Temario Microbiología 2023-24 PDF

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Temario-microbiologia-2023-24.pdf mayumano12 Microbiología 2º Grado en Biotecnología Facultad de Ciencias Universidad de Extremadura Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Bienvenidos a la asignatura a la que casi nadie va a clase, entre otras cosas porque Luis Miguel tiene las diapositivas en inglés. Yo si fui, he hecho lo que he podido en actualizar los apuntes, cambió un poco el temario. Protips: - Cuando la gente empezó a faltar a clase (estábamos yo y 4 gatos más), empezó a pasar lista. - Algo del nitrógeno siempre entra en desarrollo y en tipo test. - El parcial renta sacarlo, si lo consigues tienes 25 preguntas test y 2 de desarrollo del segundo parcial, si vais al global tendréis 50 de test y 4 desarrollo (mitad y mitad de cada parte) pero el mismo tiempo para hacerlo. - La posibilidad de que tengáis parcial en vuestro año depende de cuánta gente haya ido al año anterior (si hubo), en mi año fuimos pocos y el parcial fue asequible. - No recomiendo imprimir los apuntes, me parece mucho más cómodo verlos desde un portátil y moverte rápido con ctrl + f. Tema 1. Introducción, contexto histórico El descubrimiento de los microorganismos La Microbiología se encarga del estudio de todos los aspectos de los microorganismos: sus funciones, su evolución, su diversidad, su ecología, su genética… Los microorganismos se definen como seres vivos que son demasiado pequeños como para poder observarlos mediante el ojo humano, por lo tanto, se necesitan instrumentos para su estudio. Son capaces de vivir en todos los ecosistemas En el siglo XVII Robert Hooke describió unas estructuras microscópicas que resultaron ser cuerpos fructíferos de hongos (con su microscopio llegaba a 50 aumentos). Esta fue la primera descripción de un microorganismo. Escribió un libro, Micrographia (1665). El holandés Antoni van Leeuwenhoek (sin formación académica) es considerado el primer observador de microorganismos en la segunda mitad del siglo XVII mediante unas lentes talladas y un sistema para estas (hasta 250 aumentos). Sus Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 descubrimientos los enviaba a la Royal Society de Londres y fue el primero en describir a las bacterias, a las que denominó animálculos. Pasó un siglo sin avances destacables, ya que para seguir progresando se necesitaban microscopios más potentes. En el siglo XIX, el alemán Ferdinand Cohn fue capaz de observar unas bacterias de gran tamaño denominadas Beggiatoa. Trató no solo de observar la bacteria, sino de observar su interior, y encontró unos gránulos de azufre. También estudió el ciclo de vida de Bacillus. Observó que lo que sobrevivía eran unas estructuras que resultaron ser endosporas que se forman a partir de la célula vegetativa y eran resistentes a la temperatura y a la escasez de nutrientes por lo que cuando se encontraban en un ambiente determinado germinaban. Además, escribió una serie de características para asentar las bases de la clasificación bacteriana. Diseñó métodos para evitar la contaminación de cultivos bacterianos mediante tapar los cultivos con tapones de algodón (permite el paso de aire sin contaminantes). Pasteur y la generación espontánea En el siglo XIX se avanzó mucho en la generación espontánea y las enfermedades infecciosas. Podemos destacar los estudios de Louis Pasteur (1822-1895), sus principales aplicaciones de fueron: - Descubrió que los seres vivos discriminan los isómeros ópticos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 - Descubrió la fermentación alcohólica, un proceso biológicamente mediado (se creía que era un proceso puramente químico). Unos comerciantes franceses elaboraban vinos y cervezas, al transportarlos se le acidificaban y le encargaron a Pasteur que lo estudiara. Llegó a la conclusión de que las fermentaciones estaban mediadas por levaduras y otros microorganismos. Las bacterias acetobacter transforman el alcohol en ácido acético. - Trabajó en la generación espontánea, de una disolución rica en nutrientes, pasado un tiempo de putrefacción surgen microorganismos. Para contradecir esto, Pasteur calentó esa muestra rica en nutrientes y lo mantuvo tapado durante un tiempo indefinido, allí no creció nada. Le dijeron que el experimento no era válido porque los microorganismos necesitaban aire fresco. Lo que hizo entonces fue utilizar un matraz de cuello de cisne y lo calentó, pero sin cerrarlo. Los microorganismos se generaban, pero se quedaban en la curva y los nutrientes no se contaminaban. - Diseñó métodos para esterilizar alimentos (técnica aséptica) y descubrió algunas vacunas como las del ántrax, la cólera y la rabia. La más conocida fue esta última, ya que el virus de la rabia era el más mortífero. Koch y las enfermedades infecciosas Robert Koch fue quien demostró que las enfermedades infecciosas están producidas por microorganismos. Encontró los agentes infectantes del anthrax y de Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Microbiología Banco de apuntes de la a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 la tuberculosis. En sus primeros trabajos estudió el ántrax, una enfermedad que se daba en el ganado fundamentalmente. Utilizó ratones como animal de experimentación. Los postulados de Koch son los siguientes: - El supuesto patógeno debe estar presente en todos los organismos enfermos y estar ausente en todos los sanos. - El supuesto patógeno debe crecer en cultivos infectados y no en sanos. - Las células de un cultivo infectado del supuesto patógeno deben causar la enfermedad en un organismo sano. - El supuesto patógeno debe ser reaislado y posteriormente ha de ser demostrado que es el mismo que el original. Para establecer sus postulados se necesitaba obtener cultivos puros de microorganismos, por lo que trabajo mucho en eso. Descubrió que, si un cultivo lo dejaban al aire libre un tiempo, en la superficie crecían masas (colonias) que estaban formadas por tipos únicos de microorganismos, y que podían aislarse generando cultivos puros. Al principio utilizó como medio de cultivo una patata, pero evolucionó y comenzó a solidificar los cultivos con gelatina y agar-agar. Richard Petri inventó las placas de Petri en 1887, que actualmente siguen siendo muy utilizadas en los laboratorios. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Tuberculosis Aproximadamente una de cada siete muertes del mundo era causada por tuberculosis, además no se conocía ni el agente causante ni si era infecciosa. Koch se dedicó a trabajar con ella, empezó a realizar modificaciones en sus tinciones hasta lograr observar un microorganismo en sus muestras. El agente causante era difícil de ver (no lo tiñen los colorantes normales) y de cultivar (los ratones no eran sensibles), por lo que Koch añadió al medio de cultivo suero sanguíneo, consiguiendo su objetivo. Una vez habiéndolo visto y observado utilizó sus propios postulados para demostrar que efectivamente era el agente causante de la tuberculosis. Diversidad microbiana Al terminar el siglo XIX quedó claro que la generación espontánea era falsa y las enfermedades infecciosas eran producidas por microorganismos, por lo que en el siglo XX se fueron abordando otros campos en la microbiología. Martinus Beijerinck diseñó unos medios de cultivo de enriquecimiento, con unos nutrientes y condiciones específicas para que crezcan más unos organismos y otros menos (o directamente no crezcan). Así fue capaz de aislar las bacterias fijadoras de nitrógeno (Azotobacter), entre otras. También se hizo famoso por describir el primer virus (mosaico del tabaco). Sergei Winogradsky destacó por definir el concepto de quimiolitotrofía (obtención de energía por compuestos inorgánicos), exclusivo de microorganismos. Fue el primero en demostrar la fijación de nitrógeno. Microbiología moderna y genómica La Microbiología molecular se desarrolló bastante en el siglo XX. Carl Woese fue su principal desarrollador, descubrió las arqueas y propuso los dominios Archaea, Bacteria y Eukarya, basados en la secuenciación de los genomas. Norman Pace fue capaz de identificar microorganismos mediante ácidos nucleicos sin haberlos cultivado antes. La Genómica estudia el material genético de las células vivas. A partir de ella han surgido distintas ramas: - Metagenómica: genómica de poblaciones (Jo. E. Hanselman) - Transcriptómica: estudio de los patrones de ARN. - Proteómica: estudio de todas las proteínas producidas por la célula. - Metabolómica: estudio de las expresiones metabólicas en las células. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Tema 2. Evolución y diversidad de los microorganismos. Árbol filogenético Importancia de la microbiología La Microbiología en general se ocupa de dos grandes ramas: - Básica. Entender los procesos básicos de la vida. Los microbios son modelos excelentes para entender los procesos celulares en organismos tanto unicelulares como pluricelulares. - Aplicada. Aplicar estos conocimientos en el beneficio de los humanos, por ejemplo, en la medicina o la agricultura. Los microorganismos son importantes porque: - Son la forma más antigua de vida. - Actualmente, sigue siendo la forma de vida más abundante en la Tierra. - Su aportación al comportamiento de la biosfera es enorme, de alta importancia en ciclos biogeoquímicos. - Pueden vivir (no sobrevivir) en un rango muy amplio de temperatura, desde varios grados bajo cero hasta incluso por encima de 100 ºC. - Abundantes seres vivos necesitan microbios para sobrevivir, sin embargo, los microorganismos no necesitan de nadie para sobrevivir, puesto que han vivido solos muchos años en la Tierra. Estructura de la célula microbiana Dentro de los procariotas hay 2 grupos: las arqueas y las bacterias. Todas las células tienen en común lo siguiente: - La pared celular, que le confiere rigidez a la célula. - El citoplasma, conjunto de macromoléculas, iones y ribosomas de la célula. - Los ribosomas, que son las estructuras que sintetizan proteínas. - La membrana citoplasmática, la barrera que separa el interior de la célula con el ambiente externo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Genes, genomas, núcleo y nucleoide El ADN en eucariotas tiene las siguientes características: - Es lineal y se encuentra en el interior del núcleo. - Está asociado con proteínas que le ayudan en el ensamblaje, como por ejemplo las histonas. - Normalmente el genoma está constituido por más de un cromosoma. - Típicamente hay dos copias de cada cromosoma. - Durante la división celular, el núcleo se divide por mitosis. - Durante la reproducción sexual, el genoma se divide por meiosis. Sin embargo, en las células procariotas, el genoma se caracteriza por: - El ADN es circular. - Solamente tiene un cromosoma. - Está condensado en una región denominada nucleoide. - Pueden tener otros ácidos nucleicos extracromosómicos (plásmidos) que les confieren propiedades especiales, como la defensa de antibióticos. Actividades de las células microbianas En la naturaleza las células suelen vivir en comunidades - Metabolismo. Transformación nutrientes en energía. Es utilizada en la genética, en la catálisis de metabolismo. - Reproducción. A partir de una célula generar descendencia. - Diferenciación. Formar estructuras diferenciadas dentro de las células. Está relacionada con la supervivencia. Un ejemplo de diferenciación es la espora. - Comunicación. Ser capaz de captar señales químicas de otros microorganismos y responder a ellas. - Movimiento. Es una gran ventaja para las células que lo poseen. Así se mueven a zonas más favorables para su desarrollo. - Evolución. Cambios genéticos con el fin de adaptarse a nuevas condiciones externas. - Intercambio genético. Hay un proceso que se llama transferencia horizontal de genes que ya la veremos más adelante y es clave para la evolución. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 El metabolismo, el crecimiento (reproducción) y la evolución están en todas las células. La diferenciación, la comunicación, el movimiento y el intercambio genético (transferencia horizontal de genes) están presentes solamente en algunos microorganismos. La evolución y la diversidad de los microorganismos Las primeras entidades que fueron capaces de reproducirse no eran células propiamente dichas; sino que eran moléculas que no poseían ni membranas. Cuando se formaron las primeras células verdaderas, se convirtieron en el antecesor común de todas las demás (LUCA, Last Universal Common Ancestor). La Tierra se formó hace 4,6 billones de años. Las primeras células aparecieron hace 3,8 o 3,9 billones de años. Hasta hace 2000 millones de años la atmósfera era anoxigénica, lo que significa que el único metabolismo que se daba era el anaeróbico y quimiolitótrofo (incluyendo la fotosíntesis anoxigénica) hasta la aparición de las cianobacterias. La vida era únicamente microbiana hasta hace 1000 millones de años. Podemos decir que la gran revolución la produjeron las cianobacterias, con su forma de conseguir energía por fotosíntesis aerobia, más eficiente que la anaerobia. Tenían mucho éxito porque no tenían limitaciones en sustratos. En primer lugar, se produjo la gran oxidación, todos los compuestos reducidos que había en la superficie de la tierra se oxidaron por la presencia del oxígeno y llegó un momento en el que se saturó la superficie de la Tierra. Se fue liberando el O2 hacia la atmósfera produciendo la formación de la capa de ozono. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 La vida se había desarrollado a profundidades marinas donde no había sol, pero no en la superficie hasta que se pudo proteger de las radiaciones solares. Una forma de obtener energía es utilizando oxígeno, son mecanismos mucho más eficientes que las anaerobias, por los que los aerobios proliferaron rápidamente, es decir, aceleró muchísimo la evolución. Filogenia molecular y el árbol de la vida En 1866, Haeckel propuso que los seres vivos venían de los microorganismos e hizo un amago de construir un árbol en el que introdujo el grupo Monera. En 1967, Whitaker agrupó a los seres vivos en cinco reinos, árbol que fue admitido hasta hace no muchos años. Carl Woese aportó en la clasificación de los organismos la utilización de ARN ribosómico en los años 70, diferenciando los microorganismos en tres dominios: Archaea, Bacteria y Eukarya. El ARNr tiene las siguientes características: - Están en todos los seres vivos, proteínas, en procariotas eran las subunidades 16S y en los eucariotas los 18S. - Son constantemente funcionales, es decir, en todos los organismos tienen la misma función, que está ligada a la síntesis de proteínas. - Están muy conservados, es decir, a lo largo de la evolución han cambiado muy lentamente. - Tienen un tamaño adecuado para trabajar con ellos. Los dominios Archaea y Bacteria no están estrechamente relacionados, al contrario de lo que se creía inicialmente, de hecho, el dominio Eukarya tiene más parecidos con Archaea que Bacteria. La comparación de las secuencias de ARN se realiza por el siguiente procedimiento: - Se identifican los genes que codifican para el ARN ribosómico. - Se amplían esos genes por PCR. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 - Se separan del resto de genes por electroforesis. - Se secuencian (que actualmente es muy sencillo). - Se analiza la secuencia comparándolas con otras para establecer relaciones filogenéticas. A pesar de que la utilización de ARN es lo más común, también se ha estudiado el uso de secuencia de ADN para la clasificación filogenética. Diferencias entre los 3 dominios Fijarse solo en lo subrayado. Reducción desasimilatoria: reducir un compuesto para obtener energía en vez de asimilarlo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Microorganismos y su entorno Los microorganismos llevan en la tierra 4000 millones de años y han podido adaptarse a cualquier entorno. La abundancia de diversidad de los microorganismos depende de los nutrientes existentes, el tipo de nutrientes, la abundancia de estos y las condiciones ambientales. Así, se desarrollarán unos microorganismos u otros. El hecho de que una población microbiana se adapte a un entorno hace que interaccione con él y cambie sus propiedades físicas y químicas. Los microorganismos viven en la naturaleza agrupados en poblaciones, que son una serie de células idénticas que provienen de una misma célula. El conjunto de poblaciones forma una comunidad y el lugar donde interaccionan se llama hábitat. El hábitat incluye a dichos organismos vivos más todo el entorno con sus características físicas y químicas. Los microorganismos son los que controlan los ecosistemas, soportan la biosfera. Están relacionados con el reciclaje y el control del ambiente. Por esa diversidad tan tremenda se encuentran en cualquier nicho ecológico. Hay microorganismos incluso en sitios extremos. La cantidad de materia viva que se debe a los microorganismos es mayor que la de los organismos pluricelulares. La biomasa microbiana es un reservorio para los demás organismos. Microorganismos y el ser humano