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Microbiología La microbiología es el estudio de los microorganismos, un grupo grande y diverso de organismos microscópicos que vive en forma de células aisladas o en grupos de ellas; también comprende a los virus, que son organismos microscópicos, pero que carecen de estructuras celulares. CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Los microrganismos de más interés para la microbiología son las bacterias; las cuales se pueden clasificar desde diversos puntos de vista, se revisará los más importantes. Las bacterias presentan una amplia variedad de tamaños y formas. La mayoría (como el Proteus y Escherichia) presentan un tamaño diez veces menor que el de las células eucariotas, es decir, entre 0,5 y 5 μm. Sin embargo, algunas especies como Thiomargarita namibiensis y Epulopiscium fishelsoni llegan a alcanzar los 0,5 mm, lo cual las hace visibles al ojo desnudo. En el otro extremo se encuentran bacterias más pequeñas conocidas, entre las que cabe destacar las pertenecientes al género Mycoplasma , las cuales llegan a medir solo 0,3 μm, es decir, tan pequeñas como los virus más grandes. La forma de las bacterias es muy variada y, a menudo, una misma especie adopta distintos tipos morfológicos, lo que se conoce como pleomorfismo. De todas formas, podemos distinguir tres tipos fundamentales de bacterias:
- Coco (del griego kókkos , grano): de forma esférica. o Diplococo : cocos en grupos de dos. o Tetracoco : cocos en grupos de cuatro. o Estreptococo : cocos en cadenas. o Estafilococo : cocos en agrupaciones irregulares o en racimo.
- Bacilo (del latín baculus , varilla): en forma de bastoncillo.
- Formas helicoidales: o Vibrio: ligeramente curvados y en forma de coma, judía o cacahuete. o Espirilo: en forma helicoidal rígida o en forma de tirabuzón. o Espiroqueta: en forma de tirabuzón (helicoidal flexible).
ESTRUCTURAS BACTERIANAS
Las estructuras comunes de una bacteria son: PARED CELULAR: Está compuesta de una capa compleja llamada MUREÍNA ; que lo protege del medio externo. Además de brindar protección osmótica, la pared celular desempeña una función esencial en la división celular, también sirve como preparador para su propia biosíntesis. Varias capas de la pared son sitios de determinantes antigénicos mayores de la superficie celular y uno de sus componentes (los lipopolisacáridos de las paredes celulares de bacterias cápsula Pared bacteriana Membrana celular ADN bacteriano Inclusiones citoplásmicas ribosomas ARNm mesosomas fimbrias Pili sexual plásmido polisomas flagelo
gramnegativas(LPS)) son causantes de la actividad endotóxica inespecífica de las bacterias gramnegativas. La estructura básica es la misma en todas las especies bacterianas; las cadenas tetrapeptídicas laterales y los enlaces peptídicos varían de una especie a otra. Las cadenas laterales tetrapeptídicas de todas las especies tienen ciertas características importantes en común. La mayor parte tiene l-alanina en la posición 1 (unida al ácido N- acetil murámico), d-glutamato o la sustitución de d-glutamato en la posición 2 y d-alanina en la posición 4. La posición 3 es la más variable: la mayor parte de las bacterias gramnegativas tienen ácido diaminopimélico u otro aminoácido en dicha posición.
Componentes especiales de las paredes celulares de bacterias grampositivas La mayor parte de las paredes celulares de las bacterias grampositivas contienen cantidades considerables de ácidos teicoico y teicurónico, los cuales pueden constituir hasta 50% del peso seco de la pared y 10% del peso seco de la totalidad de la célula. Además, algunas paredes de bacterias grampositivas pueden contener moléculas de polisacáridos. En conjunto con los peptidoglucanos, los ácidos teicoicos y lipoteicoicos constituyen una red polianiónica o matriz que proporciona funciones relacionadas con la elasticidad, porosidad, fuerza tensil y propiedades electrostáticas de la envoltura. Los ácidos teicurónicos son polímeros similares, pero repiten unidades, lo que incluye carbohidratos ácidos (como Lipopolisacáridos N-acetilmanosurónico o ácido d-glucosurónico) en lugar de ácido fosfórico. Se sintetizan en lugar de los ácidos teicoicos cuando hay limitación en la disponibilidad de fosfato. Componentes especiales de las paredes celulares de bacterias gramnegativas Las paredes celulares de bacterias gramnegativas contienen tres componentes que se encuentran fuera de la capa de peptidoglucanos: lipoproteínas, membrana externa y lipopolisacáridos. Membrana externa. Es una estructura con bicapa cuya hoja interna tiene una composición similar a la de la membrana celular, en tanto que la hoja externa contiene un constituyente diferente, lipopolisacáridos (LPS, lipopolysaccharide). La capacidad de la membrana externa para que excluya moléculas hidrófobas es una característica poco común entre las membranas biológicas y sirve para proteger a la célula (en el caso de bacterias entéricas) de sustancias nocivas, como las sales biliares. Por su naturaleza lipídica, es de esperarse que la membrana externa excluya también a moléculas hidrofílicas. Sin embargo, dicha membrana posee conductos especiales, formados por proteínas
