto es debido, a que carecen de las enzimas necesarios para realizar la síntesis de los elementos que necesitan, así lo que hacen es introducir su ác. nucleico en una célula y desviar su metabolismo en su favor, para que con la maquinaria celular pero con la información vírica se elaboren sus componentes. Podemos distinguir varias fases: 1.- Fase de adsorción.- En esta fase entran en contacto el virión y la célula huésped realizándose el anclaje del virión sobre la célula. Se produce una interacción entre las proteínas que constituyen el mecanismo de anclaje de la cola y los componentes moleculares de la superficie de las células que actúan como receptores. Los bacteriófagos se fijan inicialmente a través de las puntas de las fibras caudales mediante enlaces químicos y posteriormente de forma mecánica, al clavar las espinas basales en la pared bacteriana.

6 Una vez producida la unión, tiene lugar la liberación de una enzima, la lisozima, que provoca la disolución de la pared, por la ruptura de los enlaces glucosídicos. 2.- Fase de penetración.- Consiste en la inyección del ác. nucleico viral en el citoplasma de la célula huésped. La vaina helicoidal de la cola se contrae, pero el eje hueco al que recubre no es contráctil, clavándose en la pared y rompiendo la membrana. La contracción provoca la salida del ác. nucleico de la cabeza que bajando por el eje tubular se aloja en el citoplasma bacteriano. 3.- Fase de eclipse.- Una vez producida la infección, tiene lugar la separación de los elementos virales: la cápsida queda fuera de la célula y el ác. nucleico dentro. El fago como unidad deja de existir. En esta fase se pueden distinguir dos etapas: *Se produce una alteración de todo el metabolismo de la célula huésped, deteniéndose todos los procesos sintéticos, así como, la anulación del cromosoma bacteriano. *Reinicio del metabolismo celular, pero bajo el gobierno del ác. nucleico viral Duplicación de éste y síntesis de proteínas: +virales capsómeros +enzimas endonucleasas destruyen el ADN bacteriano e impiden su duplicación. +endolisinas inducen la lisis de la bacteria. Al cabo de pocos minutos de la infección se pueden detectar ác. nucleicos y proteínas virales en el interior de la célula. 4.- Fase de ensamblaje.- Consisten en la unión de la cápsula proteica y del ác. nucleico, bien al azar o bien por información genética contenida en el ác. nucleico vírico. 5.- Fase de liberación o lisis celular.- Una vez formados los nuevos viriones, la célula se encuentra infectada de éstos, pero su duración en esta fase es muy corta, ya que las endolisinas elaboradas bajo dirección del ác. nucleico vírico provoca la lisis de la célula, que se rompe, y deja libres en el medio a los nuevos virus formados. Esto es el CICLO LÍTICO. Se ha visto que ciertos virus establecen una relación a largo plazo con la célula hospedadora, permaneciendo latentes durante muchas generaciones antes de iniciar un ciclo de infección. Estos virus se conocen con el nombre de fagos atemperados o atenuados que se integran en el ADN bacteriano por entrecruzamiento de dos regiones idénticas del fago y de la bacteria. Estos fagos integrados se denominan profagos y se replican pasivamente con el ADN de la bacteria.

7 Las bacterias capaces de establecer esa relación con los fago atenuados se denominan lisogénicas; y a su ciclo CICLO LISOGÉNICO. El fago puede liberarse espontáneamente y proseguir su ciclo replicándose.

8 III.- Las bacterias. Son microorganismos sencillos, de nutrición autótrofa y heterótrofa. Su forma es variada: *Esférica Cocos. *Alargadas, en forma de bastón Bacilos. *Alargadas y curvadas Vibrios. *Helicoidal Espirilos. A veces, las bacterias permanecen unidas formando colonias. Su tamaño depende de la especie: 0,2 micras - 80 micras.. Estructura microbiana Es una célula procariota, que consta de: 1.- Membrana celular.- Formada por lípidos que presentan ác. grasos de cadena ramificada y proteínas. Al microscopio electrónico se observa la existencia de algunas invaginaciones que profundizan en el protoplasma celular. Mesosomas. La membrana plasmática realiza varias funciones: *Mantener constante el medio interno por la permeabilidad celular. *Presenta las enzimas que forman la pared bacteriana. *Presenta las enzimas que participan en la cadena respiratoria. *En la cara interna de la membrana existen unas partículas semejantes a las mitocondrias eucarióticas, por lo que participan en la síntesis de ATP y en el transporte electrónico.

