Tema 4

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TEMA 4: MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA

1.-Los microorganismos y su diversidad. Tipos de microorganismos según su organización.

2.-Formas acelulares: los virus. Características. Composición y estructura. Clasificación. Ciclos vitales. Otras formas acelulares: priones y viroides.

3.-Microorganismos procariotas: arqueobacterias y bacterias. Características y formas de vida.

4.-Microorganismos eucariotas: protozoos, algas microscópicas, hongos microscópicos. Características y formas de vida de los diferentes grupos.

5.-Utilización de los microorganismos: la biotecnología. Los microorganismos y los procesos industriales: Aplicaciones de los microorganismos.

6.-Papel de los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos y aplicaciones de los microorganismos en la protección ambiental.

7.-Los microorganismos y la salud: patógenos. Las enfermedades infecciosas y su transmisión.

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1.-LOS MICROORGANISMOS Y SU DIVERSIDAD. TIPOS DE MICROORGANISMOS SEGÚN SU ORGANIZACIÓN.

-Los microorganismos son un conjunto de seres vivos con una gran sencillez estructural y organizativa y que, debido a su reducido tamaño, sólo son visibles con el microscopio.

-En cuanto a su diversidad, cabe apuntar que dentro de los microorganismos encontramos toda la gama de tipos nutricionales (vistos en el tema 2) y están representados cinco grupos de seres vivos: virus, bacterias, protozoos, hongos y algas, cuyas principales características se presentan en esta tabla.

Organización Tamaño Carácter disitntivo Grupo

Acelular 0,1 µm Parásitos obligados Virus

Anaerobios (la gran mayoría) Arqueobacterias Procariota 10 µm

Aerobios y anaerobios Eubacterias

Con clorofila, autótrofos

Algas Con pared celular

Sin clorofila, heterótrofos

Hongos

Eucariotas >250 µm

Sin pared celular, heterótrofos Protozoos

-El pequeño tamaño de los microorganismos les propociona ventajas como:

a) Rápido intercambio de sustancias con el medio externo, dado que la disminución del tamaño celular supone un aumento en la relación superficie volumen.

b) Metabolismo muy rápido pues los compartimentos celulares están muy próximos a los metabolitos y nutrientes. Por ello pueden alterar rápidamente el medio en que viven, agotando los nutrientes e inundándolo de residuos. Las toxinas son productos metabólicos de algunos microorganismos que utilizan como arma de ataque-defensa ante los competidores.

c) Rápida multiplicación, basada en su eficaz metabolismo.

Esto tiene aspectos positivos que utiliza la microbiología industrial en la fabricación de antibióticos, fermentaciones, etc, y aspectos negativos, especialmente su capacidad invasora, siendo muchos de ellos seres patógenos.

-Pueden adaptarse a todo tipo de condiciones ambientales, por extremas que sean, formando según Margulis, una capa continua sobre la Tierra conocida como microcosmos. Por esta capacidad de adaptación y rápido metabolismo los microorganismos desempeñan también papeles básicos de los ciclos biogeoquímicos.

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2.-FORMAS ACELULARES: LOS VIRUS. CARACTERÍSTICAS. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA. CLASIFICACIÓN. CICLOS VITALES. OTRAS FORMAS ACELULARES: PRIONES Y VIROIDES

CARACTERES GENERALES DE LOS VIRUS

-Descubiertos a finales del siglo XIX, enseguida se puso de manifiesto su carácter infectivo (Pasteur, 1884). La virología es una ciencia reciente, pues por su pequeño tamaño, de 20 a 300nm, aunque se suponía su existencia, no fueron observados hasta la aparición del microscopio electrónico, siendo Wendell Stanley quién en 1935 consiguió cristalizarlos. Esto implica que tienen formas geométricas propias del mundo mineral.

-Las características que los definen son:

a)Son los seres más simples y pequeños que se conocen.

b)Básicamente son moléculas de ácido nucleico (ADN o ARN) envueltas por una cubierta proteica llamada cápsida.

c)Son subcelulares, es decir, no tienen organización celular.

d)Todos son parásitos intracelulares obligados, modifican mediante su ácido nucleico el metabolismo de la célula hospedadora, usándola para reproducirse.

e)Fuera de la célula parasitada son estructuras inertes, ya que carecen de enzimas con las que desarrollar su propio metabolismo, siendo su única función transportar el ácido nucleico viral de una célula hospedadora a otra.

COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DEL VIRUS

-La composición de un virus se refiere a su estado extracelular, conocido como partícula viral o virión, ya que en su estado intracelular su ácido nucleico se integra en la célula hospedadora y el virus desaparece temporalmente.

