Microbiología - Temario Completo - 2º Grado Bioquímica

Temario-micro-completo.pdf Anónimo Microbiología 2º Grado en Bioquímica Facultad de Ciencias Universidad de Santiago de Compostela Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff3595...

Temario-micro-completo.pdf Anónimo Microbiología 2º Grado en Bioquímica Facultad de Ciencias Universidad de Santiago de Compostela Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 MICROBIOLOGÍA Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 1 TEMA 1. Concepto y desarrollo histórico de la Microbiología Los microorganismos en la escala biológica • • • • • • • • • • Concepto de microbiología y objeto de estudio. Descubrimiento de los microorganismos. Controversia sobre la generación espontánea. El reconocimiento de los microorganismos como causa de enfermedades. Desarrollo de la virología. Vacunación y desarrollo de la inmunología Nacimiento de la quimioterapia moderna. Papel de los microorganismos en la naturaleza y en la industria. Situación de los microorganismos en la escala biológica. Grupos de microorganismos 1. Concepto y objeto de estudio de la Microbiología. La Microbiología es la ciencia que se ocupa del estudio de los microorganismos y de sus efectos y relaciones con otras formas de vida. Actualmente, bajo el término de “microorganismo” se engloban todos aquellos seres vivos que son demasiado pequeños para poder ser observados a simple vista, por lo que su visualización requiere el empleo del microscopio. Se trata de un grupo muy heterogéneo de organismos que presentan importantes diferencias en su estructura y función y que abarca: Organismos con estructura celular procariota: • Bacterias y Arqueas Organismos con estructura celular eucariota: • Hongos microscópicos (levaduras y mohos) • Algas microscópicas • Protozoos Organismos que carecen de estructura celular (acelulares): • Virus, Viroides y Priones Además, y dado que la Microbiología se encarga de estudiar los efectos y relaciones de los microorganismos con otras formas de vida y con el medio ambiente que les rodea, la Microbiología se encarga también de estudiar el papel patógeno de los microorganismos, la respuesta inmunitaria que generan en el hombre y los animales, su uso industrial, su relación con los alimentos y su papel ecológico en la naturaleza. En la naturaleza existen dos tipos de células: procariotas y eucariotas. Los microorganismos procariotas pertenecen a los filos Bacteria y Archea, mientras que los eucariotas son las algos, hongos y protozoos. Los virus y partículas más simples, como viroides y priones, carecen de organización celular. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 2 2. Desarrollo histórico de la Microbiología. 2.1. El descubrimiento de los microorganismos. Aunque el ser humano ya había sospechado que ciertas enfermedades eran causadas por “criaturas vivas invisibles”, no fue hasta el siglo XVII cuando un comerciante holandés de tejidos, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), observó y describió los microorganismos por primera vez. Leeuwenhoek era aficionado a pulir y montar lentes sobre placas de oro, plata o cobre, lo que le llevó a construir microscopios simples, con los que llegó a aumentar el tamaño de lo que observaba casi 300 veces. En 1675, al observar con sus microscopios una gota de agua de estanque comprobó que en ella pululaba una asombrosa variedad de pequeñas criaturas a las que denominó "animálculos". En 1683 descubre las bacterias, pero además sus magníficas dotes de observador le llevaron a describir otros microorganismos como los protozoos (que encontró en sus propias heces), las algas y las levaduras, así como los espermatozoides y los glóbulos rojos. Al descubrimiento de los microorganismos siguió una época de casi 200 años en la que se descubrieron numerosas formas microscópicas - en 1838 se describen ya más de 600 microorganismos distintos pero en la que no se produjo ningún avance en el conocimiento de la función que tales microorganismos llevaba a cabo. El verdadero desarrollo de la Microbiología se produce en la segunda mitad del siglo XIX. Las investigaciones encaminadas a resolver la controversia de la generación espontánea o el papel de los microorganismos en las enfermedades contagiosas permitieron el desarrollo de las técnicas básicas necesarias para el estudio de los microorganismos, y a partir de entonces, la Microbiología se consolida como ciencia. 2.2. El origen de los microorganismos: la controversia sobre la teoría de la generación espontánea Tras el descubrimiento del mundo microbiano, muchos investigadores comenzaron a preguntarse sobre el origen de esos seres microscópicos y, por lo tanto, se reavivó una polémica muy antigua sobre el origen de la vida: la denominada teoría de la generación espontánea o abiogénesis. Esta teoría sostenía que los organismos vivos se originaban a partir de la acción ejercida por ciertas fuerzas vitales desconocidas sobre la materia inanimada. Cuando Leeuwenhoek descubrió los microorganismos, la falsedad de esta teoría ya se había demostrado para los organismos superiores, animales y plantas, sin embargo, el descubrimiento de estas formas de vida simples hizo que aparecieran muchos investigadores que sostenían que los microorganismos se desarrollaban por generación espontánea Surgieron muchas controversias sobre la generación espontánea, pero una de las más famosas fue la sostenida a mediados del siglo XVIII por el inglés Needham, defensor de esta teoría, y el italiano Spallanzani, que se mostraba en contra. Needham, afirmaba haber demostrado que los microorganismos se generaban en muestras de caldo contenidas en envases que se habían sometido a ebullición y posteriormente habían sido sellados. Estos trabajos fueron rebatidos por Spallanzani, realizando experimentos más controlados, en los que la ebullición del caldo se mantenía durante períodos más lagos y se realizaba en recipientes que habían sido previamente sellados Bajo estas condiciones no crecían microorganismos, por lo que Spallanzani llegó a la conclusión de que los microorganismos que aparecían en los experimentos de Needham eran transportados por el aire, y al depositarse sobre las infusiones y no ser éstas calentadas suficientemente crecían en ellas, siendo esta la explicación de la supuesta generación espontánea. 