9 *Los mesosomas participan en el reparto de las cromátidas hijas dirigen la duplicación del ADN bacteriano. *Dirigen la fotosíntesis. *Asimilan nitratos, nitritos o nitrógeno atmosférico. 2.- Citoplasma.- Encontramos: *Ribosomas.- Partículas globulares, constituidas por dos subunidades. Presentan una velocidad de sedimentación diferente. Ribosoma completo 70 S Célula eucariota 80 S Subunidad mayor 50 S 65 S Subunidad menor 30 S 40S Su función es la síntesis de proteínas, su mecanismo es similar al de eucariotas, pero siempre están libres en el citoplasma. *Vesículas gaseosas.- Son estructuras huecas que permiten el paso de gases. También permiten la flotabilidad. *Inclusiones.- Son gránulos de reserva de diversos tipos de sustancias o residuos de su metabolismo. *ADN bacteriano.- Es una sola molécula circular de tipo bicatenario muy plegada, suele estar unida a los mesosomas. También puede haber una o varias moléculas pequeñas de ADN llamadas plásmidos. La región del citoplasma bacteriano donde se encuentra el ADN se llama nucleoide. Su función es mantener y conservar la información genética y dirigir el funcionamiento de todo el metabolismo bacteriano. *Flagelos.- Son prolongaciones finas cuya longitud es varias veces la de la bacteria. Permiten la locomoción de las bacterias que lo poseen. *Pelos y fimbrias.- Son estructuras huecas y tubulares constituidas por moléculas de proteínas que aparecen en la superficie externa. Carecen de misión locomotora. +Fimbrias Fijación de las bacterias al sustrato. +Pelos Intercambio de material genético con otras bacterias. 3.- Pared bacteriana.- Es una envoltura rígida y fuerte. Existen bacterias Gram positivas y Gram negativas, ambas presentan una capa de mureína, que es un peptidoglicano. La pared tiene como función:

10 *Mantener la forma de la bacteria frente a las variaciones de presión osmótica. *Regular el paso de iones, ya que la membrana es semipermeable. Esta envoltura es resistente a la acción de los antibióticos, éstos actúan sobre las enzimas que regulan la formación de la pared. 4.- Cápsula bacteriana.- Está compuesta por glúcidos de gran tamaño: ác. urónico, ác.glucurónico, acetilglucosamina y glucoproteínas. Sus funciones son: *Regular los procesos de intercambio de agua, iones y sustancias nutritiva. *Regular los mecanismos de resistencia ante la desecación del medio. *Permitir la adherencia entre la bacteria y los tejidos del huésped. *Dificultar el reconocimiento y la destrucción de las bacterias por los anticuerpos o por los bacteriófagos. *Permitir la formación de colonias. Fisiología bacteriana 1.- Nutrición bacteriana.- Pueden ser: *Fotoautótrofas *Fotoheterótrofas *Quimioautótrofas *Quimioheterótrofas. 2.- Relación bacteriana.- Pueden presentar movilidad mediante reptación o por contracción dilatación mediante el movimiento flagelar.

11 Son capaces de emitir respuestas ante determinados estímulos: *Luz fototactismos *Estimulos químicos quimiotactismo *Formación de esporas, que son formas de resistencia. 3.- Reproducción bacteriana.- Presentan un tipo de reproducción asexual por bipartición. También pueden presentar mecanismos de reproducción parasexual que consiste en un intercambio de material genético, sean o no de la misma especie. Existen tres mecanismos: *Conjugación.- Una bacteria considerada donadora, transmite ADN a través de los pelos, a otra bacteria receptora. Las bacterias donadoras poseen pequeñas moléculas de ADN, los plásmidos, que pueden ser transmitidos durante la conjugación, llamándose factores F o episomas. *Transducción.- Fenómeno de intercambio genético que requiere un agente transmisor (generalmente un virus), que transporta fragmentos de ADN procedentes de la última bacteria parasitada.

12 *Transformación.- Una bacteria introduce en su interior fragmentos de ADN que aparecen libres en el medio procedentes de la lisis de otras bacterias.

