Zambrano, C. 2010. Diversidad Microbiana. Módulo Microbiología de los alimentos. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. pág 23-52 Capítulo 2 Diversidad microbiana El concepto de diversidad microbiana se refiere al hecho de la increíble variedad de microorganismos y su importancia ecológica en el mantenimiento del equilibrio del ambiente, sin que por ello se excluya el hecho que también son agentes causales de enfermedades tanto en plantas como animales y por supuesto el hombre. Por lo tanto, es importante conocer las características morfológicas y funcionales de los distintos grupos de microorganismos (virus, priones, bacterias y hongos) de manera que sea más fácil su identificación y su estudio en aplicaciones industriales y de alimentos. Además esta amplia variedad microbiana ha llevado a que la microbiología se especialice en áreas como la virología (ciencia que estudia los virus), la parasitología (ciencia que estudia los helmintos), la micología (ciencia que estudia los hongos) y la bacteriología (ciencia que estudia las bacterias). Las lecciones que se encuentran en este capítulo son: Lección 5. Introducción Lección 6. Microorganismos acelulares: Virus. Lección 7. Otros microorganismos acelulares: Viroides y Priones. Lección 8. Microorganismos celulares procaríoticos: Bacterias. Lección 9. Microorganismos celulares eucaríoticos: Hongos, Protozoos y Helmintos. Lección 10. Otros microorganismos de interés alimenticio: Cianobacterias y Microalgas. Lección 5. Introducción Los microorganismos son los seres más numerosos que habitan en todas las regiones del planeta: suelo, aire, agua, hielo, rocas, cuerpo del hombre y de los animales, en plantas, alimentos. Sin ellos nuestro planeta no podría sobrevivir. La mayoría son de tamaño microscópico, aunque los hay visibles a simple vista como es el caso de algunos hongos y algas.
A excepción de los virus, los microorganismos pueden existir como células individuales o como colonias de células. Una célula microbiana puede realizar de forma independiente todos los procesos metabólicos necesarios para vivir. De acuerdo con su estructura celular los microorganismos pueden ser procariotas y eucariotas. Dentro de los procariotas se encuentran las bacterias: eubacterias y arqueas, microorganismos unicelulares. Dentro de los eucariotas se agrupan: los hongos filamentosos pluricelulares de mayor tamaño y las levaduras unicelulares pertenecientes al reino Fungi, las algas (rojas, diatomeas y verdes) y los protozoos pertenecientes al reino protista. También encontramos microorganismos acelulares de tamaño submicroscópico como son los virus, viroides, virusoides y priones. Los microorganismos pueden ser: parásitos cuando son agentes causantes de enfermedades, simbiontes cuando son habitantes de la flora normal de la piel, cavidades y tracto digestivo del hombre y de los animales y saprofitas la gran mayoría, ayudando a la descomposición de la materia orgánica muerta. También son benéficos cuando se utilizan en medicina, en la industria y en el control de la contaminación. El papel de los microorganismos en el mantenimiento de los ecosistemas es de vital importancia, ya que son los responsables del reciclamiento de la materia. En los ciclos biogeoquímicos, todos los ecosistemas terrestres y acuáticos dependen de los microorganismos para sostener sus requerimientos nutricionales. Las bacterias pueden vivir como parásitos afectando los organismos donde habitan, como simbiontes formando parte de la flora bacteriana normal de la piel, cavidades y tracto digestivo del hombre y de los animales y saprofitas la gran mayoría, ayudando a la descomposición de la materia orgánica muerta. Lección 6. Microorganismos acelulares: Los Virus Características de los virus Los virus se encuentran en todos los lugares: aire, agua, suelo, en todos los materiales y no como estructuras aisladas, sino parasitando las células de bacterias, hongos, plantas, animales y el hombre. Son organismos submicroscópicos (observables solo a través del microscopio electrónico), de forma variable, pueden ser alargados, en forma de de óvalos puntiagudos o de ladrillos con las esquinas redondas, otros son poliédricos, icosaédricos (polígono de 20 lados), otros tienen apariencia de cuerdas con bucles, otros como los bacteriófagos que atacan a las bacterias, tienen forma más compleja su estructura presenta cabeza y cola (Figura 4).
Figura 4. Microfotografías de Adenovirus Fuente: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/biobk/biobookdiversity_1.htm Organización y composición de los Virus Los virus contienen solamente un tipo de ácido nucleico que puede ser: ADN (ácido desoxirribonucleico) o ARN (ácido ribonucleico). El ácido nucleíco está rodeado por una cubierta de proteína denominada cápside viral, la cual tiene como función proteger el ácido nucleico vírico de la acción de las nucleasas presentes en los líquidos biológicos, además de propiciar la unión del virus con los receptores de la célula a infectar. La cápside a su vez está constituida por fragmentos de proteínas llamadas cápsomeros y constituye la mayor parte de la masa del virus. La cápside y el ácido nucleíco se denominan: nucleocápside. Algunos tipos de virus, poseen una envoltura externa que envuelve la cápside y que está constituida por lípidos y proteínas. La envoltura tiene su origen en la membrana de la célula infectada y es tomada en el momento en que el virus abandona la célula. La presencia de lípidos en la envoltura hace que los virus sean sensibles a disolventes de grasa como el éter. A esta estructura completa se la denomina partícula vírica o virión. Los virus por ser organismos acelulares, carecen de ribosomas, de sistemas productores de energía (ATP) y de sistemas enzimáticos, elementos necesarios para realizar sus procesos metabólicos de manera independiente, como son su crecimiento y replicación. Por esto, el genoma viral utiliza el metabolismo de la célula hospedadora, constituyéndose los virus en parásitos intracelulares obligados, motivo por el cual se les sitúa en el límite entre lo vivo y lo no vivo. Los virus tienen especificidad por el tipo de célula a infectar, es decir un virus puede infectar una célula vegetal pero no una animal y solamente un tipo de célula dentro del organismo animal o vegetal.