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-9356277 3 J. Needham (1713-1781) L. Spallanzani (1729-1799) La teoría de la generación espontánea recibió un último impulso antes de morir cuando en 1775, Lavoisier (1743-1794) descubrió el oxígeno y su importancia para la vida. Este hallazgo hizo que los experimentos de Spallanzani fuesen puestos en entredicho con el argumento de que al calentar el caldo, el oxígeno del aire se destruía, y por lo tanto desaparecía la “fuerza vital” que originaba la aparición de los microorganismos de forma espontánea. La polémica sobre la generación espontánea fue resuelta finalmente por el químico francés Louis Pasteur (1822-1895), que realizó algunos de sus sencillos experimentos en los que utilizó matraces con cuello de cisne, para participar en la competición subvencionada por la Academia Francesa de la Ciencia con el fin de acabar con una controversia que duraba más de cien años. Pasteur colocó soluciones de nutrientes en matraces y calentó los cuellos de estos en una llama para darles formas curvadas, pero dejando el extremo de los cuellos abiertos a la atmósfera. A continuación, hirvió el caldo durante unos minutos y lo dejó enfriar. El resultado fue que no se produjo crecimiento, aunque el contenido de los matraces había estado expuesto al aire. Pasteur señaló que no se había producido crecimiento microbiano porque el polvo y los gérmenes habían quedado atrapados en las paredes de los cuellos curvados. De hecho, si se rompían los cuellos, comenzaba el crecimiento inmediatamente, con lo que había demostrado que los microorganismos se encontraban en el aire y no aparecían por generación espontánea. A pesar del brillante experimento de Pasteur, aún había científicos que no estaban de acuerdo con él. Argumentaban que cuando hervían sus caldos siguiendo el protocolo de Pasteur no lograban esterilizarlos. La diferencia era que Pasteur utilizaba caldos de levadura y los demás extractos de heno. Este nuevo escollo fue superado por el físico inglés Tyndall (1820-1893), entusiasta partidario de Pasteur, quien después de llevar un fardo de heno a su laboratorio, comprobó que en esa habitación ya no era capaz de esterilizar líquidos mediante ebullición. Tyndall intuyó la existencia en el heno de microorganismos que podían sobrevivir a la ebullición, y realizó experimentos con infusiones de heno (1877), a las que sometió a calentamientos discontinuos, proceso que hoy conocemos como tindalización, consiguiendo realizar una esterilización satisfactoria de las mismas. Casi inmediatamente después, en 1878, Ferdinad Cohn (1828-1898) demostró la existencia de las endosporas bacterianas y su resistencia al calor, proporcionando así una explicación a las observaciones de Tyndall. Los experimentos de Pasteur y Tyndall zanjaron definitivamente la controversia sobre la existencia de vida espontánea: ningún ser vivo, incluidos los microorganismos, surge por generación espontánea. El resultado más importante de toda esta controversia fue el desarrollo de los métodos de esterilización. Una vez aclarado el origen de los microorganismos, el esfuerzo de los investigadores se centraría en el significado biológico de los mismos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 4 2.3. Demostración del papel de los microorganismos en las enfermedades. La Edad de Oro de la Microbiología La hipótesis de que los microorganismos, fundamentalmente las bacterias, podían ser la causa de muchas enfermedades del ser humano, los animales y las plantas, constituye una de las intuiciones más trascendentales de la historia científica de la Humanidad. Aunque la asociación entre microorganismo y enfermedad se demostró en las últimas décadas del siglo XIX, la idea de dicha asociación ya había sido apuntada con anterioridad. En el año 1840, F. Henle (1809-1885), influido por el afán reinante de hallar microorganismos en tejidos de enfermos, manifestó su creencia de que antes de considerar a cualquier microorganismo como responsable de una enfermedad, era preciso encontrarlo de forma habitual en el tejido enfermo, aislarlo y servirse de él para reproducir la enfermedad. Sin embargo, esta idea no fue aceptada por la inmensa mayoría de los profesionales de la medicina de la época, aunque era ya evidente que algunas enfermedades se contagiaban mediante el contacto directo entre personas (sífilis y lepra, por ejemplo). Años más tarde, un cirujano inglés, Joseph Lister (1827-1912), sentó las bases de la desinfección y de la antisepsia, e introdujo de forma rutinaria las prácticas de higiene en cirugía. Lister, admirador de los trabajos de Pasteur, utilizó, de manera habitual, técnicas de desinfección del material quirúrgico, vendas, ropas, manos y heridas, e incluso pulverizaba con fenol las salas de operaciones, con el fin de evitar las contaminaciones provenientes del aire. Este método, que consistía en destruir los microorganismos al sospechar su papel en las infecciones, resultó muy eficaz produciéndose un descenso espectacular en la tasa de infecciones postoperatorias, que pasó del 45% al 10% en tan sólo tres años, lo que constituyó una prueba indirecta del origen microbiano de ciertas infecciones. Los estudios de Robert Koch (1843-1910) sobre el carbunco, una infección del ganado que es transmisible al ser humano, demostraron por primera vez que una bacteria ya descrita, Bacillus anthracis, era la responsable de la enfermedad. Para ello inyectó material procedente de animales enfermos a ratones sanos, que contrajeron la enfermedad. Luego hizo crecer la bacteria y la inyectó otra vez a ratones sanos, que nuevamente volvieron a desarrollar la enfermedad. Así estableció los criterios que debe cumplir un microorganismo para ser considerado el agente causal de una enfermedad, hoy conocidos como “Postulados de Koch”. 1) El microorganismo debe estar presente en todos los individuos enfermos. 2) El microorganismo debe aislarse del hospedador y debe obtenerse en cultivo puro a partir de las lesiones provocadas por la enfermedad, lo que es imprescindible para separar el agente causal de otros microorganismos que puedan estar presentes. 3) La inoculación del microorganismo crecido en cultivo puro a animales sanos debe provocar la aparición de síntomas específicos de la enfermedad en cuestión. 4) El microorganismo debe ser reaislado del hospedador infectado de forma experimental. Una de las principales dificultades con las que se encontraba Koch para poder aplicar sus postulados, consistía en que en las lesiones provocadas por la enfermedad no sólo se encontraba presente el germen que la causaba, sino que junto a él se encontraban otras bacterias que no eran patógenas, lo que se conoce como un cultivo mixto de bacterias. Era evidente que Koch necesitaba diseñar una técnica que le permitiera cultivar y aislar, es decir, separar las diferentes bacterias que pudiesen estar presentes en la lesión causada por la enfermedad para posteriormente ver cual de ellas era el agente patógeno. Koch elaboró una teoría, según la cual, si aislaba una única célula bacteriana en una superficie sólida, al no poder desplazarse, se multiplicaría en el Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 5 punto de inoculación y formaría una colección de células bacterianas (denominada colonia), que serían visibles y constituirían un cultivo puro al proceder todas ellas de una única célula. Sin embargo, el no disponer de un agente solidificante adecuado hacía que los únicos medios