13 MICROORGANISMOS: ENFERMEDADES Y BIOTECNOLOGÍA I.- Introducción. La mayoría de los microorganismos son inocuos, adaptándose a vivir en los tejidos de los animales Flora normal bacteriana. Existen otros microorganismos que producen enfermedades infecciosas en plantas, animales y en la especie humana microorganismo patógenos. Hay microorganismos que normalmente no son patógenos, pero que pueden serlo cuando disminuyen los mecanismos defensivos de un animal microorganismos oportunistas. *Epidemia.- Cuando al mismo tiempo se dan muchos casos de individuos enfermos de la misma enfermedad en una determinada comunidad o área geográfica pequeña. *Pandemia.- Es una enfermedad infecciosa distribuida por una zona extremadamente amplia de la Tierra. *Enfermedad endémica.- Cuando una enfermedad infecciosa afecta de manera constante a una determinada comunidad pero con una incidencia alta. *Zoonosis.- Son aquellas enfermedades infecciosas que se producen primariamente en diversos animales y que pueden transmitirse secundariamente a la especie humana, por contacto. *Reservorios.- Son aquellos lugares donde los microorganismos patógenos pueden sobrevivir fuera de los huéspedes y desde donde pueden iniciar la infección. *Vectores.- Son aquellos seres vivos que son imprescindibles para la transmisión de microorganismos patógenos. *Portadores.- Son aquellas personas que aunque no tengan síntomas de la enfermedad, llevan en su interior el microorganismo patógeno, siendo potenciales transmisores de la enfermedad. *Cuarentena.- Aislamiento o limitación. II.- Infección microbiana. El primer paso consiste en la adherencia a las células del huésped, suele existir especificidad de huésped y especificidad de tejidos. En la adherencia intervienen macromoléculas de la superficie del microorganismo.

14 Lo más frecuente es que penetren a través de los epitelios mediante pequeñas roturas en éstos. Inicialmente se produce un foco de infección situado muy cerca del lugar de entrada del microorganismo, donde se localiza y se reproduce. Ejem: Las espinillas y forúnculos son focos de infección producidos por Staphylococcus. Más tarde los microorganismos pueden acceder a las vías linfáticas y a los ganglios linfáticos. Se pone en marcha la defensa inmunológica de tipo celular. La inflamación de los ganglios linfáticos es un indicativo de infección bacteriana. Si los microorganismos llegan a los vasos sanguíneos se extienden a otras partes del cuerpo, concentrándose en determinados órganos, o bien, producirse una infección generalizada. III.-Factores de virulencia. 1.- Virulencia.- Es el grado en que un microorganismo patógeno es capaz de producir una enfermedad. 2.- Toxinas.- Son sustancias producidas por microorganismos, principalmente por bacterias, que tienen efecto tóxico o venenoso en los tejidos del huésped. Pueden ser de dos tipos: *Exotoxinas.- Liberadas al medio que rodea al microorganismo. Suelen ser proteínas que tienen una gran especificidad. *Endotoxinas.- Producen su efecto formando parte del microorganismo, sin ser liberadas. Son moléculas estructurales de la membrana externa de la pared bacteriana de las Gram (-). Su composición química es de tipo lipopolisacárido. 3.- Enzimas extracelulares.-producidas por determinados microorganismos. Ejem: las hemolisinas producidas por gran variedad de bacterias, que producen la lisis de los glóbulos rojos, liberando al plasma su hemoglobina. 4.- Otros factores de virulencia: *Fimbrias de adherencia bacterianas *Las moléculas de hemoaglutininas de las cubiertas de bacterias *Flagelos bacterianos *Plásmidos con genes de virulencia IV.- Las enfermedades infecciosas. Están producidas por distintos tipos de seres vivos: Virus, Bacterias, Hongos y Protozoos.