Infovideo de Enciclopedia Planeta sobre los componentes básicos de los virus. Mecanismos de acción Los virus pueden actuar de dos formas distintas: - Como agentes infecciosos productores de enfermedades en el hombre, las plantas y los animales. Se reproducen en el interior de las células que infectan, de donde obtienen todo el material y los mecanismos requeridos para su replicación. Al no poseer metabolismo propio son insensibles a los antibióticos y a otros fármacos que actúan sobre las vías metabólicas, siendo en su mayoría susceptibles al interferón. - Como agentes genéticos que modifican el material hereditario de las células que infectan, al unirse a su material genético y causar variabilidad genética, un ejemplo es la acción de los bacteriófagos (virus que infectan a las bacterias). Ciclo vital de los virus o mecanismo de replicación lítico El ciclo vital de los virus consta de las siguientes cuatro fases: entrada en la célula, eclipse, multiplicación y liberación del virus. Veremos primero el ciclo vital de un virus, explicado de la forma más general posible, para pasar a continuación a estudiar las diversas modalidades que pueden presentarse en cada una de las fases del ciclo. 1. Entrada La entrada en la célula consta a su vez de dos etapas: la adsorción o fijación del virus en la superficie celular y la penetración a través de la membrana.
En la fase de fijación, el virus se une a la membrana de la célula hospedadora de forma estable. Hay una alta especificidad en la fijación de un virus a la membrana de su célula hospedadora, porque se ha de producir la unión entre proteínas específicas de la cápside vírica y glicoproteínas de la membrana plasmática de la célula que lo hospeda. Cada virus ha ido adquiriendo sitios de unión específicos, para anclarse en la membrana de un determinado tipo de célula. La penetración o inyección, a través de la membrana, sigue diversas modalidades. Como resultado, bien el virus completo, bien solamente su ácido nucleico, logra invadir el citoplasma celular. Por regla general, se necesita el concurso de muchos virus para que alguno de ellos logre penetrar en la célula. 2. Eclipse La fase de eclipse corresponde a un tiempo, después de la penetración, en que el virus parece desaparecer, pues no se advierte ningún indicio de su presencia ni de su actividad. Lo que ocurre en esta fase es que se da un desensamblaje de las piezas del virus (si es que ha penetrado completo), y su ácido nucleico queda asimilado en las estructuras celulares aptas para los procesos de replicación y trascripción. Esta fase, es variable de unos tipos de virus a otros. Durante esta fase se produce la síntesis del ARN, necesario para generar las copias de proteínas de la cápside. También se produce la continua formación de ácidos nucleicos virales. Termina con la síntesis de los ARNm necesarios para que se sinteticen las proteínas que actuarán en la multiplicación del virus. Si el ácido nucleico del virus es ADN, este se inserta en el ADN de la célula hospedera y de esta manera el virus logra que la célula hospedera fabrique las proteínas víricas. El ácido nucleico viral se replica en la célula que parásita utilizando las enzimas, el material y los mecanismos de la célula que lo hospeda. Si el ácido nucleico del virus es ARN, el virus debe primero cambiar su ARN en ADN, empleando la maquinaria de la célula hospedera para poder insertarse y enzimas como la transcriptasa reversa. Luego, la célula hospedera fabrica las proteínas víricas y el ácido nucleico viral se replica en la célula que parásita utilizando las enzimas, el material y los mecanismos de la célula que hospeda. 3. Replicación y ensamblaje La replicación del virus consiste tanto en la replicación de su ácido nucleico como en la síntesis de las proteínas de la cápside. Los ácidos nucleicos y las proteínas recién sintetizadas, se ensamblan rápidamente, produciéndose nuevas partículas víricas. En esta fase se produce la unión de los capsómeros para formar la cápside y el empaquetamiento del ácido nucleico viral dentro de ella.
4. Liberación y Lisis La liberación del virus consiste en la salida de las nuevas partículas víricas o viriones, que podrán infectar nuevas células iniciando un nuevo ciclo. Los viriones salen de la célula, mediante la lisis o ruptura enzimática de la pared bacteriana que conlleva a la muerte celular. Los nuevos virus se encuentran en situación de infectar una nueva célula. Modalidades de penetración en la célula Los virus sin envoltura lipídica se introducen en la célula con cápside y todo, lo cual puede realizarse de dos maneras: - Por penetración directa, donde después de la fijación, el virus abre una brecha en la membrana y se introduce en el citoplasma. - Por endocitosis, la membrana forma una invaginación en torno al virus, llegando a formar una vesícula que penetra en la célula. Formada la vesícula, el virus abre una brecha en la membrana de la misma con ayuda de algunas enzimas hidrolíticas que él mismo transporta, penetrando así en el citoplasma. Los virus con envoltura lipídica burlan la barrera de la membrana celular porque su cubierta lipídica se funde con la membrana, ya que tienen la misma naturaleza. Esta fusión de membranas puede realizarse en dos lugares distintos: - Fusión en la superficie celular, de manera que el virión penetra directamente en el citoplasma. - Fusión con un lisosoma, por lo que se forma una vesícula por endocitosis, a la que se une un lisosoma para digerir la partícula introducida; entonces, la cubierta lipídica del virus se funde con la membrana del lisosoma y el virión escapa hacia el citoplasma. Modalidades de fase de eclipse Según la duración de la fase de eclipse, se suelen distinguir dos modalidades de ciclo infeccioso de un virus: - Ciclo ordinario: el ácido nucleico vírico procede inmediatamente a la transcripción de su mensaje genético en los ARNm necesarios para su multiplicación, y prosigue rápidamente el ciclo vital. Este tipo de ciclo es el más extendido en la naturaleza.