-Un virión está compuesto de ácido nucleico, enzimas, cápsida y en algunos casos envolturas membranosas externas.

1) El ácido nucleico:

Representa solo el 1-2% del total del virión.

Es de un solo tipo, ADN o ARN.

Pueden ambos ácidos nucleicos ser monocatenarios o bicatenarios, según estén formados por una o dos cadenas. Lo más frecuente es que forme una sola cadena, que puede estar abierta o cerrada (circular), pero también hay ácidos nucleicos fragmentados.

Los que contienen ARN (retrovirus) tienen la capacidad de copiar, a partir de una hebra simple de ARN, una doble hélice de ADN (gracias a la retrotranscriptasa).

2) Las enzimas:

Son muy escasas, y le sirven para entrar o salir de la célula parasitada (lisozima y neuraminidasa) o para replicar o transcribir su ácido nucleico (polimerasas, transcriptasas o retrotranscriptasa).

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3) La cápsida:

Es una estructura constituida por elementos proteicos llamados capsómeros, agregados en torno al ácido nucleico.

Hay distintos tipos de cápsidas con diferentes formas geométricas y, según sean éstas, se habla de virus helicoidales, icosaédricos y complejos (es el criterio más utilizado para su clasificación).

Los que poseen cápsida compleja infectan a las bacterias y se llaman bacteriófagos. Poseen cabeza, cola y sistema de anclaje.

Virus icosaédrico con envuelta y virus bacteriófago

Virus helicoidal

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4) Envoltura membranosa externa:

Está constituida por una bicapa lipídica en la que puede haber proteínas integrales, encargadas de la unión del virus a la célula que va a parasitar (infectar).

CLASIFICACIÓN

-Los virus se pueden clasificar según varios criterios. Algunos de ellos son:

a)Por la célula que parasitan: virus animales, vegetales o bacteriófagos.

b)Por su forma: helicoidales, poliédricos o complejos.

c)Por tener o no envolturas: virus con envueltos o desnudos.

d)Por su ácido nucleico: ADNmc; ADNbc; ARNmc o ARNbc.

Tabla de la clasificación de los virus

Forma Familia o tipo Ácido Nucleico

Envoltura Ejemplo - Enfermedad

Papovavirus ADNbc NO Virus papiloma y de las verrugas

Herpesvirus ADNbc lineal

SÍ Virus del herpes, varicela, Sarcoma de Kaposi

Adenovirus ADNbc lineal

NO Infecciones respiratorias, entéricas y oftálmicas

Picornavirus ARNmc NO Poliomelitis, Meningitis, Hepatirs A, Resfriado común

Reovirus ADNbc NO Gastroenteritis y Diarreas infantiles

Icosaédrico

Togavirus ARNmc SÍ Rubeola, Fiebre amarilla

Vegetales ARNmc NO Mosaico del tabaco; Estriado del maiz, Tumores vegetales

Retrovirus ARNmc SÍ SIDA

Ortomixovirus ARNmc SÍ Gripe

Paramixovirus ARNmc SÍ Sarampión, Paperas, Bronquitis, Garrotillo

Helicoidal

Rhabdovirus ARNmc SÍ Rabia

Bacteriófagos ADNbc NO Bacteriofago T, Corticovirus Complejo

Poxvirus ADNbc NO Virus de la viruela y de la vacuna

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CICLOS VITALES

-Los virus realizan las siguientes fases en su ciclo de multiplicación:

1)Entrada en el citoplasma de la célula huésped.

2)Reproducción de las partículas víricas (viriones).

3)Salida de los virus al exterior de la célula infectada.

-Presentan una característica muy peculiar en su reproducción: la síntesis de cada uno de sus componentes se da por separado y, posteriormente, se produce el ensamblaje entre ellos.

-Para estudiar el ciclo vital tomaremos el caso de un bacteriófago (virus complejo):

1)Fase de fijación o adsorción:

El ciclo se inicia con esta fase, en la que el virus se une a un receptor específico situado sobre la cubierta de la cápsula de la bacteria.

2)Fase de penetración:

En esta fase, únicamente es inyectado el ácido nucleico del virus (ADN) en el interior de la bacteria. A partir de este momento, el virus puede seguir dos ciclos diferentes:

a) Ciclo lítico:

El ADN del virus sirve de molde para formar los ARNm, que serán los encargados de sintetizar las proteínas de la cápsida y de obtener muchas copias del ác.nucleico del virus.

Cuando se han sintetizado cantidades suficientes, comienza el ensamblaje de las partículas víricas, de tal forma que el ác.nucleico se rodea de las proteínas de la cápsida y la bacteria se lisa, liberando gran cantidad de bacteriófagos.