utilizados hasta entonces para cultivar bacterias fuesen líquidos, por lo que Koch seguía sin poder aplicar su técnica. Este problema fue resuelto en 1883 con la ayuda de una colaboradora de Koch, llamada Fannie Hesse (1850-1934), quien le comentó que ella utilizaba el agar como espesante de mermeladas. Koch mezcló el agar con una serie de nutrientes obteniendo por primera vez medios sólidos para el cultivo de bacterias. Una vez preparados los esterilizaba mediante calor y a continuación los distribuía en placas o cajas de cultivo que otro de sus colaboradores, Ricardo Petri (1852-1921), había diseñado, de modo que cuando la temperatura descendía a 45ºC el medio se volvía sólido. Koch disponía por fin de medios sólidos en los que poder aplicar la técnica que había diseñado, que hoy conocemos como “siembra por agotamiento en estría”, para separar las diferentes bacterias que pudieran estar presentes en una determinada lesión. La inoculación por separado a un animal de experimentación de los diferentes microorganismos aislados permitiría conocer cuál de ellos era el responsable de la enfermedad. A partir de este momento comienza la Edad de Oro de la Bacteriología Médica, y durante las dos décadas siguientes se aislaron, nombraron y estudiaron muchos agentes microbianos causantes de distintas enfermedades infecciosas. Se establecieron firmemente la escuela alemana, encabezada por Koch, y la francesa, cuyo líder era Pasteur, y al descubrimiento del agente causal del carbunco (1877), le siguieron otros con gran rapidez, como por ejemplo los agentes causantes de la tuberculosis, del cólera, de la peste o del tétanos, por citar sólo algunos. A pesar de los enormes logros conseguidos, los científicos de la Edad de Oro de la Bacteriología, que con el paso de los años se conocerían como “cazadores de microbios” seguían sin encontrar los agentes causales de una serie de enfermedades humanas conocidas desde la antigüedad, como la viruela, la gripe, la rabia o el sarampión, así como de otras muchas enfermedades propias de animales y plantas, en las que tampoco aparecía implicado ningún patógeno bacteriano. 2.4. El desarrollo de la Virología. En el año 1892, un botánico ruso llamado Dmitri Ivanovski (1864-1920), y un microbiólogo holandés llamado Martinus Beijerinck (1851-1931) se encontraban investigando de forma independiente una de estas enfermedades infecciosas de origen desconocido que afectaba a las plantas, conocida como la enfermedad del mosaico del tabaco. Este nombre se debe al patrón en mosaico de zonas de color verde claro y verde oscuro que aparece en las hojas infectadas. Iwanovski trituró en un recipiente algunas plantas del tabaco enfermas, las envolvió en una tela de lino y recogió el jugo que soltaban al exprimirlas. Como se podía esperar, tratando plantas sanas con el jugo infectado, logró transmitirles la enfermedad. Después hizo pasar un poco de jugo a través de un filtro de porcelana que había diseñado unos años antes Charles Chamberland (1851-1908), colaborador de Pasteur, que se creía que era lo suficientemente fino como para retener a todas las bacterias conocidas. Con gran sorpresa, Ivanovski comprobó que el jugo filtrado seguía siendo infeccioso con lo que había conseguido demostrar que el agente etiológico de la enfermedad del mosaico del tabaco era filtrable. Acababa de descubrir los virus; sin embargo, nunca pensó que se encontraba ante un nuevo tipo de microorganismo y para explicar la infectividad del jugo filtrado sugirió dos posibilidades: 1) Que las bacterias que causaban la enfermedad producían una toxina soluble que podía pasar a través del filtro. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 6 2) Que las propias bacterias fuesen muchísimo más pequeñas que todas las bacterias conocidas hasta entonces, lo que explicaría que el filtro diseñado por Chamberland no fuese capaz de retenerlas. Sin embargo, la idea de que una toxina bacteriana que pasaba a través del filtro fuese la responsable de la enfermedad del mosaico del tabaco no convencía a Beijerinck ya que había descubierto que el jugo filtrado podía transmitir la enfermedad sucesivamente a través de un número ilimitado de plantas, lo que implicaba que el agente causante de la enfermedad podía multiplicarse en ellas. Este descubrimiento llevó a Beijerinck a sugerir que el agente infeccioso de la enfermedad del mosaico del tabaco posiblemente fuese un microorganismo desconocido, diferente a las bacterias. Iwanosvky y Beijerinck acababan de descubrir los virus. 2.5. El desarrollo de la inmunología y de la quimioterapia. Una vez demostrado el papel de las bacterias, los virus y otros microorganismos en el desarrollo de las enfermedades, el siguiente paso era el desarrollo de métodos para proteger a los seres humanos y animales frente a ellos. Nace así la Microbiología Clínica que enfocaría sus investigaciones en dos vertientes principales. Por un lado, la prevención de la aparición de enfermedades, lo que potenciaría el desarrollo de la Inmunología; y por otro lado la lucha contra los gérmenes patógenos, que daría lugar al nacimiento de la Quimioterapia. 2.5.1. El nacimiento de la inmunología. El primer acercamiento a la inmunización fue realizado en 1798 por un médico rural inglés llamado Edward Jenner (1749-1823), al comprobar que los vaqueros que habían adquirido la viruela vacuna (una forma benigna de enfermedad que sólo producía pústulas en las manos) no eran atacados por la grave y deformante viruela humana. En mayo de 1796 inoculó a un niño (James Phipps) fluido procedente de las pústulas que se habían formado en las manos de Sarah Nelmes (1798-1864), que padecía la viruela vacuna. Semanas después Jenner inyectó al niño pus de una pústula de un enfermo de viruela humana, comprobando que no quedaba afectado por la enfermedad. Basándose en los trabajos de Jenner, Pasteur estudió en 1880 el cólera aviar. Cultivó el agente causal e infectó pollos sanos que inmediatamente enfermaban. Sin embargo, observó que si incubaba sus cultivos durante largo tiempo, se atenuaban las bacterias, es decir, perdían su capacidad para causar enfermedad, de modo que cuando las utilizaba para infectar pollos sanos, éstos no enfermaban y además quedaban protegidos contra la enfermedad. De esta forma se obtuvo la primera vacuna a base de microorganismos atenuados. Fue precisamente Pasteur quien designó el término de vacuna, en honor al trabajo que un siglo antes había realizado Jenner. Años después (1885), Pasteur abordaría la inmunización contra la rabia. La rabia estaba provocada por un virus, y estos todavía no habían sido descubiertos, por lo que en ausencia de un microorganismo identificable como productor de la enfermedad, la vacuna consistía en médula desecada de conejo infectado. Cierto día llegó al laboratorio de Pasteur el niño Joseph Meister, de 9 años, que había sido mordido por un perro con rabia. El niño iba a morir sin remedio así que sus padres pidieron a Pasteur que experimentase su vacuna en su hijo. Pasteur accedió y tras vacunarlo con 13 inyecciones con preparados cada vez más virulentos del virus atenuado el niño sobrevivió. Posteriormente esta vacuna salvó a un grupo de campesinos rusos que habían sido mordidos por un lobo rabioso. Como agradecimiento, el zar de Rusia envió a Pasteur 100.000 francos que utilizó para construir el Instituto Pasteur de París. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 7 2.5.2. El nacimiento de la Quimioterápia. El descubrimiento de la penicilina por el bacteriólogo escocés Alexander Fleming (18811955) en 1928, marcó el inicio de la quimioterápia. Fleming se encontraba trabajando con unas placas de cultivos bacterianos. Un buen día se fue de vacaciones y al regresar observó que algunas de ellas se habían contaminado con un hongo. Iba a tirarlas cuando observó algo; había una zona clara alrededor del hongo donde el cultivo bacteriano había dejado de crecer. Fleming había encontrado un hongo que producía una sustancia capaz de inhibir el crecimiento de las bacterias. El hongo era Penicillum notatum y a la sustancia inhibidora la llamó penicilina. El primer ensayo clínico con una preparación cruda de penicilina se llevó a cabo el 12 de febrero de 1941. El paciente era un policía de Oxford que se estaba muriendo por una infección con Staphylococcus (septicemia). Al administrarle penicilina se observó una mejoría espectacular, pero 5 días después, cuando se les acabó la penicilina, la infección volvió a emerger y el paciente murió. Este ensayo clínico falló debido a que no se podía obtener una producción a gran escala de penicilina. En este punto (1940-1941) los británicos estaban inmersos en la II guerra mundial. Los americanos se interesaron por la penicilina y la fundación Rockefeller invitó al inglés Howard Walter Florey (1898-1968) para que investigara la producción a gran escala de la penicilina junto con universidades e industrias farmacéuticas americanas. Esta cooperación hizo posible que un año después estuvieran disponibles grandes cantidades de penicilina. 3. Papel de los microoganismos en la naturaleza y en la industria. Aunque al hablar de microorganismos se los asocia inmediatamente con seres vivos causantes de enfermedades infecciosas en personas, animales y plantas, sólo una pequeña parte son patógenos, desempeñando la inmensa mayoría papeles que en muchos casos son esenciales para nuestra propia supervivencia. Entre los papeles beneficiosos que llevan a cabo podemos citar los siguientes: ➢ Las bacterias que habitan de forma habitual en nuestro cuerpo (piel, tracto digestivo y tracto respiratorio), y que constituyen nuestra flora microbiana normal, impiden que se asienten en estas regiones bacterias patógenas que pueden provocarnos una enfermedad. Además, nos aportan vitaminas como la K y algunas del complejo de la vitamina B. ➢ Son responsables de los ciclos biológicos que mantienen la vida sobre la tierra (nitrógeno, carbono, oxígeno, azufre, fósforo). Ciertas bacterias y algas juegan un papel importante en la fotosíntesis, que es un proceso que genera nutrientes y oxígeno a partir de luz solar y CO2 siendo un proceso crítico para el mantenimiento de la vida sobre la Tierra ➢ Los microorganismos marinos y de agua dulce forman la base de la cadena alimentaria en los océanos, lagos y ríos. ➢ Los microorganismos también tienen aplicaciones industriales ya que se utilizan en la síntesis de productos químicos como son acetona, ácidos orgánicos, enzimas, alcohol y muchos medicamentos. ➢ La industria alimentaria también usa microorganismos en la producción de alimentos como vino, cerveza, mantequilla, queso, yogurt y pan. ➢ Por último, las bacterias y otros microorganismos pueden ser manipulados para producir sustancias que ellos normalmente no sintetizan. A través de esta técnica, llamada ingeniería genética, se clonan o introducen en su material genético genes humanos que codifican sustancias terapéuticas como la insulina, o la hormona de crecimiento humana. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 8 4. Situación de los microorganismos en la escala biológica. Antes del descubrimiento de los microorganismos, todos los seres vivos se englobaban en dos reinos claramente definidos. El reino Animal (Animalia) se caracterizaba por agrupar seres vivos móviles, mientras que en el reino Vegetal (Plantae), se incluían seres vivos inmóviles que realizaban la fotosíntesis. Cuando se inició la descripción de los integrantes del mundo microbiano, en los siglos XVIII y XIX, no se planteó ninguna duda a la hora de adscribir a los microorganismos a algunos de los dos Reinos vigentes. Las algas, por su carácter fotosintético, y los hongos, en función de su inmovilidad, fueron incluidos en el reino vegetal, mientras que los microorganismos móviles, protozoos y bacterias, se englobaron en el animal. Sin embargo, el descubrimiento de sus particulares formas de vida y estructura organizativa, hizo que los científicos comenzaron a darse cuenta de que los microorganismos no eran ni animales ni plantas, sino que tenían una identidad propia, por lo que en el año 1866 el biólogo alemán Ernst Haeckel (1834-1919) propuso que los seres vivos se dividieran en tres reinos: animal, vegetal, y el reino de los microorganismos al que denominó protistas, en el que se incluían algas, hongos, protozoos y bacterias. En la década de 1930, hubo una razón adicional para revisar el esquema de clasificación de Haeckel. Al utilizar el nuevo microscopio electrónico, se pudo apreciar que las diferencias entre la estructura celular de las bacterias por un lado y la de las células del resto de seres vivos por el otro, eran tan profundas, que se establecieron dos grandes grupos de organismos: procariotas y eucariotas. Los procariotas englobarían a las bacterias y los eucariotas a los animales, plantas y al resto de los protistas (algas, hongos y protozoos). En 1969, Robert Whittaker (1920-1980), propuso que todos los seres vivos conocidos se encuadrasen en cinco reinos: Procaryotae o Monera, Protista, Fungi, Animalia y Plantae en función de dos criterios principales: 1) tipo celular procariota o eucariota y 2) nivel de organización celular (unicelular, en colonias o multicelular). Según esta clasificación, los microorganismos se encuentraban incluídos en tres de estos cinco reinos: Procaryotae, Protista y Fungi. El reino Procaryotae contenía a las bacterias, los seres vivos procariotas, todas ellas unicelulares, que a su vez se subdividían en arqueobacterias o bacterias antiguas y eubacterias o bacterias verdaderas. El reino Protista incluía a los protozoos y a las algas microscópicas, eucariotas que pueden ser unicelulares o formar agregados celulares pero sin formación de tejidos verdaderos. Finalmente, en el reino Fungi se incluía el tercer tipo de microorganismos