- Ciclo lisogénico: Ocurre en los bacteriófagos. El ADN vírico se cierra por sus extremos generando un ADN circular. Este ADN se inserta en el ADN bacteriano en un lugar específico en el que la secuencia de nucleótidos bacterianos es semejante a alguna región del ADN vírico (Figura 5). En el ciclo lisogénico, la bacteria prosigue sus funciones vitales sin que el virus realice ninguna acción, y cuando el ADN bacteriano se duplica también lo hace el ADN vírico, de manera que el genoma del virus pasa a las dos bacterias hijas. La multiplicación bacteriana puede seguir durante generaciones sin que el virus se manifieste. Pero ante una alteración de las condiciones ambientales, el ADN vírico se separa del bacteriano y prosigue entonces las restantes fases de ciclo infeccioso, produciendo la muerte de la bacteria y nuevos ejemplares del virus (Figura 6). Figura 5. Representación esquemática de un virus bacteriófago. Fuente: Carmen Eugenia Piña Figura 6. Representación esquemática de bacteriófago infectando una bacteria. Fuente: Carmen Eugenia Piña Modalidades de multiplicación del virus La multiplicación del virus consta de la replicación de su material genético, de la transcripción de su mensaje en una molécula de ARNm y de la traducción del mensaje para producir las proteínas víricas, tanto las que formarán parte de la cápside como las proteínas enzimáticas, necesarias para el ensamblaje de las piezas del virión. Los ribosomas y la mayor parte de las enzimas que los ácidos nucleicos víricos utilizan en estos procesos son los de la célula infectada. Posteriormente a estos procesos, tiene lugar el ensamblaje de las piezas del virus para construir nuevos viriones.
Modalidades de liberación de los nuevos virus Después del ensamblaje del virus tiene lugar la liberación de los nuevos individuos, que tendrán la capacidad de infectar nuevas células. Las principales modalidades de liberación de los virus dan nombre a nuevas variantes de su ciclo vital: Ciclo lítico y lisogénico Estos dos ciclos configuran las etapas reproductoras de un virus bacteriófago. En referencia al ciclo lítico, éste se inicia con el anclaje del cuerpo vírico a la superficie de la bacteria y la posterior inyección de parte de su material genético en el interior de la bacteria. El paso posterior es el aprovechamiento del medio interno de la bacteria para sintetizar más virus a partir de componentes citoplasmáticos, tales como proteínas. Cuando se han fabricado los suficientes cuerpos víricos, la bacteria se lisa (rompe) y se liberan. En cuanto al ciclo lisogénico, el proceso se inicia con la inyección del material genético del virus en la bacteria, del mismo modo que en el proceso anteriormente expuesto; los filamentos de ADN inyectados a presión del cuerpo vírico se combinan con el material genético de la bacteria, denominándose éste proceso Recombinación Génica. Dicha combinación da como resultado una secuencia de nucleótidos bacteriana y vírica, con la cual se sintetizan nuevos virus. Éste ciclo puede dar a su vez un nuevo ciclo lítico. Los nuevos virus no esperan a la muerte de la célula hospedadora para abandonarla, sino que van saliendo de la célula al mismo tiempo que se van produciendo, de manera que la célula puede seguir viva y produciendo nuevas partículas víricas. La liberación puede hacerse de dos maneras: - Los virus sin envoltura lipoproteica salen directamente, sin arrastrar ningún resto de la membrana plasmática, bien sea abriendo una brecha en la membrana, o bien aprovechando los mecanismos de exocitosis o salida de sustancias al exterior de la célula. - Los virus con envoltura lipoproteica salen por gemación, es decir, se rodean de una porción de membrana plasmática que acaba separándose de la célula y constituye la cubierta lipoproteica del nuevo virus. Lección 7. Otros microorganismos acelulares: Viroides y Priones. Los Viroides son moléculas de ARN circular que carecen de cubierta viral o cápside, son de tamaño menor que los virus. Su ARN está formado por muy pocas
bases nitrogenadas (246-399) que guarda la información para su propia síntesis en un hospedador adecuado al que causa, frecuentemente, una alteración patológica. Atacan principalmente células vegetales causando enfermedades. Debido a que los viroides no codifican para ninguna proteína deben necesariamente reclutar proteínas y vías metabólicas de la célula hospedera para completar su ciclo infeccioso. Se les considera como la etapa primitiva de los virus. Algunos producen enfermedades en plantas, como la papa, el pepino, el tomate, la naranja, la vid, el coco, entre otros, causando importantes pérdidas económicas. Los Priones se definen como partículas proteícas infecciosas y son causantes de un grupo de enfermedades neurodegenerativas que tienen características comunes, como presentar un período de incubación bastante largo (usualmente varios meses o años, incluso décadas), luego del cual aparecen síntomas neurológicos progresivos que llevan a la muerte del individuo infectado 1. La proteína causante de este tipo de enfermedades se conoce como Proteína príonica scrapie (PrPsc) y es idéntica, en cuanto a la secuencia de aminoácidos, a una proteína sintetizada por el huésped, PrPc, pero que difiere en su estructura secundaria y terciaria, es decir, en la forma como se organiza en el espacio. El cambio de configuración de la proteína del prión es crucial, ya que las proteínas con láminas beta son muy resistentes a las enzimas proteolíticas, al calor y no se disuelven en agua. Pero sobre todo, la proteína alterada tiene una característica única: interacciona con una molécula de proteína normal, le cambia la conformación y la hace capaz de transformar las estructuras de más proteínas normales. Ahí radica al parecer, el poder infectivo de los priones. Un ejemplo de una enfermedad príonica, es la Encefalopatía espongiforme bovina (EEB), que ataca el ganado bovino y que se conoce con el nombre común de la enfermedad de las vacas locas, debido a la descoordinación motora de los animales y puede ser transmitida al hombre a partir de la carne infectada. 1 McEwen,J.G. 1994. Los priones. Innovación y ciencia. Vol.III.No.4. 39-42p.
Lección 8. Microorganismos celulares procaríoticos: Bacterias. Estructuras de las bacterias La estructura bacteriana se divide en dos grupos: la estructura externa, que no se encuentra en todas las células y participa en funciones especializadas; y la estructura interna que se encuentra en todas las células procariotas y es probablemente esencial para su supervivencia. Dentro de las estructuras externas se encuentran: la pared celular, los flagelos, las esporas, las fimbrias o pelos y la cápsula. Estas estructuras no siempre se encuentran en todas las bacterias, razón por la cual se estima que no son esenciales. Estructuras externas - Pared celular Es una estructura rígida, se encuentra rodeando la membrana citoplasmática de casi todas las bacterias, posee una gran rigidez lo cual le confiere gran resistencia. Se considera esencial para el desarrollo y división bacteriana; cumple con dos funciones importantes: mantener la forma de la célula y evitar que la célula colapse debido a las diferencias de presión osmótica por el constante intercambio de fluidos.