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b) Ciclo lisogénico:

Se produce cuando el genoma del virus queda integrado en el genóforo bacteriano, de tal forma que no expresa sus genes y se replica junto al de la bacteria.

En este estado se habla de virus atenuado o profago.

Si la bacteria que contiene el profago sufre alguna alteración (exposición a radiación ultravioleta, por ejemplo), el virus integrado en el genoma bacteriano sale de éste y comienza el ciclo lítico.

OTRAS FORMAS ACELULARES

VIROIDES

-Son partículas constituidas por ARN circular (monocatenario), de unos 300 nucleótidos que, curiosamente, no codifica ninguna proteína, pero que su multiplicación en células vegetales es causa de enfermedades en las plantas.

PRIONES

-Parecen estar compuestos únicamente por una proteína.

-Parece ser que la célula huésped es la que posee información para codificar a la proteína del prión. La presencia de la proteína infectiva (prión) provoca a su vez la aparición de mayor cantidad de proteína codificada por la célula huésped.

Las proteínas priónicas pueden adoptar dos formas: una benigna y otra infecciosa. Cuando la benigna se convierte en infectiva cambia su estructura.

Se relaciona a estas partículas con enfermedades como la de Creutzfeldt-Jakob y la de las 'vacas locas'.

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3.-MICROORGANISMOS PROCARIOTAS: ARQUEOBACTERIAS Y BACTERIAS. CARACTERÍSTICAS Y FORMAS DE VIDA.

ARQUEOBACTERIAS Y BACTERIAS. CARACTERÍSTICAS Y FORMAS DE VIDA

1) Arqueobacterias:

-Es el grupo más antiguo de bacterias.

-Tienen una membrana plasmática cuyos lípidos carecen de ácidos grasos y, en su lugar, poseen hidrocarburos que se unen a la glicerina mediante enlaces éter (-C-O-C-) en vez de enlaces éster (-CO-O-).

-Las paredes celulares carecen de peptidoglicanos; en cambio, poseen complejos similares a los mismos, además de polisacáridos o proteínas, según las especies.

-Su genoma está formado por una sola molécula de ADN circular, más pequeña que la de eubacterias.

-Hay especies autótrofas, aunque la mayoría son heterótrofas.

-Son capaces de vivir en ambientes de condiciones extremas de temperatura, salinidad, pH y anaerobiosis. Dependiendo de las mismas, a las que han adaptado su metabolismo, se distinguen tres grupos:

a)Halofíticas: en ambientes de elevada salinidad.

b)Metanógenas: anaerobias, en ambientes pantanosos y cenagosos.

c)Hipertermófilas: de ambientes geotérmicos (volcánicos), incluso submarinos, donde las temperaturas superan los 80-100º C.

2) Bacterias:

-También denominadas, simplemente, eubacterias.

-Actualmente están representadas por más de 2000 especies diferentes, haciéndose extremadamente complicada su clasificación, con todas las formas de vida posibles.

(A continuación hablamos de su constitución general).

MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA BACTERIANA

-Las bacterias tienen un tamaño comprendido entre 1 y 10µ y unas formas que se conocen como cocos (esféricas), bacilos (cilíndricas), vibrios (curvadas), y espirilos (alargados y retorcidos), pudiendo agruparse en colonias de forma específica.

-Desde el exterior al interior nos encontramos con las siguientes estructuras:

1)Cápsula, (puede faltar):

Zona viscosa, 100-400 de grosor, sin estructura definida.

Formada por mezcla de heterósidos, confiere a la bacteria resistencia a la desecación y al ataque por células fagocíticas, pudiendo servir también como elemento de fijación al sustrato.

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2)Pared bacteriana:

Cubierta rígida, de 50-100 que da forma a la bacteria y resistencia a las fuertes presiones osmóticas de su interior.

Su estructura y composición se utilizan para identificar a las bacterias. Concretamente, a través de la denominada tinción Gram se pone de manifiesto la existencia de dos tipos de paredes (o de bacterias): gram-positivas y gram-negativas. La tinción Gram utiliza un colorante llamado violeta cristal y una disolución de yodo; una vez teñida la muestra, se trata con alcohol o acetona y puede observarse lo siguiente: si el tinte permanece son bacterias gram-positivas y si el tinte desaparece bacterias gram-negativas.

a)gram-positivas: tienen paredes anchas, con numerosas capas de un peptidoglicano (mureína) reforzadas con ácido teicoico.

b)gram-negativas: tienen la pared más estrecha, con una capa de mureína interna y una membrana lipídica externa, permeable gracias a canales de porina.