Hay más microorganismos beneficiosos que perjudiciales. De hecho, algunos de estos microorganismos que causan enfermedades viven con nosotros. Tema 3. Microscopía No entra 🙂 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Tema 4. Membrana plasmática y pared celular Morfología Hay mucha diversidad morfológica en las células procariotas. Las formas más habituales son: - Esféricas u ovaladas (cocos). - Cilíndricas (bacilos). - Helicoidales (espirilos). También pueden adquirir unas formas más extrañas, como por ejemplo las espiroquetas (espirilos muy enrollados y con curvas), células con apéndices o filamentosas. La forma raramente sirve para distinguir entre orígenes filogenéticos diferentes, ni para predecir la fisiología ni la ecología de la célula. Se supone que cada forma da una ventaja en cierto medio, como movimiento o captación de nutrientes. Dentro de las formas básicas anteriormente citadas hay variaciones, pueden ser más grandes o pequeñas. A veces cuando dos células se dividen no se separan, se mantienen agrupadas adquiriendo otras formas, pudiendo aparecer en parejas, cadenas, tétradas, racimos… Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 La forma está condicionada por: - La optimización para la absorción de nutrientes. Las más pequeñas son las que captan nutrientes más rápidamente, por lo que abundaran en ambientes con escasez de nutrientes. - Capacidad para nadar en líquidos viscosos. Las más adecuadas son las células con morfología helicoidal. - La movilidad. Por ejemplo, las células filamentosas se deslizan sobre la superficie, como reptando. Tamaño celular y significado El tamaño de las células procariotas es menor que en eucariotas (desde 10 hasta más de 200 μm de diámetro). Su diámetro puede medir desde 0,2 μm hasta 700 μm. Lo más habitual es que midan aproximadamente 4 μm de diámetro. La mayoría de los bacilos que han sido cultivados miden entre 0,5 y 4 μm de grosor y menos de 15 μm de alto. Un ejemplo de procariota muy grande es Epulopiscium, de 600 μm, que se encuentra en el tracto digestivo de un pez marino, y que tiene muchas copias del genoma. El procariota más grande que se ha encontrado es Thiomargarita, que llega a 750 μm de diámetro, visible a simple vista. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Una célula redonda y pequeña cuyo diámetro mide 1 μm tendrá una relación superficie/volumen igual a 3. Una célula con un diámetro de 2 μm tendría una relación de 1,5. Por lo tanto, como la primera célula tiene más superficie en función del volumen, tiene más capacidad de nutrirse proporcionalmente. Al captar más nutrientes proporcionalmente, las células pequeñas crecen más rápido que las grandes, puesto que se dividen más veces y con ciclos más cortos. Uno de los motores de la evolución son las mutaciones, y muchas de ellas se producen durante el proceso de replicación del material genético, así que en las células pequeñas habrá más mutaciones por dividirse más rápido y en consecuencia tendrán más capacidad de adaptación. Esta puede ser una de las razones por las que los procariotas se adaptan mejor que los eucariotas a los cambios en el medio. El límite de tamaño es 0,15-0,2 micras (tamaño mínimo para contener los componentes celulares). En los océanos es donde se encuentran estas células tan pequeñas. Estructuras superficiales de la célula Membrana plasmática Se trata de una barrera vital que separa el citoplasma del medio exterior. Es la estructura más fina que rodea la célula. Es una estructura débil y confiere poca protección contra la lisis osmótica, de esa función se encarga la pared celular. Es una barrera con una muy selectiva permeabilidad, que permite la adecuada concentración de metabolitos y la excreción de productos de desecho. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Composición: - Una bicapa lipídica con componentes hidrofóbicos (los ácidos grasos situados hacia el interior de la bicapa) e hidrofílicos (las cabezas polares, situadas hacia el exterior celular y al citoplasma). - Pueden existir muchas conformaciones químicas diferentes debido a la variación en los grupos unidos al esqueleto del glicerol. - Los procariotas tienen unas moléculas denominadas hopanoides que son similares a los esteroles de los eucariotas, que le confieren cierta rigidez a la membrana de los procariotas. - El tamaño de la membrana está entre 8 y 10 μm. - Posee diversas proteínas que pueden situarse a distintos niveles de la membrana. Estas proteínas pueden moverse por la membrana, ya que ésta es fluida. Las proteínas pueden situarse en diferentes zonas de la membrana: - Las proteínas integrales están firmemente incrustadas en la membrana. - Las proteínas externas o periféricas tienen solo una porción de su estructura ligada a la membrana, y se pueden extraer con facilidad. - Están estabilizadas por puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Iones de Mg2+ y Ca2+ ayudan a estabilizar la membrana mediante enlaces iónicos con las cargas negativas de los fosfolípidos. Proteínas de membrana: - La superficie extracelular de la membrana citoplasmática puede interaccionar con una amplia variedad de proteínas encargadas de unir sustratos o que participan en procesos de transporte. - La superficie que está en contacto con el citoplasma interactúan con proteínas relacionadas con las reacciones de rendimiento energético y otras funciones. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Membranas de las arqueas Son algo distintas a las de las bacterias. Principalmente las diferencias son: - Tienen enlaces éter en los fosfolípidos, mientras que Bacteria y Eukarya tienen enlaces éster. - Carecen de ácidos grasos, en su lugar tienen isoprenos - Pueden existir como bicapas, monocapas o incluso mixtas. - Los lípidos más abundantes son los diéteres y tetraéteres de glicerol. Las bicapas están formadas por dos unidades de phytanil (20 átomos de carbono) enfrentadas, que no son ácidos grasos, sino polímeros de isopreno. Cuando se trata de monocapas, las dos unidades de phytanil se unen formando un biphytanil. También existen monocapas de creaquenol, una molécula más extraña. Estas monocapas hacen a la membrana plasmática más resistente a la temperatura, se suelen encontrar en arqueas termófilas. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Funciones - Permeabilidad. Las moléculas polares y cargadas deben ser transportadas. Las proteínas de transporte se encargan de que los solutos puedan atravesar la membrana en contra de gradiente de concentración. - Es el lugar de anclaje de las proteínas de transporte de nutrientes. - Es una forma de conservar energía, ya que genera una fuerza protón-motriz debido al gradiente de protones. Transporte de nutrientes Está mediado por normalmente transportadores muy específicos que muestran un efecto de saturación. Hay tres tipos principales de sistemas de transporte: - Transporte simple. Solo interviene una proteína transportando un solo soluto. La fuente de energía son los protones. Un ejemplo de este tipo de transporte es la Lac permeasa de Escherichia coli, encargada de transportar lactosa generando un gradiente de protones. - Transporte por translocación de grupo. Un grupo de proteínas transporta un soluto que va a sufrir modificaciones químicas. El sistema mejor estudiado es el sistema de la fosfotransferasa en E. coli. Transporta glucosa, fructosa y manosa. Se requieren cinco proteínas, y la energía proviene del fosfoenolpiruvato. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 - Sistema abc. Sistema de tres componentes: la proteína que se une al sustrato, la proteína de membrana y la bomba de ATP. Se han descrito hasta 200 sistemas que lo utilizan. A menudo están envueltos en transportes de compuestos orgánicos (aminoácidos, azúcares), nutrientes inorgánicos (sulfato, fosfato) y trazas de metales. Normalmente son específicos del sustrato. Hay una pequeña diferenciación entre las bacterias gram - y las gram +, ya que en las negativas existe un periplasma entre la membrana y una capa externa, donde se encuentran las proteínas que unen al sustrato, mientras que en las gram positivas están en la membrana como los otros dos componentes del sistema. El transporte a su vez puede clasificarse en tres tipos: - Uniporte. El soluto se transporta en una dirección a través de la membrana. - Simporte. Funciona como cotransportadores, es decir, el transporte de un soluto favorece el transporte de otro en la misma dirección. - Antiporte. El transporte simultáneo de dos moléculas en dirección contraria. Paredes celulares de bacterias y arqueas La función principal de la pared celular es impedir la lisis osmótica (por su presión interna), aunque también es responsable de su forma y rigidez. Conocer su estructura es importante para entender el comportamiento de estos organismos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Al ser específicas de procariotas y pocas eucariotas, muchos antibióticos van dirigidos a estas estructuras ya que los humanos no tenemos. Las bacterias se dividen en dos grandes grupos, en función de su reacción a la tinción de Gram: - Gram negativas. Tienen una pared celular formada por dos capas diferenciadas, peptidoglicano (10% de la pared) y lipopolisacáridos. - Gram positivas. Solo tienen una capa de peptidoglicano que representa el 90% de la pared. El peptidoglicano es un polímero exclusivo de procariotas que forma una capa rígida que le da consistencia a la célula. Es un polímero formado por repetición de dos unidades que son derivados de azúcares, la N-acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico unidos por enlaces 4 beta. Tiene también un tetrapéptido unido al ácido, cuya función es mantener unidas esas cadenas largas de polisacáridos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Pueden ser distintos aminoácidos o ácido diaminopimélico (DAP). En la pared, las cadenas polisacarídicas están todas entrecruzadas y unidas por los tetrapéptidos, a veces aparecen puentes de glicinas entre estos. Pared celular de las células gram + Las células gram positivas tienen lisina en lugar de diaminopimélico. En los peptidoglicanos puede haber mucha variabilidad, y eso se debe a los enlaces interpeptídicos. Las cadenas de peptidoglicano se sintetizan en forma de cordones que se agrupan en forma de cables y forman el 90% de la pared. Es muy común que tengan ácido teicoico en su pared celular (le dan carga negativa). Los ácidos teicoicos son polímeros que contienen glicerol o ribitol fosfato unidos por enlaces fosfodiéster. Se unen covalentemente a lípidos de la membrana plasmática para dar lugar a los ácidos lipoteicoicos. Este entrecruzamiento es el que aporta la rigidez de las paredes de las bacterias. Funciones del ácido teicoico: - Contribuye a la carga negativa de la superficie celular. - Regulan la morfología y la función de la célula. - Regulan la actividad autolítica. - Regula la homeostasis iónica. - Protege a la célula de las defensas del huésped y de los antibióticos. - Contribuye a la síntesis de enzimas como agente antimicrobiano. - Contribuye a la adhesión y colonización de superficies Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Membrana externa de las células gram - El lipopolisacárido (LPS) es la capa mayoritaria, llamada también membrana externa. Constituye el 90% de la pared. Se trata de una especie de segunda membrana plasmática, puesto que