El grosor de la pared oscila entre de 10 y 80 nanómetros. La pared celular constituye una porción apreciable del peso seco total de la célula; dependiendo de la especie y de las condiciones de cultivo puede representar del 10 al 40 % del peso seco del organismo. La pared celular en las bacterias, se encuentra formada básicamente por peptidoglicano (molécula formada por proteínas y carbohidratos o azúcares). La coloración de Gram, permite diferenciar dos grandes grupos de bacterias: las Gram positivas y Gram negativas. Las primeras tienen una pared celular más gruesa que las segundas, lo que permite diferenciarlas en el momento de la coloración. Curso de Microbiología general, licenciatura de Biología, de la Universidad de Granada, donde explica en detalle la composición de la pared celular en organismos procaríoticos. - Membrana plasmática La membrana plasmática, en las bacterias, presenta invaginaciones hacia el citoplasma llamados mesosomas, que contienen enzimas que participan en la duplicación del ADN. También en la membrana plasmática, se localizan enzimas que intervienen en la producción de energía (ATP), función que en la célula eucariótica cumple la mitocondria. Curso de Microbiología general, licenciatura de Biología, de la Universidad de Granada, donde explica en detalle la composición de la membrana plasmática y su funcionamiento. - Flagelos Los flagelos están presentes en la mayoría de bacterias, generalmente son rígidos, implantados en la membrana celular mediante un corpúsculo basal. Permiten a la mayoría de bacterias la movilidad en medios líquidos. La movilidad, o sea, el movimiento de traslación de un punto a otro en forma rápida y de zig zag permite a las bacterias responder, por ejemplo, a estímulos químicos cuando las bacterias son atraídas a determinados
compuestos como la glucosa, la galactosa (quimiotactismo positivo) o por el contrario huyen de algunos compuestos como los antibióticos (quimiotactismo negativo). La movilidad debe distinguirse del movimiento pasivo de las bacterias en una sola dirección como consecuencia de las corrientes en la preparación, o del movimiento Browniano que es la constante vibración de las bacterias en un punto fijo, comportamiento que se presenta por estar suspendidas en medio líquido y por su pequeño tamaño. - Fimbrias Son muy numerosas y cortas. No tienen función de motilidad y se encuentran relacionadas con diversas funciones como la de permitir la adherencia a las superficies de tejidos, ser sitios de adsorción para virus bacterianos y además pueden servir como pelos sexuales para el paso de ADN de una célula a otra. Curso de Microbiología general, licenciatura de Biología, de la Universidad de Granada, donde explica en detalle los organélos que le permiten el movimiento a la bacteria. - Cápsula Es una estructura de material viscoso que rodea la pared celular de muchas bacterias que se encuentran en su ambiente natural. No cumple ninguna función metabólica pero sirve a las bacterias para adherirse a sus sustratos o para la formación de colonias mediante la adhesión de bacterias hermanas. Cuando una bacteria encapsulada invade a un huésped, la cápsula evita que los mecanismos de defensa del huésped destruyan la bacteria. Curso de Microbiología general, licenciatura de Biología, de la Universidad de Granada, donde explica en detalle las estructuras superficiales de las bacterias, como por ejemplo, la cápsula
Estructuras internas - El Citoplasma Se encuentra delimitado por la membrana celular y presenta un aspecto viscoso constituido por agua y sustancias como iones, proteínas, enzimas, lípidos, carbohidratos. En él se encuentran: materiales de reserva, ARN, ribosomas, un nucleoide que se ubica en la zona central. En algunas bacterias se encuentran dispersos, por el citoplasma, fragmentos circulares de ADN con información genética, llamados plásmidos. En bacterias fotosintéticas se encuentran los pigmentos fotosintéticos. En el citoplasma se realizan los procesos metabólicos de la célula bacteriana. - Los ribosomas Son organelos con apariencia de gránulos y que se hallan dispersos en el citoplasma bacteriano. Algunos se agrupan en cadena y se les denomina polirribosomas; están compuestos por ácido ribonucleico - ARN (60%) y proteína (40%). Su función es la síntesis de proteína. - La región nuclear Está localizada hacia el centro en la célula y se compone principalmente de ADN aunque también puede encontrarse ARN y proteínas asociadas a éste. El ADN está dispuesto en un cromosoma largo y circular, algunas veces llamado nucleoide, genóforo o cuerpo cromatínico. - Los mesosomas Son repliegues y extensiones de la membrana citoplasmática que intervienen en procesos metabólicos y de reproducción de la célula bacteriana. - Los cuerpos de inclusión También llamados gránulos y que corresponden a materiales de reserva como lípidos, hierro, azufre que se almacenan en el citoplasma, en los períodos de suficiente aporte nutricional para ser utilizados en épocas de inanición. - Los plásmidos Son pequeñas moléculas circulares de ADN extracromosómico que se encuentran en la región nuclear de algunas bacterias. Las moléculas de ADN plásmico, a pesar de encontrarse fuera del cromosoma, toman una conformación de doble hélice al igual que el ADN de los cromosomas.