La bacteria sin pared queda en un estado inerme, se conoce como protoplasto.

Esquema de una bacteria

3)Membrana plasmática:

Es semejante a la membrana de las células eucariotas, salvo por su composición química, al carecer de esteroides, frecuentes en las células superiores.

Regula el intercambio de sustancias con el medio y tiene adosados a su cara interna los complejos enzimáticos que realizan funciones vitales como la respiración celular, la duplicación del ADN y la fotosíntesis y fijación del nitrógeno en las bacterias que tienen estas capacidades. Por ello la membrana es una zona de gran actividad.

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4)Citosol:

Semejante a cualquier célula, con las singularidades siguientes propias de las células procariotas:

a)Sus únicos orgánulos son los ribosomas, más pequeños que los eucariotas.

b)Abundan las inclusiones de diversa naturaleza química, ya sean sustancias de reserva o residuos de su metabolismo.

5)Cromosoma bacteriano:

Es una única molécula de ADN circular de doble cadena, localizado en una zona menos densa llamada nucleoide.

Puede haber una o varias moléculas de ADN libres, conocidas como plásmidos, que pueden unirse temporalmente al cromosoma bacteriano, en ese caso se llaman episomas.

6)Estructuras de la superficie

Flagelos: més sencillos que los eucariotas, carecen de membrana y están formados por una proteína fibrilar la flagelina, trenzada helicoidalmente como una soga, que se ancla mediante discos a la membrana, teniendo movimiento rotatorio. Su presencia, número y distribución es un rasgo identificativo de las especies bacterianas.

Fimbrias o pelos (pili): proteínas huecas, más finas que los flagelos, utilizados para unirse al sustrato o para la conjugación, (transmisión de genes entre bacterias).

REPRODUCCIÓN Y GENÉTICA BACTERIANA

-La reproducción de las bacterias es asexual. Se realiza mediante una bipartición, a la que precede una duplicación del ADN y una separación de las dos moléculas en las dos bacterias hijas.

-Al margen de ello, las bacterias poseen mecanismos parasexuales mediante los cuales intercambian información genética (fragmentos de ADN) con otras bacterias, sean o no de la misma especie.

Esta transferencia de material genético pueden realizarla a través de tres mecanismos: conjugación, transducción y transformación.

CONJUGACIÓN

-Es un proceso en el que una bacteria donadora transmite ADN, a través de fimbrias, a otra bacteria receptora.

-Existen dos tipos de bacterias donadoras:

a)Bacterias F+ : poseen plásmidos (factores F) no integrados en el genóforo.

Las bacterias F+ suelen transferir únicamente el plásmido, que, en principio, no se recombina con el ADN de la bacteria receptora (ésta se significa por F- y queda convertida en F+).

b)Bacterias Hfr : poseen plásmidos integrados en el genóforo (se llaman episomas).

En ocasiones, una bacteria F+ puede pasar a Hfr si el plásmido se incorpora al ADN bacteriano.

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-En cuanto a las bacterias Hfr:

· antes de la conjugación, duplican su ADN, incluido el factor F.

· al transcribir la copia de ADN, generalmente sólo pasa un fragmento de ésta a la bacteria receptora F-.

· el factor F o episoma suele quedar en el interior de la bacteria donadora.

· el ADN transferido se recombina con el ADN de la bacteria receptora.

TRANSDUCCIÓN

-Es un mecanismo de intercambio genético que requiere un agente transmisor, concretamente un virus bacteriófago, el cual transporta fragmentos de ADN procedentes de la última bacteria parasitada.

-El proceso tiene lugar como sigue:

· el ADN del fago penetra en una bacteria A receptora, y se integra, como provirus, en su genóforo.

· en un momento dado, el provirus se replica arrastrando un fragmento del ADN bacteriano; además, el ADN del fago transcribe y traduce su información para la síntesis de las proteínas que constituirán los capsómeros de las cápsidas de los nuevos virus.

· tras formarse múltiples copias del fago, se produce la lisis de la bacteria A quedando libres los virus que portan también material genético de la bacteria A.

· alguno de estos nuevos virus infecta a otra bacteria B receptora y se integra en su cromosoma; de esta manera, la información genética del virus más el fragmento de ADN procedente de la bacteria A se comporta como parte del genóforo de la bacteria B, y es replicada junto con el resto de ésta (el ciclo puede así continuar).

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TRANSFORMACIÓN

-Es un proceso por el cual una bacteria introduce en su interior fragmentos de ADN, que aparecen libres en el medio procedentes de la lisis de otras bacterias.