consta de una membrana lipídica donde la parte interna son fosfolípidos normales mientras que en la mitad exterior son lipopolisacáridos. El LPS consta de un lípido A (endotoxina, tóxica para los eucariotas) unido a una molécula que forma parte del núcleo polisacarídico llamado cetodesoxiortonato. Por último, está un O-polisacárido específico, que es más variable dentro de las especies. El periplasma es el citoplasma entre la membrana externa y el peptidoglicano. Las proteínas braun unen la membrana externa a la capa de peptidoglicano. En la membrana externa aparecen porinas, proteínas trímeras canal para el transporte de nutrientes. En su centro hay un pequeño agujero inespecífico de 1 nm de diámetro, los otros tres canales más grandes son más específicos. Paredes celulares en arqueas Hay dos diferencias principales, no tienen peptidoglicanos y tampoco membrana externa como las gram negativas. Normalmente tienen un polímero similar al peptidoglicano llamado pseudomureina. Se diferencia del peptidoglicano en la presencia de ácido N-acetil losaminurónico. Este compuesto presenta aminoácidos L y los enlaces son β-1,3. Otra diferencia es que no existen D-aminoácidos como en las bacterias. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Hay dos teorías sobre la diferencia en la composición de la pared entre bacterias y arqueas, una afirma que han seleccionado estos compuestos por convergencia evolutiva y la otra afirma que estos compuestos provienen de un componente que tenía LUCA y que, a partir de ahí, han evolucionado hasta sus compuestos actuales. Capas S Las capas S son las paredes celulares más comunes en arqueas. Están formadas por glicoproteínas cristalizadas, en forma hexagonal. Se han descrito también en algunas bacterias por fuera de su pared. Hay bacterias que tienen exclusivamente capa S, pero lo más común es que se presente con otros componentes adicionales. Procariotas que carecen de pared celular Hay algunos organismos procariotas que no tienen pared celular. Dos ejemplos de esta cualidad tan extraña en procariotas son: - Los Micoplasmas. Son bacterias patógenas que tienen esteroles, aportan rigidez a la membrana. - Los Termoplasmas. Son arqueas que contienen lipoglicanos, cuya función es similar a la de los esteroles. Tema 5. Otras estructuras superficiales e inclusiones Estructuras celulares superficiales Cápsulas y mucosas Existen microorganismos que poseen otras capas que no forman parte de la pared celular, pueden ser cápsulas o capas mucosas, ambas formadas por polisacáridos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Las cápsulas son más densas, un poco más gruesas e impiden el paso a partículas pequeñas. También se adhieren fuertemente a la pared, a veces incluso con enlaces covalentes. Las capas mucosas son más finas y menos resistentes, permiten la entrada de sustancias al interior de la célula, es difícil de visualizar y su unión a la pared celular es más débil. Las funciones de ambas son las siguientes: - Unión a superficies. Es importante en los patógenos ya que una de las fases de ataque a las células diana es unirse a ellas de alguna forma. - Permiten la formación de biopelículas para vivir en asociación con otros microorganismos. - Ofrecen resistencia a la desecación. - Proporciona protección frente a la fagocitosis. Los materiales viscosos no se consideran parte de la pared. No son tan resistentes como la pared celular, pero aportan resistencia. Son similares, pero no iguales, ya que una cápsula es una especie de matriz en torno a la célula que tiene una cierta consistencia e impide que ciertas partículas contacten con la pared celular. Es fácilmente visible al microscopio óptico por medio de una inclusión en tinta china, como en la cápsula no entran las partículas de la tinta china, podemos distinguir un aro incoloro en la superficie celular. Los materiales viscosos si dejan pasar la tinta. Fimbrias, pelos y flagelos Son apéndices de naturaleza proteica, las fimbrias son más cortas y numerosas que los pelos. La función principal de las fimbrias es facilitar la adherencia a cualquier tipo de superficies y ayudan a formar biopelículas. Entre los patógenos más conocidos con fimbrias son la Salmonella y Bordetella pertussis, en algunas cepas de Salmonella las fimbrias juegan un papel importante en su patogenicidad. Los pelos son también prolongaciones proteicas similares a las fimbrias, son más largos y menos numerosos, a veces uno solo. Hay varios tipos de pelos con diversas funciones, pero las principales son: - Adhesión a superficies (Streptococcus). Permitiendo la formación de películas en líquidos (biopelículas se refiere a sólidos). Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Existe un tipo especial de pelos denominados “pili tipo IV” que participan en la adhesión de las células, pero también son responsables de la forma de movilidad “a tirones”, modalidad de deslizamiento por superficies. - Facilitar el intercambio genético, es el caso de los pelos conjugativos. Las proteínas que forman el pelo son receptores de virus, que lo rodean y hacen posible su vista a microscopía. - Movilidad en géneros como Pseudomona, el pelo se estira, se fija y se contrae. - Existe otro tipo especial denominado pelos conductores de electrones (nanowires) como medio de comunicación entre células. Inclusiones celulares Son estructuras rodeadas de membranas de una sola capa muy grande con densidad distinta al resto de la célula, por lo que se pueden ver con el microscopio óptico en ocasiones. Su función es la de acumular material de reserva, ya sea energía, carbono o azufre, sin que aumente la presión osmótica en el interior de la célula. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Están recubiertas por una membrana que no son bicapas lipídicas, que aíslan el contenido de los acúmulos del citoplasma. Existen diferentes tipos de inclusiones celulares en función de los compuestos que almacenan. Inclusión de polihidroxialcanoato Antes llamada inclusión de poli-β-hidroxibutirato. Los monómeros se unen mediante enlaces éster y las cadenas se unen formando polímeros. Los polímeros también se pueden formar por otros ácidos (poli-β-hidroxibutirato) que tienen de 3 a 18 carbonos. Cuando las células poseen una cantidad abundante de carbono, es acumulado formando estos polímeros para momentos de escasez. Inclusiones de glucógeno Tiene la misma función que los anteriores. El glucógeno está constituido por un polímero de α-D-glucosa unidas por enlaces α-1,4 con ramificaciones α-1,6. Inclusiones de polifosfato También llamados corpúsculos metacromáticos o granos de colutina, son gránulos de fosfato inorgánicos que son degradados cuando la célula necesita fosfato, que suele ser un compuesto limitante. Gránulos de azufre Muchos procariotas son capaces de reducir compuestos de azufre, que pueden utilizar en distintos procesos. El azufre puede ser usado como fuente de energía y otros organismos que usan el carbono lo utilizan como poder reductor. El azufre elemental es el que se almacena en el interior de la célula o en el periplasma en gránulos fáciles de ver. Si la fuente de azufre se acaba, el azufre se oxida hasta sulfato y se utiliza como poder reductor. Cianoficina Polímero de arginina y aspartato. No es una proteína, es un reservorio de nitrógeno. Minerales de carbonato Se encuentran normalmente en la superficie externa de las células. Ocasionalmente también pueden aparecer como inclusiones. Este proceso se llama biomineralización. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Se ha propuesto que su función es de lastre para hundirse hacia las profundidades marinas, ya que se encuentran minerales pesados como bario, estroncio y magnesio. Magnetosomas Los magnetosomas permiten orientarse de una determinada forma en un campo magnético. Son partículas intracelulares de magnetita y greitita (minerales de hierro) rodeados de una membrana (no bicapa lipídica) con enzimas para la síntesis de estos minerales. Forman un dipolo, y esto les confiere una habilidad llamada magnetotaxis. Estas inclusiones se han encontrado en microorganismos anaerobios y les permite desplazarse en las líneas del campo magnético de la tierra y aproximarse a zonas con escasez de oxígeno que son las más favorables para su metabolismo. Los magnetosomas pueden tener formas características de cada especie: pueden ser alargados, con forma de cubo… Vesículas de gas Son inclusiones internas cuyo interior está lleno de gas, y como consecuencia los organismos que las contienen flotan. Suelen ser importantes en los microorganismos planctónicos, como las cianobacterias. Son estructuras redondeadas, impermeables al agua pero permeables al gas, rígidas y la longitud y el número son variables, pudiendo medir de 45 a 100 nm de diámetro. Generalmente aparecen en microorganismos acuáticos, se han encontrado en bacterias y arqueas, pero no en eucariotas. Sus cubiertas están formadas por dos proteínas que son GvpA y GvpC. Se diferencian en que la GvpA es una proteína pequeña hidrófoba y muy rígida, Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 responsable de la rigidez de las vesículas. Las GvpC son menos abundantes, más grandes y cruzan a las GvpA para mantenerlas unidas. Endosporas Estructuras impermeables que producen algunas especies bacterianas (solo gram positivas, donde más se han estudiado es en bacilos y clostridios), mediante un proceso llamado esporulación. Se producen en el interior de las células vegetativas. Son tremendamente resistentes a condiciones adversas, como la radiación, el calor o productos químicos agresivos. Pueden sobrevivir durante años hasta que se den condiciones favorables, para dar lugar a células vegetativas. La endospora se puede formar en distintas zonas de la célula: en el extremo de la célula (endosporas terminales), más hacia el interior (endosporas subterminales) o en el centro (endosporas centrales). Esta posición es característica de cada grupo de microorganismos. En ocasiones de falta de nutrientes se forma la endospora en el interior de la célula y cuando madura es enviada al exterior de la célula (lisis de la célula). Se puede apreciar con el microscopio óptico, pero no se tiñe muy fácilmente debido a que tienen una cubierta impermeable. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 Etapas de la germinación de las endosporas: - Activación. Se puede inducir artificialmente calentando la espora. - Germinación. Cuando le llegan nutrientes la célula vegetativa empieza a crecer dentro de la endospora (la célula se ve opaca). En este paso pierde resistencia a agentes externos. - Crecimiento. La espora acumula agua y empieza a crecer, produciendo la célula vegetativa. Estructura La estructura de una endospora es muy distinta a la de la célula madre, diferenciándose fundamentalmente en el número de capas: - Exosporio. Es una capa fina y proteica resistente a hidrolasas situada en la parte más externa. Es la primera barrera que impide que ataquen a la espora. - La cutícula es una capa más gruesa, fundamentalmente proteica (contiene cerca del 80% de las proteínas de la espora) y es rica en aminoácidos hidrofóbicos. - El córtex es una capa más interna que consiste en un peptidoglicano algo más laxo que el de la pared celular. Este peptidoglicano protege frente a la deshidratación y contribuye a que la poca cantidad de agua que contenga la célula se mantenga. - El núcleo es la parte más interna. Tiene una pequeña pared celular, una membrana plasmática y el citoplasma en el que se encuentra el genoma, los ribosomas y todo el contenido de la endospora. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 El núcleo se diferencia mucho al núcleo de las células eucariotas y al citoplasma de la célula vegetativa. Tiene un 25% menos de agua, y esto le hace ser más resistente a la temperatura. El pH es más bajo que el citoplasma de las células vegetativas. Esta acidez especial contribuye a la presencia de unas proteínas llamadas proteínas ácidas solubles de la espora (SAS Ps o SASP). Las funciones de estas proteínas son las siguientes: - Se unen al ADN para hacerlo más resistente a los rayos ultravioleta y a la desnaturalización. - Pueden ser utilizadas como fuente de carbono y de energía. Cuando la espora germina esas proteínas ya no se van a volver a utilizar. También contiene ácido dipicolínico, reservorio de calcio (cofactor importante) que deshidrata el interior de la endospora captando agua y estabiliza el ADN). En todas las células estudiadas han aparecido el ácido dipicolínico y las proteínas SASP. Esporulación en Bacillus Suele durar unas 8 horas. La endospora se forma cuando se dan condiciones adversas, cuando el organismo madre deja de crecer. La esporulación solo se da en algunos organismos (20 géneros de bacterias gram positivas), ya que es un proceso muy complejo. Su origen surgió en la separación de bacterias y arqueas. Está regulada por factores sigma, que pueden activar o inhibir la transcripción de distintos genes. Se han descrito más de 200 genes específicos de este proceso. Hay quinasas que detectan los cambios en el exterior y mediante un sistema de transmisión de señales hace que se desencadene el proceso de esporulación. Las fases en las que ocurre son: - Los sensores captan las señales adversas y se inicia el proceso de esporulación. - Se da una división asimétrica. La célula hija más pequeña (preespora) forma un septo que la separa de la célula madre, la de mayor tamaño. - Invaginación. La preespora se introduce en el interior del citoplasma de la célula madre. - Se comienzan a formar las capas externas que recubren la espora, comenzando por el córtex. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 - Se forman el resto de las cubiertas y aparecen unas proteínas específicas de la endospora y se unen moléculas como el ácido dipicolínico. - Madura completamente la espora y la célula madre se lisa (muere), liberándola al exterior. Locomoción microbiana La movilidad en células microbianas es muy importante ya que les dan acceso a nuevas fuentes de alimento, a zonas con temperatura o pH adecuado. En microorganismos la locomoción puede significar la diferencia entre la vida y la muerte. Flagelos Los flagelos impulsan a las células en un movimiento de natación. Las células pueden tener uno o varios flagelos, y pueden estar situados en distintas zonas de la célula. - Polar y Monótrica. Tiene un solo flagelo en un polo de la célula. - Perítrica. Tiene varios flagelos que están repartidos por toda la célula. - Polar y Lofótrica. Tiene varios en un solo polo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 - Polar y Anfítrica. Tiene un grupo de flagelos en cada polo. Este tipo de localización es la menos común. Los flagelos tienen una forma helicoidal, con longitud de onda (en la rotación) constante dentro de cada especie. Tiene una estructura muy típica y conservada, los flagelos reversibles son capaces de impulsar en un sentido u otro según la dirección de su giro. Los componentes que forman el flagelo son los siguientes: - Un filamento formado por flagelina, que está presente en todos los tipos de filamentos. - Un gancho, que es un único tipo de proteína que une el flagelo con la célula. - Un cuerpo basal (rotor), que es la parte del flagelo incrustada en la membrana y pared de la bacteria y responsable de su giro. Es bastante complejo, consta de un cilindro central y varios anillos que se localizan a distintos niveles de la membrana. Movimiento de un flagelo El movimiento del flagelo se produce mediante rotación. En el flagelo encontramos una parte llamada rotor que es la que se mueve, y otra fija llamada estator. El rotor es el cilindro central junto con los anillos nombrados según a lo que están enfrentados (L de lipopolisacárido, P de peptidoglicano, MS de membrana plasmática y C de citoplasma, las gram positivas solo tienen anillos MS y C a pesar de tener mucho más peptidoglicano), mientras que el estator está constituido por las proteínas Mot (proteínas motoras). La energía que necesita para moverse la obtienen por exceso de protones en el periplasma, que pasan al citoplasma a favor de gradiente a través de las proteínas Mot. El paso de los protones es lo que hace que giren los anillos mediante Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-10447519 interacciones electrostáticas, ya que en los anillos se encuentran distribuidas cargas negativas y positivas de forma oblicua. Las proteínas Fli son las que determinan el cambio de giro del rotor. El flagelo puede girar hasta 300 revoluciones por segundo. Aproximadamente por cada 1200 protones el flagelo da un giro. La velocidad de entrada de protones no es estable, determina la velocidad de giro y por tanto la velocidad de movimiento de la bacteria. La manera de elegir la dirección en la que se desplaza la célula se denomina carrera-vuelco. En carrera la célula va en línea recta, los flagelos rotan en sentido antihorario. En el vuelco, se produce un cambio en el sentido de giro de forma que la coleta (conjunto de flagelos entrelazados) se desenrolla, la bacteria gira y se for