denominadas porinas, que permiten la difusión pasiva de compuestos hidrofílicos de bajo peso molecular como azúcares, aminoácidos y ciertos iones. Las moléculas grandes de antibióticos penetran la membrana externa con relativa lentitud, lo que explica la resistencia relativamente elevada a los antibióticos de las bacterias gramnegativas. La membrana externa se conecta a la capa de peptidoglucanos y a la membrana citoplásmica. La conexión con la capa de peptidoglucanos está mediada principalmente por lipoproteínas de la membrana externa. Casi una tercera parte de las moléculas de lipoproteínas tienen enlace covalente con los peptidoglucanos y ayudan a mantener las estructuras juntas. Lipopolisacáridos (LPS). Los LPS que son extremadamente tóxicos para los animales se denominan endotoxinas de bacterias gramnegativas porque se encuentran firmemente unidas a la superficie celular y se liberan sólo cuando las células sufren lisis. Cuando los LPS se desdoblan en polisacáridos y lípido A, toda la toxicidad se relaciona con este último. El antígeno O es muy inmunógeno en animales vertebrados. Se confiere especificidad antigénica por el antígeno O porque éste es muy variable entre las especies e incluso en cepas de una misma especie. El número de posibles tipos antigénicos es muy grande: solamente de Salmonella se han identificado más de 1000. No todas las bacterias gramnegativas tienen LPS en la membrana externa compuesta por números variables de unidades repetidas de oligosacáridos; los glucolípidos de la membrana externa de las bacterias que colonizan las superficies mucosas (p. ej., Neisseria meningitidis, N. gonorrhoeae, Haemophilus influenzae y Haemophilus ducreyi) poseen glucanos relativamente cortos, ramificados.
MEMBRANA BACTERIANA: Similar a la membrana celular de un organismo normal. Es una “unidad de membrana” típica compuesta por fosfolípidos y hasta 200 diferentes tipos de proteínas. Las proteínas constituyen casi 70% de la masa de la membrana, una proporción considerablemente más elevada en comparación con las membranas de las células de mamíferos. Las principales funciones de la membrana citoplásmica son:
- Permeabilidad selectiva y transporte de solutos;
- Transporte de electrones y fosforilación oxidativa en especies aerobias;
- Excreción de exoenzimas hidrolíticas;
- Transporte de enzimas y moléculas que participan en la biosíntesis de DNA, polímeros de la pared celular y lípidos de la membrana, y
- Portar receptores y otras proteínas quimiotácticas y otros sistemas sensoriales de transducción.
RIBOSOMAS: Es el único organelo presente en las bacterias, es más pequeño que el de las células eucariontes, cumple las mismas funciones en conjunto con el ARNm, el de realizar las síntesis de proteínas. ARNm: ARN mensajero que elabora el nucleoide para realizar la síntesis de proteínas. POLISOMA: Unión de varios ribosomas y un ARNm para realizar la síntesis mediante secuencias de nucleótidos en el ARNm NUCLEOIDE o ADN bacteriano: Es el ADN circular principal de la bacteria. INCLUSIONES CITOPLÁSMICAS: Formados por diversos productos desarrollados por la bacteria. La mayor parte de las inclusiones celulares están limitadas por una membrana delgada formada por lípidos, que sirve para separar los cuerpos de inclusión del citoplasma mismo. Uno de los cuerpos de inclusión más comunes consiste en ácido poli-β hidroxibutírico (PHB, poly-β-hydroxybutyric acid), un compuesto similar a un lípido que tiene cadenas de ácido β-hidroxibutírico conectadas a través de enlaces éster. El PBH se produce cuando la fuente de nitrógeno, sulfuro y fósforo se encuentra limitada y hay exceso de carbón en el medio.
pilosidades sexuales, que participará en el mecanismo de unión de células donadas y receptoras para la conjugación bacteriana. PILI SEXUAL: Túbulo hueco para el intercambio de material genético que transporta el plásmido. PLÁSMIDO: Material genético y/o ADN accesorio; donde se encuentran características específicas de determinadas bacterias, patogenicidad, toxinas y otros caracteres. FLAGELO: Proyección muy larga y dotada de movimiento, sirve como órgano locomotor en bacterias móviles. Los flagelos bacterianos son apéndices fusiformes compuestos en su totalidad por proteína, con un diámetro de 12 a 30 nm. Son órganos de locomoción para las estructuras que los poseen. Un flagelo bacteriano está constituido por varios miles de moléculas de subunidades proteínicas denominadas flagelina. La flagelina de diferentes géneros bacterianos probablemente difiera de otra en cuanto a su estructura primaria. Son muy antigénicas (antígeno H) y algunas de las respuestas inmunitarias a la infección se dirigen contra estas proteínas. CÁPSULA: Cubierta externa de naturaleza glucolípida, que les sirve a ciertas bacterias para evitar ser fagocitadas por organelos del sistema inmunitario. El glucocálix participa en la adhesión bacteriana a las superficies en su entorno, lo que incluye células hospedadoras vegetales y animales. Por ejemplo, S. mutans posee la capacidad para adherirse estrechamente al esmalte de los dientes por medio de su glucocálix. Endosporas Miembros de varios géneros bacterianos son capaces de formar endosporas. Las dos más comunes son bacilos grampositivos: los anaerobios obligados del género Bacillus y los anaerobios obligados del género Clostridium. Otras bacterias que se sabe
forman endosporas son Thermoactinomyces, Sporolactobacillus, Sporosarcina, Sporotomaculum, Sporomusa y Sporohalobacter. Esporulación: El proceso de esporulación inicia cuando las condiciones nutricionales se tornan poco favorables, hay casi agotamiento de las fuentes de nitrógeno o de carbono (o ambas), lo que constituye los factores más significativos. La esporulación ocurre masivamente en cultivos que han terminado su crecimiento exponencial como consecuencia del casi agotamiento de los nutrientes. La esporulación implica la producción de muchas estructuras, enzimas y metabolitos nuevos junto con la desaparición de varios componentes de la célula vegetativa.