-Este mecanismo es el responsable de la transformación de cepas bacterianas no virulentas (cepas R) en virulentas (cepas S), cuando se cultivan en medios que contienen fragmentos de ADN procedentes de la cepa S destruida previamente (por ejemplo, por calor).

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4.-MICROORGANISMOS EUCARIOTAS: ALGAS, HONGOS Y PROTOZOOS. CARACTERÍSTICAS Y FORMAS DE VIDA.

ALGAS MICROSCÓPICAS

-Las algas son protoctistas, es decir unicelulares o pluricelulares, talofíticas (sin vascularizar), que carecen de tejidos y autótrofas fotosintéticas.

-Las algas microscópicas son en su mayoría unicelulares, viven en medios acuáticos formando el fitoplacton. Realizan la mayor parte de la fotosíntesis de la Tierra siendo el primer eslabón de las cadenas tróficas de los ecosistemas acuáticos, liberando grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera.

-Todas tienen clorofila pero el color verde puede estar enmascarado por otros pigmentos que provocaran el color final y su hábitat. Pueden acumular los excedentes de su metabolismo tanto en forma de almidón como en otras sustancias de reserva.

-Su pared celular es de celulosa, (las más sencillas carecen de pared celular), pero pueden tener también otras sustancias que modifican su aspecto.

-Se reproducen tanto asexualmente como sexualmente, presentando todo tipo de ciclos biológicos.

Esquema de algas

-Los principales grupos de algas microscópicas unicelulares son:

Euglenófitos: Algas de agua dulce que carecen de pared celular. Se mueven mediante dos flagelos. Pueden enquistarse en casos de sequía.

Crisófitos o Diatomeas: Contienen fucoxantina, pigmento amarillo que les da su color típico. La pared celular está cubierta por dos piezas de sílice que encajan entre sí como una caja y su tapadera. Cuando se acumulan forman la tierra de diatomeas que, además de su interés paleontológico, se usa en la fabricación de pasta de dientes.

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Dinoflagelados: Son básicamente marinas, con una cubierta o teca muy consistente y de formas caprichosas. Suelen ser de color rojo, pudiendo producir toxinas que en grandes cantidades forman las mareas rojas, contaminantes de los criaderos de moluscos.

Los otros grupos de algas, predominantemente pluricelulares, Clorófitos (algas verdes), Feófitos (algas pardas) y Rodófitos (algas rojas), también tiene representantes unicelulares.

HONGOS MICROSCÓPICOS

-El heterogéneo reino de los hongos agrupa a organismos eucariotas, con pared celular rígida formada por quitina y otros compuestos, pero sin celulosa, heterótrofos y con digestión externa que realizan mediante enzimas secretadas al medio. Tras esta digestión absorben los nutrientes.

-Su ecología es muy diversa. Aunque hay representantes acuáticos, principalmente son terrestres. En función de cómo consiguen la materia orgánica que necesitan, encontramos:

a)hongos parásitos, tanto de plantas como de animales causando enfermedades conocidas como micosis. Ejemplo son las tiñas, royas, el cornezuelo, pie de atleta, candidiasis, etc...

b)hongos saprofitos, ocupan en los ecosistemas el nivel trófico de los descomponedores siendo responsables de la mineralización de los bioelementos.

c)hongos simbióticos, con los algas formando los líquenes, o con raíces de plantas en las microrrizas.

-En los hongos pluricelulares las células se disponen linealmente formando unos filamentos o hifas. Las hifas pueden formar un entramado conocido como micelio, que en los hongos macroscópicos se hace observable formando el cuerpo fructífero o seta.

-Se reproducen por esporas, que pueden ser asexuales, formadas en el extremo de hifas especiales o conidios, o sexuales, con dos tipos, internas (ascosporas) y externas (basidiosporas). Según este criterio taxonómico se originan dos grupos de hongos, los Ascomicetos y Basidiomicetos.

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-Los principales hongos microscópicos son las levaduras y los mohos, grupos que no tienen valor taxonómico.

Levaduras

Son hongos unicelulares que se reproducen asexualmente por gemación. Pertenecen al grupo de los ascomicetos. Viven en medios ricos en azúcares. Tienen una gran importancia económica, pues las fermentaciones del vino, cerveza y pan las realizan levaduras del género Saccharomyces. El género Cándida es una levadura patógena. Mohos

Reúne hongos microscópicos, pluricelulares filamentosos. El moho es una fina capa pulverulenta, de diverso color, que forman estos hongos sobre materia orgánica como pan, fruta, queso, carne etc.. Los antibióticos son producidos principalmente por mohos para impedir el desarrollo de las bacterias que competirían con ellos por los nutrientes del medio.