Los plásmidos se replican de manera independiente al cromosoma y contienen información genética adicional a la contenida en el nucleoide y que le es útil a la bacteria para su supervivencia, en condiciones desfavorables. Por ejemplo, transmite el código que hace resistentes a las bacterias frente a los antibióticos, la capacidad de apareamiento, la resistencia y tolerancia a los materiales tóxicos. Los plásmidos son muy utilizados en ingeniería genética, ya que por su tamaño resulta fácil manipularlos; se pueden aislar, introducir en ellos información y llevarlos a otras células bacterianas viables, en las cuales se expresa la nueva información que ellos portan. - Las vesículas Se encuentran en ciertas bacterias que habitan sistemas acuáticos y que les sirven para flotar, contrarrestando la atracción gravitatoria y así lograr el óptimo de luz. - Endosporas Son estructuras generalmente de forma esférica que se forman en ciertas bacterias Gram positivas (casi siempre bacilos), como respuesta a condiciones ambientales adversas (poca humedad, temperaturas extremas, agentes químicos y físicos etc.). Cuando las condiciones ambientales vuelven a ser favorables la endospora se transforma de nuevo a la forma vegetativa. Las esporas bacterianas debido a su amplia difusión en la naturaleza y su tolerancia a la sequedad o a otros agentes letales, se encuentran habitualmente en las especias, granos de cereales, frutos secos, harina, almidones y leche en polvo 2. Curso de Microbiología general, licenciatura de Biología, de la Universidad de Granada, donde explica en detalle los diferentes organelos que se encuentran en el citoplasma bacteriano. Reproducción de bacterias La mayoría de bacterias se reproducen asexualmente por fisión binaria o bipartición. Algunas especies de bacterias filamentosas se reproducen por esporas que se forman en los extremos de los filamentos. Durante la bipartición, la célula bacteriana 2 Yousef, A and Carlstrom, C. 2006. Microbiología de los alimentos. Manual de Laboratorio. Edit. Acribia. Zaragoza. España. p.52.
da origen a dos células idénticas a la original o clones. El resultado de la fisión binaria son dos células hijas por cada célula madre, así, una célula se divide en dos, dos en cuatro, cuatro en ocho y así sucesivamente. La síntesis de la pared, el crecimiento bacteriano y la duplicación del ADN regulan la división celular. Este mecanismo de división celular es más rápido y menos organizado que la mitosis y la meiosis. El proceso de división ocurre en tres fases principales: 1. Elongación o alargamiento de la célula y duplicación del material genético o ADN, 2. Separación de ADN dentro de las células hijas formadas y 3. La citocinesis o separación celular. El proceso de bipartición se inicia con el alargamiento de la célula bacteriana y la duplicación del ADN, luego en el centro de la bacteria, la pared celular y la membrana plasmática se invaginan con la consecuente formación de un tabique transversal o mesosoma que divide la célula bacteriana en dos y separa las dos regiones de ADN cromosómico. La separación de las dos células va acompañada de la segregación en cada una de ellas de uno de los dos genomas que provienen de la duplicación del ADN original (Figura 8).
Figura 8. Representación de la reproducción de una bacteria Fuente: Carmen Eugenia Piña López Intercambios genéticos en bacterias Sin embargo en algunas bacterias ocurren intercambios genéticos, es decir, intercambio de genes, como resultado de tres mecanismos: transformación, conjugación, transducción e intercambio de plásmidos: Transformación Conjugación Transducción Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN, de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio donde vive. En este proceso, una bacteria donadora, denominada F+, transmite a través de un puente o pili sexual, un fragmento de ADN, a otra bacteria receptora, denominada F-. La bacteria que se llama F+ posee un plásmido, además del cromosoma bacteriano. En este caso la transferencia de ADN de una bacteria a otra, se realiza a través de un virus bacteriófago, que se comporta como un vector intermediario entre las dos bacterias. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña Clasificación de las Bacterias - Por su forma y agrupación Los modelos de agrupamiento celular de las bacterias son característicos de especies definidas y se utiliza como uno de los criterios de clasificación. Cuando las células microbianas, como los cocos, se dividen pueden permanecer unidas unas con otras, formando arreglos característicos y que se denominan colonias. Los bacilos se dividen únicamente en un plano, pero en algunas ocasiones pueden encontrarse células unidas por los extremos o por los lados debido a la etapa del desarrollo en que se encuentren o a las condiciones del cultivo. Las bacterias en espiral generalmente no se agrupan, crecen individuales y aisladas. En la siguiente tabla se resumen algunos de los aspectos fundamentales en la clasificación de las bacterias:
Por forma Coco (esférico) Por ordenamiento Coco único o micrococo Cuando los cocos se dividen en un solo plano vertical, se separan y conservan su individualidad. Diplococo cuando las células hijas se presentan en parejas Estreptococo en cadena Cuando las células hijas forman cadenas Estafilococo las células permanecen unidas pero después de una división celular en dos o más planos y los cocos forman grupos irregulares en ocasiones de gran volumen similares a racimos de uvas. Sarcina grupo de ocho cocos La división celular se produce formando paquetes de ocho células Tetracoco La división celular se produce en dos o tres planos Representación Por composición de la pared celular que reacciona a la tinción de Gram Gram negativas: no retienen el cristal violeta, conservan el colorante rojo por ejemplo safranina y son susceptibles a las cefalosporinas. Gram positivas: absorben y conservan el colorante cristal violeta, son susceptibles a la penicilina y estreptomicina.