eucariotas, los hongos microscópicos, que si son unicelulares reciben el nombre de levaduras, mientras que si son pluricelulares filamentosos se conocen como mohos. Finalmente, los estudios moleculares basados en la secuenciación el ARN ribosomal 16S y 18 S, presentes en todas las células procariotas y eucariotas, respectivamente, llevaron a Carl Woese (1928-2012) en 1977 a proponer la clasificación de los microorganismos en tres dominios: - Bacteria: que incluye a las bacterias (procariotas) - Archaea: que engloba a las arqueas, procariotas diferentes a las bacterias. - Eucarya: que agrupa a microorganismos protistas y hongos Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 9 5. Grupos de microorganismos. Bacterias: Las bacterias y las arqueas son microorganismos unicelulares procariotas. Las bacterias poseen paredes celulares cuyo componente mayoritario es el peptidoglucano. La gran mayoría de alimentan de sustancias orgánicas, si bien existen bacterias que obtienen su propio alimento (fotosintéticas) y otras capaces de consumir sustancias inorgánicas. La inmensa mayoría de las bacterias habitan ambientes naturales, otras se encuentran asociadas a seres vivos y una pequeña parte pueden causar enfermedades en otros seres vivos, incluyendo a los seres humanos. Archaea: A diferencia de las bacterias, las paredes celulares de las arqueas, de tenerlas, carecen de peptidoglucano. Suelen habitar ambientes extremos, así que no causan enfermedades en seres humanos. Se dividen en tres grupos: metanógenas (producen metano), halófilas extremas (viven en ambientes extremadamente salinos) y termófilas extremas (habitan aguas cálidas y sulfurosas). Hongos: Microorganismos eucariotas que forman el reino Fungi. Pueden ser unicelulares o pluricelulares, dividirse de manera sexual o asexual, y todos de alimentan de sustancias orgánicas. Los hongos unicelulares se denominan levaduras. Los hongos filamentosos pluricelulares son los mohos. Los hongos de mayor tamaño, como las setas, parecen plantas, pero a diferencia de éstas no realizan fotosíntesis. Protozoos: Son microorganismos eucariotas unicelulares. Se dividen en cuatro grupos en función de su mecanismo de movimiento: ameboides, flagelares, ciliados e inmóviles. Pueden reproducirse de manera sexual o asexual y en general de alimentan de materia orgánica. Microalgas: Las algas de organismos fotosintéticos. Desde el punto de vista de la microbiología las algas de interés son las unicelulares, abundantes en aguas dulces y saladas, en el suelo y en asociación con algunas plantas. Virus: Son partículas acelulares simples formadas por un ácido nucleico (ADN o ARN) rodeado de una cubierta proteica (cápside) y, en ocasiones, por una envuelta externa lipídica (envoltura). A diferencia de los seres vivos, los virus solo pueden reproducirse en el interior de otras células, por lo que se dice que son parásitos intracelulares obligados. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 10 TEMA 2. Estructura y función de la célula procariota • • • Microscopia o Microscopio óptico o Microscopio electrónico Morfología, tamaño y agrupaciones de las células procariotas o Tamaño, morfología y agrupaciones de las bacterias o Organización de la célula procariota. Organización de la célula procariota o Componentes esenciales ▪ Pared celular, membrana citoplasmática, citoplasma, ribosomas, nucleoide ▪ Características que definen a los procariotas o Componentes facultativos ▪ Cápsula, flagelos, fimbrias, endosporas, cuerpos de inclusión, plásmidos Como grupo, los procariotas son los seres vivos más resistentes a los efectos ambientales. Pueden sobrevivir durante años a temperaturas bajísimas, o incluso sobrevivir a la total congelación. Algunas especies habitan en manantiales de aguas en ebullición y otras sobreviven en presencia de ácidos a elevada temperatura. Son los colonizadores pioneros de los nuevos hábitats, capaces de vivir en las grandes profundidades oceánicas y en las capas más altas de la atmósfera. Incluso, algunos cuando se encuentran en situaciones que ponen en peligro su existencia, pueden fabricar estructuras especializadas que les permiten salvarlas. 1. Microscopia La principal característica de los microorganismos es su pequeño tamaño. Por ello, su descubrimiento y estudio profundo no fue posible hasta el diseño del microscopio. El término microscopio deriva etimológicamente del griego, mikrós (pequeño) y skoopéo (observar) y fue acuñado por Jean Faber en 1624. Los microscopios son aparatos que permiten aumentar el tamaño de una imagen hasta convertir algo invisible en algo perceptible por el ojo humano. Permitieron poner fin a la era en la que la existencia del mundo microbiano era pura especulación y dar paso a la era de la observación. Breve historia: ▪ ▪ • ▪ Los primeros microscopios se diseñaron a principios del siglo XVII. El holandés Zacharias Janssen (1586-1638) y el italiano Galileo Galilei (1564-1642) se disputan su autoría. En 1675 Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) diseña los primeros microscopios con los suficientes aumentos como para poder demostrar la existencia de un nuevo mundo, el de los microbios. Leeuwenhoek era muy celoso de sus conocimientos. Jamás vendió sus microscopios simples (mejores que los microscopios compuestos de doble lente disponibles en la época) y durante toda su vida mantuvo en secreto las técnicas que usaba para llevar a cabo sus descubrimientos. Ello hizo que no crease escuela, provocando tras su muerte un considerable retraso en el campo de la microscopía. En esta época cabe destacar los trabajos de Robert Hooke (1635-1703), director de experimentación en la Sociedad Real de Londres, que utiliza microscopios compuestos (dotados de dos lentes de vidrio) para examinar y estudiar cortes de corcho, lo que le permite describir pequeños poros en forma de caja (similares a las celdillas de un panal) a los que llamó "células". A Hooke se debe también el descubrimiento de los hongos filamentosos, los mohos. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 11 El microscopio de Leeuwenhoek, perteneciente a la colección del Dr. Tomás Camacho, expuesto en el Museo de Ciencias Naturales de la USC, junto a un ejemplar del libro de Robert Hooke. ▪ ▪ ▪ • • Durante el siglo XVIII y gran parte del XIX el microscopio sufrió diversos adelantos mecánicos que, aunque aumentaron su estabilidad y facilidad de uso, no sirvieron para incrementar el número de veces que se podía aumentar lo que se observaba. Las mejoras más importantes de la óptica surgieron ya a finales del siglo XIX, cuando en 1877 Ernst Abbe (1840-1905), por encargo del industrial alemán Carl Zeiss (1916-1888), introduce la microscopía de inmersión, abriendo por primera vez la posibilidad de usar objetivos de cien aumentos (100X) mediante la utilización de aceite de cedro, que unido al uso de oculares de 10X permitían llegar a obtener hasta mil aumentos (1000X), permitiendo visualizar tanto los microorganismos eucariotas como la mayoría de las bacterias. Sin embargo, existía un deseo científico de observar los detalles de las estructuras internas de las células: el núcleo, las mitocondrias, las membranas celulares, etc., además de visualizar por primera vez una partícula vírica. Para ello se hacía necesario conseguir más aumentos. El microscopio electrónico de transmisión (T.E.M.), diseñado en 1936 por Ernst Ruska (1906-1888) en Alemania, abrió de par en par estas posibilidades. Este microscopio utilizaba un haz de electrones en lugar de luz para enfocar la muestra, consiguiendo alcanzar un millón de aumentos y visualizar una proteína o un ácido nucleico. Posteriormente, en 1942, se desarrolla el microscopio electrónico de barrido (SEM) que, aunque no consigue tantos aumentos, ya que “sólo” alcanza los 100.000 X, es el que permite obtener las imágenes más espectaculares al visualizarlas en tres dimensiones. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 12 1.1. Microscopio óptico Existen dos tipos de microscopios ópticos, el simple que se compone de una única lente y se conoce como lupa (alcanza entre 5-100 aumentos), y el compuesto que se compone de un sistema de dos lentes (alcanza entre 40 y 1500 aumentos). Tanto el microscopio simple como el compuesto pueden ser monoculares o binoculares. Se componen de: • Un sistema óptico. Incluye el conjunto de las lentes y el resto de los elementos de manipulación de la luz necesarios para generar una imagen aumentada (fuente de luz, condensador, diafragma, objetivo y ocular) • Un sistema mecánico. Proporciona el soporte estructural a los anteriores elementos (base, brazo, platina, tornillo macrométrico, tornillo micrométrico, revolver y tubo). ▪ La luz procedente de una bombilla situada en el interior de la base llega al condensador, una lente que la dirige hacia la muestra que se pretende visualizar. El diafragma, localizado debajo de la platina, actúa a modo de iris y nos permite ajustar la cantidad de luz que llega a la preparación. La luz incide sobre la muestra, la ilumina y la imagen penetra en el sistema de lentes comenzando el proceso de amplificación. El sistema de lentes de un microscopio compuesto se compone del objetivo que es la lente que está más cerca de la platina, que a su vez es la superficie sobre la que se deposita la preparación para ser observada. El microscopio está dotado de una pieza llamada revolver con varios objetivos que intercambiables que permiten amplificar la imagen 4, 10, 40 o 100 aumentos. Existen objetivos para usar en seco (se usan sin interponer ninguna sustancia líquida entre el objetivo y la muestra) y de inmersión (se necesita interponer una gota de agua o aceite entre el objetivo y la muestra). La segunda lente del microscopio óptico compuesto es el/los ocular/es (normalmente 10 aumentos, 10X) que es la lente/s a través de la cual/es se realiza la observación. Por lo tanto, el aumento primario del objeto es producido por la lente objetivo y a continuación la imagen se transmite al ocular, donde se realiza el aumento final. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 13 Microscopio óptico. Componentes y trayectoria de la luz. El número de aumentos totales (AT) de un microscopio se calcula multiplicando los aumentos del ocular por los aumentos del objetivo, por lo que dependiendo del objetivo empleado podremos obtener, 40, 100, 400 o 1000 X. Más aumentos amplifican la imagen pero la distorsionan. Para evitarlo, con los objeticos más potentes se emplea aceite de inmersión. El poder de resolución de un microscopio es su capacidad para resolver “la menor distancia entre dos puntos adyacentes que pueden ser percibidos por separado uno del otro”. El poder de resolución del ojo humano es de 0,1-0,2 mm y el del microscopio óptico usando el objetivo de inmersión de 0,1-0,2 micras. El poder de resolución depende de la apertura numérica (AN). Este parámetro representa la cantidad de luz que un objetivo es capaz de captar siendo máxima para el objetivo de inmersión. La apertura numérica depende a su vez del índice de refracción del medio que hay entre la muestra y el objetivo. Cuando el medio es el aire (objetivos de 4X, 10X y 40X: preparaciones en seco), la apertura numérica máxima es (1,0), cuando es el agua es de (1,33), la glicerina (1,47) y cuando lo es el aceite de cedro (objetivo de 100X) es de (1,52). La distancia de trabajo o distancia de enfoque es la distancia entre la lente objetivo y la muestra cuando ésta está bien enfocada. Disminuye al usar objetivos de mayores aumentos, de manera que es mínima con el objetivo de inmersión (el objetivo está a una distancia mínima del objetivo). El objetivo de inmersión: El objetivo de 100 aumentos (100X), también llamado de inmersión es diferente a los 4X, 10X y 40X aumentos. ▪ ▪ Para conseguir una buena visualización de la muestra con este objetivo es necesario que toda la luz que emana de la fuente inferior sea concentrada por el condensador, dirigiéndola hacia el portaobjetos sobre el que se encuentra la muestra, para así aprovechar su gran apertura numérica. Sin embargo, a pesar de que la distancia de enfoque con este objetivo es mínima, la luz, una vez que atraviesa la muestra tiene que pasar por un pequeño espacio de aire antes de penetrar en la lente objetivo. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 14 ▪ ▪ El vidrio del portaobjetos y el de la lente objetivo tienen un índice de refracción de 1,52, mientras que el del aire es de 1, lo que provoca que una parte de los rayos de luz que atraviesan la preparación se desvíen y pierdan. Este problema se consigue evitar unificando la refringencia del sistema, para lo cual se coloca una gota de aceite de cedro (con un índice de refracción de 1,52) sobre el portaobjetos y acercando el objetivo hasta que entre en contacto con el aceite. De este modo se consigue que ningún rayo de luz se pierda y la muestra se pueda visualizar con nitidez). Refracción en el microscopio óptico compuesto con el objetivo de inmersión. 1.1.1 Microscopio óptico de campo claro El microscopio óptico compuesto más usado en el campo de la microbiología es el de campo claro (la luz genera un campo de observación de fondo claro). Como la inmensa mayoría de los microorganismos carecen de color (con la excepción de las bacterias fotosintéticas y las microalgas), su visualización a través del microscopio óptico de campo claro exige, como paso previo, teñirlos con colorantes para aumentar el contraste. En ocasiones no es posible o no es recomendable teñir la muestra, por lo que el contraste es muy bajo y hay muchos detalles que en consecuencia no son apreciables. Para remediar este problema existen microscopios que, utilizando distintas técnicas de tratamiento del haz de luz, permiten observar la muestra con niveles adecuados de contraste. Algunos de estos microscopios son el microscopio de campo oscuro y el microscopio de contraste de fases. La preparación de una muestra para visualización en un microscopio de campo claro conlleva cuatro etapas secuenciales. • • • • Extensión: Se coloca una gota de agua o de solución salina (ClNa 0,085%) sobre un portaobjetos limpio. Se recoge con un asa de cultivo la muestra problema y se realiza una extensión sobre la gota de agua. Secado: Se deja que el agua se evapore hasta que se elimine. Fijación: Se pasa la preparación 3 o 4 veces a través de la llama del mechero para que la muestra quede íntimamente adherida al portaobjetos. Tinción: Se emplean colorantes para teñir los microorganismos que puedan estar presentes en el frotis. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 15 Preparación de una muestra para su observación en un microscopio de campo claro Colorantes Los colorantes que se utilizan para teñir microorganismos son sales compuestas por un ion positivo y otro negativo, de los cuales sólo uno es coloreado. Existen dos tipos de colorantes: • Colorantes básicos: Son aquellos en los que el ion coloreado es el positivo. • Colorantes ácidos: Son aquellos en los que el ion coloreado es el negativo. El pH óptimo de crecimiento de la mayoría de las bacterias se encuentra próximo a la neutralidad, es decir a 7. A este pH, los componentes superficiales de las bacterias presentan una carga neta negativa y por la tanto para teñirlas tendremos que emplear colorantes de tipo básico, cuyo ion positivo será atraído y quedará unido a la superficie bacteriana. Por el contrario, al usar un colorante ácido, los iones teñidos son repelidos por las bacterias y sólo colorean el fondo de la preparación (tinción simple negativa). Por lo tanto: • Colorante básicos: Tiñen únicamente los microorganismos. • Colorantes ácidos: Tiñen toda la preparación excepto los microorganismos (tinción negativa) Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 16 Tipos de tinciones • • • Tinción simple: Es aquella en la que se emplea un solo colorante. Se utiliza para observar la forma, el tamaño y el tipo de agrupación de las células. Tinción diferencial: Requiere la utilización de dos colorantes. El primer colorante se llama principal y el segundo de contraste. • Tinción de Gram: Permite dividir a la inmensa mayoría de las bacterias que se conocen en dos grandes grupos: Grampositivas y Gramnegativas. • Tinción de Ziehl - Neelsen o ácido alcohol - resistente: Permite teñir las micobacterias, bacterias que causan enfermedades como la tuberculosis y la lepra. Tinciones específicas: Permiten visualizar estructuras concretas de los microorganismos. Ejemplos: tinción de cápsulas, tinción de flagelos, tinción de endosporas, etc. Ejemplo de tinción simple, tinción diferencial y tinción específica. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 17 2. Morfología, tamaño y agrupaciones de las células procariotas 2.1. Forma y agrupaciones Las bacterias (dominio Bacteria) y las arqueobacterias (dominio Archaea) son los únicos seres vivos con estructura celular procariota. Todas ellas son unicelulares. Las bacterias son organismos procariotas unicelulares, pero extraordinariamente heterogéneos en cuanto a su forma, tamaño y agrupamiento. La inmensa mayoría de las bacterias conocidas son cocos o bacilos. Cocos Células casi esféricas que pueden existir como células individuales o bien formar agrupaciones características que son muy útiles para su identificación. ▪ Diplococos: se forman cuando los cocos se dividen y permanecen juntos para constituir pares (Neisseria) ▪ A veces, las células permanecen adheridas después de dividirse repetidamente en un plano. Cuando esto sucede se forman largas cadenas de cocos (Streptococcus) ▪ Cuando la división se produce en planos aleatorios se forman agrupaciones irregulares en forma de racimos de uvas (Staphylococcus) ▪ Si la división es en dos o tres planos, se producen grupos simétricos de cocos (Micrococcus – dos planos – forman grupos cuadrados de cuatro células o tétradas; Sarcina – tres planos – paquetes cúbicos de ocho células) Bacilos Tienen forma alargada, pero hay muchas variaciones en cuanto a la proporción entre la longitud y la anchura, siendo algunos, los cocobacilos, tan cortos y anchos que llegan a confundirse con cocos. Aunque los bacilos suelen aparecer aislados, pueden permanecer juntos después de dividirse para formar pares o cadenas, hablándose en este caso de estreptobacilos. También suele haber variaciones en la forma de los extremos. En algunas especies son rectos, en otras redondeados, en forma de puro o bifurcados Algunos bacilos son curvados y forman comas (Vibrio). Otras formas Otras bacterias tienen forma de bacilos retorcidos, que forman espirales o hélices que se caracterizan por su forma de sacacorchos. Si éstas son rígidas se denominan espirilos y si son flexibles espiroquetas. Se han encontrado bacterias cuadradas y planas, otras son ramificadas como los actinomicetos, e incluso existen bacterias que cambian su forma, es decir, son pleomórficas como es el caso de los micoplasmas. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 18 Morfología y agrupaciones bacterianas (de Tortora et al., Introducción a la Microbiolgía, Editorial Panamericana) Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 19 2.2. Tamaño de las células procariotas Al igual que con la morfología también existe mucha variación en cuanto al tamaño de las células procariotas, que se mide en micras. Un milímetro tiene 1000 micras. ▪ ▪ ▪ Pequeñas. Las más pequeñas, del género Micoplasma, tienen 0,3 m de diámetro, casi el tamaño de los mayores virus (poxvirus). Incluso se habla ahora de la existencia de nanobacterias o ultramicrobacterias que tendrían un diámetro situado entre las 0,05 m y las 0,2 m Tamaño medio. Escherichia coli es una bacteria de tamaño medio y mide de 1,1 a 1,5 m de ancho y 2,0 a 6,0 m de largo Gran tamaño. Algunas espiroquetas pueden llegar a tener una longitud de 500 m y una cianobacteria (Oscillatoria) tiene casi 7 m de ancho, el mismo que un eritrocito. La mayor bacteria encontrada hasta ahora es Epulopiscium fishelsoni (600 x 80 m) más grande que muchas células eucariotas. Una característica de las células procariotas es la alta proporción que existe entre el área de la superficie y el volumen de la célula. Esto significa que poseen una gran superficie a través de la cual pueden entrar nutrientes para alimentar a un pequeño volumen; con lo cual pueden realizar muchas reacciones metabólicas y crecer rápidamente. Así, por ejemplo, Escherichia coli tarda 20 minutos en dividirse, en condiciones óptimas, mientras que una célula de mamífero en el laboratorio tarda de 13 a 24 horas. 