PROTOZOOS

-Los protozoos son microorganismos eucariotas unicelulares heterótrofos sin pared celular. La mayoría son de vida libre en medios acuáticos o húmedos, aunque algunos se han adaptado al parasitismo, pudiendo producir enfermedades en el hombre.

Toman la materia orgánica en disolución por pinocitosis o en estado sólido por fagocitosis. Predominan las formas móviles, mediante cilios, flagelos o seudópodos.

Se reproducen asexualmente y sexualmente, normalmente por conjugación. Pueden originar estructuras muy resistentes, llamadas quistes, con las que sobreviven en condiciones adversas.

Esquema de protozoos

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-Hay unas 30.000 especies que se encuentran en todo tipo de las charcas y que se pueden agrupar en cuatro clases

Grupo Locomoción Hábitat Ejemplos

Flagelados Flagelos Aguas dulces Tripanosoma, enfermedad del sueño

Sacordinos Pseudópodos Aguas dulces y marinas Amebas y Foraminíferos

Ciliados Cilios Aguas dulces y marinas Paramecios.

Tienen dos núcleos

Esporozoos Por contracciones Parásitos Plasmodium causa la malaria

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5.-UTILIZACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS: LA BIOTECNOLOGÍA. LOS MICROORGANISMOS Y LOS PROCESOS INDUSTRIALES: APLICACIONES DE LOS MICROORGANISMOS.

UTILIZACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS: LA BIOTECNOLOGÍA

-La Biotecnología, en sentido amplio, trata del uso de organismos para obtener un producto o para dirigir un proceso.

El desarrollo de la Biología Molecular ha acelerado las técnicas de manipulación genética y, por ello, el concepto actual de la Biotecnología es la manipulación genética de organismos.

Quedan planteadas muchas controversias en torno a los efectos que pueda tener sobre la población humana; por ejemplo, ¿son dañinos los organismos transgénicos sobre las personas y el medio ambiente?

LOS MICROORGANISMOS Y LOS PROCESOS INDUSTRIALES: APLICACIONES DE LOS MICROORGANISMOS

-Existen en la naturaleza unos centenares de especies de microorganismos (bacterias, levaduras, mohos, algas unicelulares) que producen sustancias que presentan algún interés para la especie humana. Los productos que tienen un interés comercial se pueden agrupar en cuatro clases:

a)productos del metabolismo primario (dióxido de carbono, etanol, ácido acético, aminoácidos, etc.).

b)productos del metabolismo secundario (antibióticos, toxinas).

c)macromoléculas (polisacáridos, enzimas)

d)células microbianas (pienso animal llamado proteínas microbianas).

Algunos ejemplos de productos industriales obtenidos con la ayuda de microorganismos

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BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA ALIMENTARIA

-La relación entre los microorganismos y la industria alimentaria puede resumirse en los siguientes hechos:

1)Producción de alimentos o sustancias empleadas en la alimentación

a)Alimentos a partir de microorganismos:

-Es el caso de las levaduras, cuyas células constituyen un suplemento proteico y una fuente de vitaminas, que pueden cultivarse para ser utilizadas como alimento.

-También se utilizan y cultivan algas y cianobacterias para piensos de animales.

b)Derivados lácteos:

-Es el caso de la mantequilla, los quesos y leches fermentadas.

c)Bebidas alcohólicas:

-Casos del vino, cerveza y sidra.

d)Producción de vinagre:

-Además de ser un aditivo de algunos guisos, puede emplearse también para conservar alimentos vegetales.

e)Producción de ácido cítrico:

-Muy utilizado como conservante en bebidas y conservas.

f)Suplementos alimenticios:

-Es el caso de algunas vitaminas y aminoácidos obtenidos por fermentaciones microbianas.

2)Alteración y conservación de los alimentos

Los alimentos pueden ser descompuestos y alterados por acción de los microorganismos, entendiéndose como tal cualquier cambio en el olor, sabor, consistencia o aspecto de un alimento, que se convierte en inconveniente o desagradable.

Los métodos de conservación de alimentos son variados:

a)Regulación de la humedad

Se consigue por desecación (natural o artificial) o por adición de sal o azúcar (se consigue un aumento de la presión osmótica que impide el crecimeinto de microorganismos).

b)Adición de aditivos conservantes (como el ácido cítrico)

c)Almacenamiento a bajas temperaturas

d)Temperaturas elevadas (dos métodos)

· Pasteurización: se utilizan temperaturas inferiores al punto de ebullición, destruyendo los patógenos, pero sobreviviendo otros microorganismos que pueden dañar el alimento y, por tanto, deben almacenarse bajo refrigeración (4ºC).