perpendiculares formando grupos de cuatro células. Espirilos En forma de espiral Bacilos En forma de bastón Tabla 1. Clasificación de bacterias según su morfología. Fuente Carmen Eugenia Piña López... - Por su requerimiento de oxígeno Otro aspecto a tener en cuenta, en la clasificación de bacterias, es la necesidad de oxígeno para sobrevivir. En este caso, las bacterias dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos. En la siguiente tabla se encuentran los diferentes grupos de bacterias, de acuerdo a su requerimiento de oxígeno: Aerobias estrictas Anaerobias estrictas Anaerobias Facultativas Microaerófilas Dependen exclusivamente del oxígeno para su crecimiento. Son bacterias que se desarrollan en ausencia total de oxígeno, utilizan aceptores finales distintos del oxígeno: CO2, H2 y N2, o poseen metabolismo estrictamente fermentativo. Pueden desarrollarse en presencia o ausencia de oxígeno, aunque predominan en medios anaeróbicos. Bacterias que sólo se pueden desarrollar en presencia de bajas tensiones de O2 (menos del 12%, en lugar del 20% que es la atmosférica) y altas tensiones de CO2. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña - Por su óptimo de temperatura Según la temperatura óptima de crecimiento, las bacterias se clasifican en:
Termófilas Mesófilas Psicrófilas Bacterias que se desarrollan entre 25 y 80 C, óptima entre 50 y60 C. Bacterias que se desarrollan entre 10 y 45 C, óptima entre 20 y 40 C. Bacterias que se desarrollan entre -5 y 30 C, óptima entre10 y 20 C. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña - Según el ph en que se desarrollan Según el ph de crecimiento, las bacterias se clasifican en: Acidófilas Neutrófilas Basófilas Bacterias que se desarrollan a ph entre 1.0 y 5.0. Bacterias que se desarrollan a ph entre 5.5 y 8.5. Bacterias que se desarrollan ph entre 9.0 y 10.0. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña - Por su forma de nutrición Según su metabolismo interno, las bacterias presentan requerimientos nutricionales diversos y se clasifican en: Autótrofas quimiosintéticas o fotosintéticas Heterótrofas Las bacterias autótrofas fotosintéticas utilizan la luz del sol y el bióxido de carbono para fabricar su alimento. Las autótrofas quimiosintéticas utilizan compuestos inorgánicos, por ejemplo, el azufre para fabricar su alimento. Su fuente de energía es el CO2. Bacterias que mediante la absorción pueden utilizar fuente de carbono orgánico para su alimentación.
Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña Lección 9. Microorganismos celulares eucaríoticos: Hongos, Protozoos y Helmintos. Los Hongos Introducción Los hongos pertenecen al dominio Eucarya o Eucariota, Reino Fungi. Presentan diferentes formas, desde microorganismos unicelulares de forma redonda u ovalada llamadas las levaduras hasta pluricelulares como los hongos filamentosos o mohos, que pueden formar largas cadenas de células. Su tamaño y complejidad son superiores al de las bacterias. Habitan en ambientes húmedos y oscuros, sobre el suelo, las frutas, el pan, el queso, las plantas, el cuerpo del hombre y de los animales, en el agua dulce y salada. Se desarrollan mejor en ambientes ligeramente ácidos (ph: 5). La mayoría son aeróbicos aunque hay algunas especies facultativas. Su nutrición es heterótrofa, carecen de clorofila y adquieren su energía de compuestos orgánicos del suelo y del agua. Se considera que los hongos saprófitos juegan un papel importante en la degradación de la materia orgánica muerta, y en el aumento de la fertilidad del suelo. Levaduras Figura 9. Levaduras en gemación Fuente: Carmen Eugenia Piña Las levaduras son hongos unicelulares de forma esférica, alargada u ovalada, presentan diferentes colores: blanco, rosado, beige o rojo. Su tamaño oscila entre 2,5 10 micras de ancho y 4,5-21 micras de largo. Son microorganismos anaerobios facultativos (Figura 9).
La levadura aeróbica produce dióxido de carbono, agua y más biomasa, mientras que la levadura anaerobia fermenta el azúcar en alcohol y dióxido de carbono y tiene un crecimiento más lento. La mayoría se reproducen asexualmente, por gemación. En este tipo de reproducción a la levadura-madre le brota un botón o yema. Al mismo tiempo que el botón aumenta de tamaño, el núcleo de la célula madre, mediante el proceso de mitosis, se divide en dos, transfiriéndole uno a la célula hija o botón. Poco a poco la yema se va desprendiendo de la levadura-madre, dando origen a una levadura hija, idéntica a la madre. Una levadura puede producir hasta 24 células hijas. Las levaduras también pueden reproducirse por fisión binaria. Algunas no separan la célula hija o gema y forman pseudomicelio, característica que se usa para identificar y clasificar la levadura. Por ejemplo, la Candida albicans. Las levaduras pueden habitar en el suelo, sobre las mucosas, en la superficie de vegetales. La mayoría son mesófilas, con una temperatura máxima de crecimiento entre 24 y 48ºC. Se encuentran en un rango amplio de ph el cual está comprendido entre 2,5 y 8. Son incapaces de moverse por lo que únicamente pueden ser arrastrados a través de corrientes de aire, en fluidos o por insectos. En el sentido más estricto de la palabra, no existen levaduras patógenas por naturaleza; las que se relacionan con las enfermedades, tanto en el hombre como en los animales, son incapaces de producir infección en un individuo sano. Se deben presentar algunas alteraciones en las defensas celulares del huésped, en la fisiología o en la composición de la flora normal para que pueda producirse la colonización e infección por levaduras. Hongos Pluricelulares o Mohos Los hongos pluricelulares o mohos están formados por una serie de filamentos o tubos rígidos denominados hifas; dentro de las hifas se encuentra el citoplasma que contiene varios núcleos y organelos como: mitocondrias, ribosomas, vacuolas, aparato de Golgi, retículo endoplasmático y lisosomas. Las hifas pueden especializarse en estructuras denominadas Micelios. Existen dos tipos de micelio: - El micelio vegetativo que crece por toda la superficie del sustrato y tiene como función absorber los nutrientes necesarios para el hongo y fijar el hongo al sustrato. - El micelio aéreo o reproductor que produce las esporas sexuales y asexuales.