15 Las enfermedades microbianas se clasifican además de por el tipo de microorganismo que la produce, por el medio en el que son transmitidos. *Enfermedades transmitidas por contacto directo a través de heridas en la piel. *Enfermedades transmitidas a través del aire. *Enfermedades transmitidas por vía sexual. *Enfermedades transmitidas por el agua y los alimentos. *Enfermedades transmitidas por animales. V.- La Quimioterapia. Muchas enfermedades microbianas son tratadas mediante determinadas sustancias químicas Agentes quimioterapeúticos. El tratamiento recibe el nombre de Quimioterapia. Para que los agentes quimioterapeúticos sean efectivos tienen que tener una toxicidad selectiva, destruyendo los microorganismos, pero sin dañar a las células de los tejidos del huésped. Existen dos tipos de agentes quimioterapeúticos: 1.- Antibióticos.- Producidos normalmente por otros microorganismos. Son sustancias químicas producidas en el metabolismo de algunas bacterias y de determinados hongos filamentosos. Su composición química es variada, estableciéndose familias de antibióticos: los que contienen glúcidos, otros péptidos o derivados de aminoácidos, otros son quinonas y otros son derivados de moléculas aromáticas. Los antibióticos son útiles en el tratamiento de enfermedades producidas por bacterias y a veces contra determinados hongos. El mecanismo de acción de los antibióticos es variado: *Produce inhibición de la síntesis de las paredes celulares de las bacterias patógenas. *Produce destrucción de los fosfolípidos de las membranas celulares. *Produce inhibición de la síntesis de ADN, ARN y proteínas. Los antibióticos de amplio espectro son los que ejercen su acción sobre una gran variedad de microorganismos. 2.- Sustancias de origen sintético.- Obtenidas en el laboratorio. Son: *Sulfamidas o sulfonamidas que son sustancias que interfieren en algunas reacciones importantes en los microorganismos patógenos. *Isocianinas que se utiliza contra la tuberculosis. *AZT que se utiliza contra el virus del SIDA (disminuye sus efectos).

16 *Cloroquina que se utiliza contra la malaria. *Pentamidina que se utiliza contra la enfermedad del sueño VI.- La Biotecnología microbiana. Los procesos industriales que utilizan los microorganismos como base para la obtención de sus productos Microbiología industrial o Biotecnología microbiana. Los microorganismos utilizados en la biotecnología proceden de la naturaleza, pero se han seleccionado para producir determinados productos. Los microorganismos tienen que poseer una serie de requisitos: *que crezca rápidamente *que resista el ser cultivado a gran escala *que produzca la sustancia útil en una cantidad apreciable y en el menor tiempo posible. 1.- Microorganismos y fermentación.- Las más importantes son: fermentación etílica, láctica, acética, butírica y pútrida. 2.- Producción de antibióticos.- Se conocen cerca de 800 antibióticos producidos por microorganismos (hongo: Penicillium y bacterias: Bacillus y Streptomyces). El aumento de la producción industrial de antibióticos se debe a varias causas: *Descubrimiento de especies que tienen mayor capacidad de producción. *Mejora de los medios de cultivo. *Selección de cepas mutantes. *Mejora del método de extracción. 3.- Producción de vitaminas.- Como la vitamina B o cianocobalamina y la B o riboflavina. 4.- Producción de aminoácidos.- Se utilizan para potenciar el sabor. 5.- Producción de enzimas extracelulares.- Se utilizan en panadería, pastelería, farmacia, medicina e industria textil. 6.- Producción de hormonas.- Se obtienen mediante ingeniería genética, como la insulina y la hormona del crecimiento. 7.- Control de plagas de insectos.- Los microorganismos infectan a los insectos adultos o en estado larvario. 8.- Microorganismos y la alimentación.- Existen microorganismos generalmente no patógenos que se encuentran contaminando los alimentos. Distintas organizaciones, como la FAO, han establecido una serie de normas que deben cumplir los alimentos para que puedan ser consumidos sin peligro. Control microbiológico de los alimentos.

17 Para evitar la proliferación de microorganismos se utilizan diversas técnicas: manipulado aséptico, tratamiento con calor (hervido, pasteurización, esterilización), bajas temperaturas (refrigerado o congelación), deshidratación, adición de aditivos químicos o tratamiento de los alimentos con rayos ultravioletas o radiación ionizante. Utilización de los microorganismos en la alimentación Fermentación. 9.- Microorganismos y la ingeniería genética.- Los microorganismos son seres vivos fáciles de manipular introducción de genes para producir determinadas sustancias Microorganismos y la depuración de aguas residuales.- Los microorganismos permiten eliminar las sustancias orgánicas indeseables, ya que oxidan, mediante reacciones de digestión y fermentación, la materia orgánica del agua a moléculas más simples CO 2 y CH 4. VII.- Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos. *Ciclo del Carbono *Ciclo del Agua *Ciclo del Nitrógeno *Ciclo del Hierro *Ciclo del Azufre