· Esterilización: se utilizan temperaturas elevadas y un envasado hermético posterior, con lo que se eliminan todo tipo de microorganismos.

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3)Transmisión de enfermedades infecciosas a través de los alimentos

Se trata de dos tipos de enfermedades:

a)Intoxicaciones alimentarias: causadas por las toxinas producidas por los microorganismos que crecen en los alimentos (botulismo).

b)Infecciones alimentarias: causadas por el crecimiento de los microorganismos en el cuerpo humano, después de comer alimentos portadores de los mismos (salmonelosis, gastroenteritis).

BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA

-Se centra especialemente en tres aspectos:

1)Elaboración de antibióticos:

Se obtienen a partir de determinadas bacterias y hongos filamentosos (mohos).

La investigación de los antibióticos se centra actualmente en comprender su mecanismo de acción para elaborar derivados artificiales que sean más eficaces.

2)Producción de vitaminas:

Algunas vitaminas se sintetizan artificialmente, aunque otras se obtienen a partir de cultivos de microorganismos.

3)Utilización de la ingeniería genética:

Se utilizan bacterias manipuladas genéticamente para la obtención de distintos tipos de sustancias con utilidad farmacéutica: vacunas, hormonas, factores de coagulación, etc. (Ver Tema 3: en él se habla de Biotecnología aplicada a la medicina y agricultura).

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6.-PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Y APLICACIONES EN LA PROTECCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE.

BIOTECNOLOGÍA APLICADA AL MEDIO AMBIENTE

-En síntesis, las aplicaciones tienen las siguientes vertientes:

1)Depuración de aguas residuales:

Se utilizan microorganismos para eliminar la materia orgánica que hay en esta agua.

La eficacia del proceso se expresa por la disminución de la demanda biológica de oxígeno (DBO). Este parámetro es una medida de la cantidad de oxígeno disuelto que los microorganismos van a consumir para realizar la oxidación de la materia orgánica.

Una buena depuración de aguas residuales debe eliminar un 95-100% de la DBO inicial.

2)Tratamiento de cienos:

Se trata de la depuración de aguas con gran cantidad de materia orgánica insoluble (fibras y celulosa).

Se siguen procesos anóxicos (vía anaerobia) en tanques especiales (digestores de cieno) y se utilizan bactarias metanógenas.

3)Aplicaciones de bacterias transgénicas:

a)Hay bacterias transgénicas capaces de extraer metales valiosos a partir de residuos de fábricas o de minas.

b)Otras bacterias se han preparado para fabricar plásticos biodegradables.

c)Hay cianobacterias en las que se han introducido genes capaces de degradar diferentes hidrocarburos del petróleo o de pesticidas.

PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

-La principal función de los microorganismos en el suelo es la producción de cambios en la materia orgánica, originando compuestos nutritivos inorgánicos para los vegetales, es decir, son mayoritariamente microorganismos desintegradores y transformadores que reciclan la materia en los ecosistemas.

1)Microorganismos desintegradores:

Descomponen la materia orgánica compleja procedente de restos vegetales (humos) y cadáveres animales en materia orgánica más sencilla.

2)Microorganismos transformadores:

Mineralizan la materia orgánica sencilla, permitiendo:

a)la incorporación de materia inerte a la biosfera (impidiendo que ésta se agote).

b)poner a disposición de los vegetales materia inorgánica utilizable.

-En resumen: los microorganismos permiten que la materia se reutilice para el mantenimeitno de la estabilidad de los diferentes niveles tróficos de los ecosistemas. Además, su diversidad metabólica les hace indispensables para facilitar la circulación de muchos bioelementos en la biosfera a través de los llamados ciclos biogeoquímicos.

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CICLO DEL CARBONO

-Intervienen bacterias quimio y fotosintéticas.

-Básicamente, la fuente inorgánica de C asimilable es el CO2, que se incorpora a los seres vivos mediante fotosíntesis o quimiosíntesis, transformándose en materia orgánica. A su vez, los seres devuelven el CO2 al ambiente mediante la respiración aerobia.

CICLO DEL NITRÓGENO

-Además de las desintegradoras, intervienen tres tipos de bacterias:

1)Bacterias fijadoras de N:

Fijan el nitrógeno reduciéndolo a NH3 o en forma de radical -NH2.

2)Bacterias nitrificantes:

Son quimioautótrofas, que oxidan el NH3 a NO2-, y los NO2

- a NO3-, que pueden ser

más fácilmente aprovechados por las plantas.