Las hifas pueden ser septadas, es decir, presentar tabiques transversales que separan las células o aseptadas (cenocíticas) con células multinucleadas (Figura 10). Figura 10. Hifas septadas multinucleadas Fuente: Carmen Eugenia Piña Los hongos presentan una pared celular, compuesta de varias capas constituidas de estructuras amorfas como los mananos (polímeros ramificados de la manosa), los glucanos (polímeros de la glucosa) y por quitina, que es un polisacárido estructural que también se encuentra en el exoesqueleto de los artrópodos. La pared celular le da la rigidez al hongo y le permite la nutrición absortiva. Los hongos se pueden reproducir por procesos asexuales, sexuales o parasexuales. La forma de reproducción se constituye en un criterio para su clasificación. Los patógenos generalmente se reproducen de forma asexual, aunque algunas especies pueden tener reproducción sexual y asexual, dependiendo de las condiciones ambientales. Reproducción asexual Los hongos imperfectos se reproducen asexualmente de tres formas: por fragmentación o fisión y por la formación de esporas. Fragmentación del micelio Formación de esporas Es una de las formas más sencillas de reproducción y consiste en la fragmentación, crecimiento y ramificación de las hifas para dar origen una nueva colonia. Este mecanismo se usa en los subcultivos de laboratorio. Este tipo de reproducción puede ser de dos tipos: por doble fisión de las hifas, formando células unicelulares de forma cilíndrica llamadas artrosporas, las cuales se liberan cuando las hifas se separan para germinar en el medio adecuado; En el segundo tipo hay una fragmentación de las hifas que desarrollan esporas redondas cubiertas por paredes gruesas llamadas clamidosporas, resistentes a condiciones adversas como el calor y la
desecación. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña Tipos de esporas asexuales Esporangiosporas Son esporas que se producen dentro de de una envoltura denominada esporangio. En este tipo de reproducción el núcleo de la célula madre se divide en varios núcleos y cada uno toma una parte del citoplasma de la célula madre, que luego se rodea de una membrana celular. Al romperse el esporangio, las esporas salen y al caer en el sustrato adecuado dan origen a nuevas hifas (Figura 8). Ejemplo: Mucor o Rhizopus nigricans. Animación del curso de Botánica, de la Universidad de Extremadura (España), donde se observa la formación y liberación de esporangiosporas en un hongo llamado Mucor. Ver animaciones. Conidiosporas Son esporas desnudas que se forman en los extremos de las hifas mediante gemación. En este caso el micelio especializado se denomina conidióforo (Figura 11). Ejemplo: Aspergillus flavus. Figura 11. Hongo del pan: Rhizopus nigricans modificado (Esporangiospora) Conidios en Penicillium (Conidiospora) Fuente: http://darwin.baruch.cuny.edu/bio1003/fungi.html Reproducción Sexual La reproducción sexual es otra forma de reproducción de los hongos e implica la unión de 2 núcleos: uno donante y otro receptor, para formar un núcleo cigótico diploide, que por
meiosis origina 4 núcleos haploides. A los hongos con reproducción sexual se los denomina perfectos. La reproducción sexual comprende 3 fases: Plasmogamia Cariogamia Meiosis Unión los dos protoplastos de las hifas y de los sus núcleos en una sola célula. Fusión de los dos núcleos que se habían reunido en la plasmogamia. Se reduce el número de cromosomas, se forman gametos haploides. Fuente: Módulo Microbiología. UNAD. Carmen Piña Después de la fusión de los núcleos, de las dos células, que comparten el ADN y de ocurrida la meiosis, se forman las esporas con características heredadas de cada uno de sus progenitores. Cada espora tiene capacidad para desarrollar una nueva colonia. Tipos de esporas Sexuales Ascosporas Son unicelulares. Generalmente se desarrollan 4 a 8 dentro una célula denominada asca. Basidiosporas Son unicelulares. Se forman en estructuras llamadas basidios, en número de 4. Zigosporas Son de mayor tamaño, con pared celular gruesa y se desarrollan al fusionarse dos hifas sexualmente compatibles. Oosporas Se forman por la unión de dos células gaméticas, oogonio y anteridio En condiciones óptimas para la germinación, las oosporas dan origen al micelio y esporangios los cuales infectan las plantas. Reproducción parasexual
La reproducción parasexual es un mecanismo raro de la naturaleza, en el que las hifas se unen, sin fusión nuclear posterior y da lugar a una célula con más de un núcleo funcional y de diferente procedencia genética. En algunas ocasiones pueden conjugarse los núcleos y aparecer un núcleo diploide heterocigótico. El hecho comprobado por primera vez fue en Aspergillus nidulans. Los Protozoos Características Este tipo de microorganismos hace parte del Reino de los Protistos. Son organismos eucaríoticos, heterótrofos, móviles, incoloros, unicelulares, carecen de pared celular, algunos tienen vacuolas digestivas y excretoras, flagelos y cilios. Se encuentran en su mayoría en medios acuáticos, aunque algunos son endoparásitos y otros ectoparásitos. Los protozoarios parásitos se pueden encontrar en sangre de humanos y animales y en líquidos tisulares de plantas. Algunos necesitan varios hospedadores para completar su ciclo de vida, presentando en cada uno de ellos una morfología, metabolismo y tipo de reproducción diferente. Durante su ciclo de vida pueden existir de dos formas: trofozoíto y quiste. En la fase de trofozoíto, los protozoarios realizan sus funciones normales de nutrición y crecimiento y es la forma en la que produce la enfermedad. En la fase de quiste, el protozoario se encuentra fuera del huésped y puede resistir condiciones extremas como la desecación, bajas temperaturas y en un medio húmedo logra sobrevivir por años (Figura 12). Figura 12. Paramecio Fuente : Carmen Eugenia Piña López Nutrición La mayoría de los protozoarios son heterótrofos, sin embargo algunos son
autótrofos. La alimentación suele realizarse mediante la captura del alimento, como por ejemplo algas, bacterias y otros protozoarios, que penetran en el citoplasma por mecanismos de difusión de transporte activo. Algunos protozoarios pueden alimentarse a través de aberturas de la membrana celular, llamadas poros bucales, otros como las amebas rodean el alimento mediante pseudópodos (fagocitosis). Algunos protozoarios absorben el alimento a través de su membrana celular. Por ejemplo, el paramecio succiona el alimento produciendo un torbellino con los cilios. El alimento es digerido por las vacuolas nutritivas, localizadas en el citoplasma y luego los residuos son expulsados por las vacuolas fecales. Respiración Los protozoarios respiran por difusión, a través de la membrana celular y por las partículas de agua absorbidas con el alimento. Expulsan el gas carbónico por las vesículas o vacuolas pulsátiles. Cuando la vacuola pulsátil está llena de agua, se abre y libera al exterior el CO2. Reproducción Se reproducen asexualmente por división binaria, por gemación y por esporulación (fragmentación de la célula madre en esporas) del trofozoito o forma vegetativa del protozoo. Cuando sucede este último caso, pueden permanecer mucho tiempo enquistados en una cápsula. Otro tipo de reproducción asexual es la división múltiple, característica de las amebas. En algunos grupos de protozoarios, la reproducción asexual alterna con fases de reproducción sexual, esto debido a cambios desfavorables del medio. También se pueden reproducir sexualmente. Este tipo de reproducción se inicia con la formación de gametos, macrogametos y microgametos, por diferenciación de las células del trofozoito. Su unión da lugar a la formación del cigoto, seguido de divisiones meíoticas. La fusión celular puede ser total, dando lugar a un cigoto (singamia), como sucede en los esporozoos o parcial, por conjugación, como sucede en algunos ciliados. En la conjugación, el macronúcleo de un protozoario se degenera y el micronúcleo, por divisiones meioticas, da origen a cuatro micronúcleos con reducción de su material genético. Uno de estos micronúcleos es transferido de un protozoo al otro para formar el cigoto y los otros tres micronúcleos se degeneran. Luego el cigoto formado, realizando división múltiple (reproducción asexual) da lugar a numerosas células denominadas esporozoitos. En este tipo de reproducción se produce un intercambio de información genética entre dos protozoos.