➢ Quimiotrofas , cuando obtienen energía a partir de sustancias químicas que son oxidadas principalmente a expensas del oxígeno (respiración aerobia) o de otros receptores de electrones alternativos (respiración anaerobia). ➢ Quimiolitotrofas: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas. ➢ Quimioorganotrofas: captación de energía química a partir de sustancias orgánicas. Según los donadores de electrones, las bacterias también se pueden clasificar como: ➢ Litotrofas , si utilizan como donadores de electrones compuestos inorgánicos. ➢ Organotrofas , si utilizan como donadores de electrones compuestos orgánicos. CON EL CARBONO: ➢ El anhídrido carbónico es requerido por todo tipo de bacterias: Las autótrofas lo requieren como fuente de carbono, y lo reducen usando como fuente de energía la luz (en el caso de las fotoautótrofas) u oxidaciones de determinadas sustancias inorgánicas (los quimioautolitotrofos). Las arqueobacterias metanogénicas pueden usar el CO 2 como aceptor de los electrones procedentes de la oxidación del H 2 , proceso por el que obtienen su energía: ➢ CO 2 + 4H 2 ---------> CH 4 + 2H 2 O Los heterótrofos, aunque no usan el CO 2 como fuente de C ni como aceptor de electrones, necesitan pequeñas cantidades para las carboxilaciones en determinadas rutas anabólicas y catabólicas.
➢ El origen del CO 2 puede ser: Endógeno : procedente de descarboxilaciones que ocurren al degradar la fuente orgánica de carbono. Exógeno : el CO 2 de la atmósfera o disuelto en las soluciones acuosas. Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO 2 atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias ( Neisseria , Brucella ), cuando se aíslan por primera vez, requieren atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO 2. Ello parece deberse a que poseen alguna enzima con baja afinidad hacia el CO 2 ; sin embargo, tras varios subcultivos, suelen adaptarse a crecer a tensiones normales. CON EL NITRÓGENO: La atmósfera contiene enormes cantidades de nitrógeno no combinado (libre) en estado gaseoso: el nitrógeno molecular o dinitrógeno (N 2 ), que procede de microorganismos denitrificantes. Sin embargo, esta gran reserva sólo puede servir de fuente de nitrógeno a ciertos procariotas, las llamadas bacterias fijadoras de nitrógeno o diazotrofos. Los organismos quimiotrofos usan donadores de electrones para la conservación de energía (durante la respiración aerobia, anaerobia y la fermentación) y para las reacciones biosintéticas (por ejemplo, para la fijación del dióxido de carbono), mientras que los organismos fotótrofos los utilizan únicamente con propósitos biosintéticos. Los organismos que respiran usan compuestos químicos como fuente de energía, tomando electrones del sustrato reducido y transfiriéndolos a un receptor terminal de electrones en una reacción redox. Esta reacción desprende energía que se puede utilizar para sintetizar ATP y así mantener activo el metabolismo. En los organismos aerobios, el oxígeno se utiliza como receptor de electrones.
La mayoría de los organismos litotrofos son autótrofos, mientras que los organismos organotrofos son heterótrofos. El metabolismo tiene dos componentes, catabolismo y anabolismo Los orígenes biosintéticos de los bloques de construcción y coenzimas, proviene de unos cuantos precursores, llamados metabolitos focales como la glucosa 6 - fosfato (G6PD), fosfoenolpiruvato, oxaloacetato y α-cetoglutarato originan la mayor parte de los productos biosintéticos terminales.
VÍAS DE ASIMILACIÓN
Crecimiento con acetato: El acetato se metaboliza a través de acetil-CoA, y muchos microorganismos poseen la capacidad de formar acetil-CoA. La molécula de acetil-CoA se utiliza para la biosíntesis de α cetoglutarato y en la mayor parte de los microorganismos con mecanismos respiratorios, los fragmentos acetilo de acetil-CoA sufren oxidación completa a dióxido de carbono a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos.