3. Organización de la célula procariota La célula procariota es mucho más sencilla que la eucariota. Las células procariotas contienen diferentes estructuras, algunas esenciales (presentes en todas las bacterias) y otras facultativas (presentes en algunas y ausentes en otras, incluso dentro de la misma especie). Casi todas las bacterias poseen una pared celular compleja. Por debajo de ésta existe un espacio periplásmico que la separa de la membrana plasmática en cuyo interior se observan invaginaciones denominadas mesosomas. La célula procariota no contiene orgánulos internos. Su interior aparece morfológicamente simple. El material genético se localiza en una región denominada nucleoide que no está separado del resto del citoplasma por membrana alguna. Los ribosomas y los cuerpos de inclusión están dispersos por el citoplasma. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 20 Algunas bacterias pueden usar flagelos para desplazarse o fimbrias o pili para adherirse a superficies. Por último, muchas células bacterianas presentan rodeando a la pared celular una cápsula o capa mucosa. De estos componentes: Son esenciales: • Pared celular, Membrana plasmática, Ribosomas, Región nuclear o nucleoide Son facultativos: • Flagelos, Fimbrias, Cápsula, Endosporas, Plásmidos, gránulos cictoplasmáticos Estructura de la célula procariota (de Tortora et al., Introducción a la Microbiolgía, Editorial Panamericana) Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 21 4. Componentes esenciales 4.1. Pared celular Salvo los micoplasmas y algunas arqueas, la mayoría de las células procariotas poseen una pared celular fuerte que por una parte les confiere su forma y por otra las protege de los traumatismos osmóticos y mecánicos. Dependiendo de las especies y de las condiciones de cultivo, la pared celular puede suponer del 10% al 40% del peso seco de la célula. La pared celular rodea y protege a la membrana citoplasmática (más frágil), es el lugar de anclaje de los flagelos, contribuye a la virulencia de algunas especies y es el sitio de acción de algunos antibióticos (que impiden la síntesis de la pared celular). La pared celular de las bacterias contiene peptidoglucano, ausente en la pared de las arqueas, que cuentan con diferentes tipos de paredes. 4.1.1. El peptidoglucano o Mureína En 1884, Christiam Gram (1853-1938) desarrolló una tinción que lleva su nombre. Con esa tinción se comprobó que las bacterias se podían dividir en dos grupos principales, según fuese su respuesta a este método de tinción. Las bacterias grampositivas se teñían de color azul-violeta, mientras que las gramnegativas adquirían un color rosa. La aparición del microscopio electrónico en la década de 1930, permitió poner de manifiesto que las diferencias en la estructura de la pared celular de ambos grupos de bacterias eran las responsables de su diferente comportamiento frente a los colorantes. El componente básico de la pared, común a todas las especies bacterianas y exclusivo de estos procariotas, es el peptidoglicano o mureína, un polímero complejo compuesto de cadenas formadas por moléculas alternativas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico, que forman un esqueleto azucarado. De cada molécula de ácido N-acetilmurámico sobresale una cadena de 4 aminoácidos que forman un tetrapéptido, a través de los cuales se produce la unión (enlaces peptídicos) con los tetrapétidos de cadenas adyacentes, permitiendo que se solapen diferentes capas de peptidoglicano que fortalecen a la pared. Los aminoácidos que forman el tetrapéptido varían entre las especies bacterianas (Grampositivas y Gramnegativas). Además del peptidoglicano, existen otros componentes de la pared que varían según se trate de bacterias grampositivas o gramnegativas. Estructura del peptidoglucano Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 22 4.1.2. Pared celular de bacterias grampostivas La pared celular de las bacterias grampositivas es muy homogénea. Se compone de una capa muy gruesa de peptidoglucano de entre 20 y 80 nm de grosor. Además, contiene una gran cantidad de ácidos teicoicos, que pueden estar unidos por enlaces covalentes al peptidoclucano o bien a los lípidos de la membrana plasmática, en cuyo caso se denominan lipoteicoicos. ▪ ▪ Acidos teicoicos: Unidos mediante enlaces covalentes al ácido N-acetilmurámico Acidos lipoteicoicos: Unidos a los lípidos de la membrana citoplasmática Estructura de la pared celular de bacterias grampositivas 4.1.3. Pared celular de bacterias gramnegativas La pared de las bacterias gramnegativas es bastante más compleja. Consta de un espacio periplásmico y una membrana externa. En el espacio periplásmico se localiza una capa fina de peptidoglucano (2-7 nm), que se una a la membrana externa a través de las lipoproteínas de Braun. El espacio periplásmico tiene una gran importancia debido a que es una solución con apariencia de gel en el que se localizan una gran cantidad de proteínas que son fabricadas y exportadas desde el citoplasma, y que, dependiendo de la especie bacteriana, realizan diferentes funciones: • Enzimas hidrolíticas (fosfatasas, proteasas, lipasas, glicosidasas, betalactamasas) que se ocupan, junto a las exoenzimas, de la digestión inicial de los alimentos. • Proteínas de unión que llevan a cabo el proceso de transporte de sustancias en ambos sentidos (del exterior al interior y viceversa). • Proteínas quimiorreceptoras que dirigen la respuesta quimiotáctica (acercarse a zonas favorables y alejarse de zonas desfavorables). Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-9356277 23 La membrana externa de la pared es impermeable para moléculas grandes, y una de sus funciones fundamentales es evitar que las proteínas y enzimas del espacio periplásmico escapen hacia el medio exterior. La membrana externa se compone de una bicapa lipídica, proteínas y el componente más característico, las moléculas de lipopolisacárido (LPS) que se encuentran formadas por tres partes: ▪ ▪ ▪ Lípido A, localizado en la parte interna, sirve de enlace entre la bicapa lipídica y la porción polisacarídica. Núcleo polisacarídico o core, representa la porción más interna del polisacárido. Polisacarido lateral O, también conocido como antígeno “O” ó antígeno somático, que es la porción mas externa del polisacárido, y por lo tanto la que más sobresale de la membrana. Funciones del LPS: • • • • Evita las defensas del hospedador, enmascarando al resto de las estructuras. Facilita la estabilidad de la estructura de la membrana. A veces es tóxico: endotoxina. Es una barrera protectora: evita el paso de antibióticos u otras sustancias dañinas para la bacteria, a la vez permite la entrada de pequeñas moléculas (nutrientes). El paso de nutrientes se realiza a través de porinas, proteínas que se unen en grupos de tres o trímeros formando canales estrechos que atraviesan la membrana externa, a través de los cuales pueden pasar moléculas muy pequeñas como glucosa y otros monosacáridos. Estructura de la pared celular de bacterias gramnegativas y del LPS Reservados todos los derechos. No se permite la explotación econ