Clasificación Según la forma como se desplazan los protozoos se clasifican en 3 : sacordinos ciliados flagelados esporozoos. Sacordinos Figura 13. Entamoeba histolítica. Fuente: http://hpd.botanic.hr/ bio/ odgovori/odgovor315.htm Se desplazan por medio de pseudópodos, que son prolongaciones de la célula y que les sirven además para capturar el alimento, englobarlo (proceso de fagocitosis) y formar una vacuola digestiva, donde el alimento es digerido por acción de enzimas. La mayoría son parásitos del hombre y habitan en el tracto gastrointestinal y cavidad oral. Un ejemplo es la Entamoeba histolítica (Figura 13). Ciliados Figura 14. Balantidium Fuente: http://www.ufrgs.br/parasite/siteantigo/imagensatlas/protozoa/balantidium.htm Su forma es ovalada, se desplazan y capturan el alimento por medio de cilios, filamentos cortos, vibrátiles y numerosos que rodean su cuerpo. Poseen una hendidura bucal o boca en el citoplasma para la ingestión de alimentos al final se presenta el citostoma y la citofaringe que se continúan, en el interior del citoplasma, con las vesículas alimenticias. El citoplasma realiza movimiento de ciclosis. Poseen vacuolas contráctiles que ayudan a expulsar el agua y residuos de la digestión a través del poro anal o citopigio. Se caracterizan por ser los únicos organismos con dos núcleos un micronúcleo para la reproducción y un macronúcleo para la alimentación. Se reproducen de dos formas: asexual por bipartición y sexual por conjugación. Un ejemplo es el Balantidium coli (Figura 14). 3 Piña, C. 2010. Módulo Microbiología General. UNAD.
Flagelados Figura 15. Giardia Lamblia Fuente: http://www.inselhunde.de/ giardien.htm Se desplazan por medio de flagelos, filamentos largos y poco numerosos. Muchos son de vida libre y necesitan vectores (insectos) para su transmisión. También pueden transmitirse por aguas o alimentos contaminados. Un ejemplo es la Giardia Lamblia (Figura 15). Esporozoos Figura 16. Plasmodium Carecen de órganos de locomoción. Todos son parásitos obligados de células del hombre y de los animales. Presentan una estructura apical que permite la penetración intracelular. Se reproducen en dos fases: una asexual y otra sexual, dependiendo de la fase pueden estar como: trofozoito, gameto o cigoto (Figura 16). Fuente: http://www.cdc.gov/malaria/ spotlights/ index_100504.htm Helmintos Aunque no son microorganismos en el sentido estricto, tienen importancia en el área de alimentos debido a los procesos infecciosos que causan. Comprenden dos tipos: gusanos aplanados (cestodos y trematodos) y gusanos redondos (nematodos). Corresponden a un grupo de parásitos animales multicelulares y que durante algunos estadios del ciclo vital, se presentan en tamaños microscópicos. Los helmintos parásitos deben estar altamente especializados para vivir dentro de sus huéspedes 4 : 4 Tortora, G.J. y col. 2007. Introducción a la microbiología. Edit. Médica Panamericana. 9ª. Edición. Buenos Aires.p370.
- Pueden carecer de aparato digestivo, pues absorben nutrientes a partir del alimento, líquidos corporales y tejidos del huésped. - Su sistema nervioso es reducido, pues no necesitan buscar alimento y el ambiente dentro del huésped se mantiene relativamente constante. - Carecen de medios de locomoción o son muy limitados pues son transferidos de un huésped a otro. - Su aparato reproductor suele ser complejo, por las grandes cantidades de huevos con las que infectan un huésped. El ciclo vital de los helmintos es muy complejo pues pueden requerir múltiples huéspedes para completar cada estado larvario, además de un huésped definitivo para el parásito adulto. Trematodos Figura 17. Fasciola Hepática Fuente:http://www.ferato.com/wiki/index.php/Fascioliasis Llamados dístomas y caracterizados por ser de cuerpos planos, en forma de hoja, con una ventosa oral y ventral, que son las que mantienen fijo al microorganismo, en el sitio que colonizan al huésped. Los trematodos obtienen el alimento por la absorción a través de su cubierta externa inerte, denominada cutícula (Figura 17). Cestodos Figura18. Taenia Saginata Fuente: http://www.manualmerck.net/?id=210&cn=1761 Son parásitos intestinales, también conocidos como tenías. La cabeza o escólex tiene unas ventosas que sirven para que el parásito se adhiera a la mucosa intestinal. Carecen de aparato digestivo por lo que toman los nutrientes a través de su cutícula. El cuerpo está formado por segmentos llamados proglótides, donde se pueden encontrar ambos órganos reproductores (masculino y femenino) y sacos llenos de huevos, que colonizaran posteriormente el huésped (Figura 18).