3)Bacterias desnitrificantes:

La realizan bacterias anaerobias que reducen los NO3- a nitrógeno molecular.

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7.-LOS MICROORGANISMOS Y LA SALUD: LAS ENFERMEDADES INFECCIOSAS Y SU TRANSMISIÓN.

CONCEPTOS BÁSICOS

-En esta sección sólo hablaremos de los microorganismos capaces de producir infecciones y, por tanto, desde este punto de vista, únicamente haremos referencia a los microorganismos parásitos.

Los parásitos son aquellos que extraen los nutrientes orgánicos necesarios para sus procesos vitales de otros individuos; pueden ser comensales o patógenos:

a) Los comensales no causan ningún prejuicio.

b) Los parásitos patógenos son microorganismos que causan algún prejucio (enfermedad), es decir, una vez en contacto con el hospedador, le provoca cambios fisiológicos o anatómicos. Son patógenos todos los virus, algunas bacterias y ciertos hongos y protozoos.

-La palabra infección significa 'poner o penetrar en'. Se trata de una lucha entre el hospedador y el patógeno por la supremacía. En un sentido más estricto, infección significa presencia del patógeno dentro o fuera del hospedador.

-Se llama virulencia al grado de patogenidad, y se mide generalmente por el número de microorganismos necesarios para desarrollar la enfermedad. La virulencia depende de:

a) las características particulares del microorganismo.

b) los mecanismos de resistencia del hospedador.

Hay microbios que se consideran no patógenos que pueden producir enfermedades cuando las defensas del hospedador se ven debilitadas, por ejemplo, por el uso de drogas inmuno-depresoras. Entonces se habla de microorganismos oportunistas.

VÍAS DE TRANSMISIÓN

-En una infección el primer paso es la colonización por parte de los microbios de tegumentos y mucosas corporales, donde han de competir con otros microorganismos comensales. Los que superan esta fase son los que producen enfermedades más contagiosas.

Todavía no se conocen bien los mecanismos moleculares por los que los microorganismos sobreviven y penetran en el hospedador, pero las vías de infección más frecuentes son:

· heridas en los tegumentos

· roturas microcópicas en las mucosas

· adherencia a células epiteliales

· transporte a través de mucosas

· a veces forman colonias sobre los tegumentos, causando lesiones a través de las que penetran.

-Una ves dentro del hospedador, los microbios son conducidos por vía linfática o sanguínea hasta alguna zona o tejido específico donde se reproducen. En esta etapa tienen que superar los mecanismos defensivos del hospedador y si lo consiguen desarrollan la enfermedad correspondiente.

El tiempo que transcurre entre la penetración y la aparición de los síntomas de la enfermedad se conoce como período de incubación.

Tema 4

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FACTORES DE PATOGENIDAD Y TIPOS DE TOXINAS

-El desarrollo de una infección y los síntomas de la enfermedad son indicadores de que el hospedador ha sufrido una lesión por alguna de las siguientes causas o factores de patogenidad:

1)La proliferación de los microorganismos

Puede implicar dos clases de peligros llamados efectos primarios:

a)se puede crear una competencia entre el microbio y las células huéspedes por un determinado nutriente.

b)se puede producir el bloqueo de los vasos sanguíneos o bien un daño directo sobre las células del hospedador.

2)La liberación de toxinas

Las toxinas son sustancias venenosas de bajo peso molecular, que pueden ser excretadas al medio (exotoxinas), o retenidas dentro de las células y que, en un momento dado, se liberan cuando estas células se lisan (endotoxinas).

Las toxinas pueden provocar daños locales si son muy específicas o bien difundirse y causar alguna lesión sistémica.

Las características diferenciales entre exotoxinas y endotoxinas son:

Propiedades Exotoxinas Endotoxinas

Bacterias productoras

Gram positivas y Gram negativas

Gram negativas

Naturaleza química (composición)

Proteínas Lipopolisacáridos

Tolerancia al calor Se desnaturalizan ( 60º-80ºC) Termoestables (más de 100ºC)

Efectos inmunológicos

Muy antigénicas: inducen la producción de anticuerpos

No inducen la producción de anticuerpos

Efectos en el huésped

Específicos sobre tejidos Generales, no muy específicos

Toxicidad Alta (hasta en dosis pequeñas) Baja (se requieren grandes dosis)

3)La producción de otras sustancias

Estas sustancias, muchas con carácter enzimático, serían dañinas y desencadenantes de efectos secundarios en el hospedador. (Ejemplo: la hialuronidasa, que facilita la penetración de patógenos en las células).