Microbiología General · Estructura y organización del citoplasma Procariota Presentes (solo en...

Microbiología General

Organización y enfoque de la asignatura

Integración de las actividades teórico-

prácticas

Nivel creciente de exigencia, profundidad e

integración de contenidos

Observación, investigación, realización de

informes, planteo y resolución de problemas

prácticos

Análisis crítico de la información recibida

Contenidos: estructura, genética, diversidad

microbiana, crecimiento bacteriano y su

control.

Que los alumnos aprendan:

Principios generales de estructura y función de células

procarióticas

Principios generales de clasificación y diversidad de microorganismos, procesos bioquímicos que ocurren en ellos y

bases genéticas del crecimiento y evolución microbiana

Mecanismos de intercambio y adquisición de información

genética en bacterias; causas, consecuencias y uso de las mutaciones.

Métodos de control del crecimiento microbiano. Antibióticos y

resistencia

Usos de microorganismos en alimentación, agricultura, procesos

industriales y biotecnológicos. Relación huésped-parásito, evasión de la respuesta inmune y patogenia

Objetivos

Organización y enfoque de los Trabajos Prácticos

Seminarios de Trabajos

Prácticos

Fundamentos teóricos

Discusión de

cuestionarios y trabajos

científicos

Ejercicios de Laboratorio

Explicación de

metodologías

Instrucciones

detalladas

Grupos de trabajo

Evaluación

Parcialitos

Informes de Trabajos Prácticos

Parcial de laboratorio

Ciencia biológica básica: suministra algunas de las herramientas de investigación más versátiles para

determinar la naturaleza de los procesos característicos

de la vida. Ya que las células microbianas comparten

con los organismos pluricelulares muchas propiedades bioquímicas, alcanzan elevadas densidades de

población y son fácilmente manipulables para estudios

genéticos, lo que los convierte en modelos adecuados

para comprender funciones celulares en animales y

plantas

Ciencia biológica aplicada: en campos diversos

como medicina, salud pública, agricultura e industria

(empleo de microorganismos cultivados a gran escala en la elaboración de productos comerciales de alto

valor agregado), microbiología alimentaria etc.

Período especulativo (desde la

antigüedad hasta primeros

microscopios)

Primeros microscopistas (1675 -

mediados del s. XIX)

Cultivo de microorganismos (hasta

finales del siglo XIX)

Siglo XX hasta la actualidad: Disciplinas

y ciencias relacionadas: Inmunología

Virología, etc

Etapas históricas de la Microbiología

Período especulativo

Enfermedades infecciosas

“miasmas” “humores”

Lucrecio (s. I a. C.): “semillas de enfermedad”

Frascatorius (1546): gérmenes vivos

Alimentos y bebidas fermentados (queso,

leches fermentadas, vino, cerveza, etc)

Los primeros descubrimientos

Antonij van Leeuwenhoek:

Microscopio simple

Descubrimiento de los microorganismos (“animálculos” en gota de estanque, 1675)

Describe bacterias (1683)

Describe protozoos

Robert Hooke:

Microscopio compuesto Describe hongos

filamentosos (1667)

Primeros dibujos de bacterias (Leeuwenhoek, 1683)

El debate sobre la generación espontánea

Aristóteles

Redi (1668): experimentos que descartan la

generación espontánea de animales

“Omne vivo ex ovo” Spallanzani vs. Needham

Los experimentos se interpretan

erróneamente (Needham) como que al

calentar los frascos el aire pierde su “fuerza

vital” (vitalismo)

La solución de Pasteur

Experimentos con frascos

abiertos al aire dotados de

largos cuellos curvados

(“cuellos de cisne”).

Una vez llevados a ebullición, solamente

aparecen

microorganismos si el

líquido alcanza el cuello curvo

Las fermentaciones

Dos teorías sobre el origen de las fermentaciones:

química y biológica

Pasteur (1857) es llamado a resolver un

problema de las destilerías de Lille

1857: bacterias que producen ferm. láctica

1860: levaduras producen ferm. alcohólica

Descubre la fermentación butírica y la vida en

ausencia de aire (anaerobiosis)

Reconciliación de las dos teorías: Buchner aísla un

preparado libre de células (zimasa) de levadura

Cultivos puros

Dos teorías sobre forma de microorganismos: pleomorfismo y monomorfismo

Su resolución dependió de cultivos puros (laboratorio de Robert Koch)

Medios sólidos a base de rodajas de papa

Medios sólidos a base de gelatina

Medios sólidos a base de agar-agar

Petri (en el laboratorio de Koch) inventa la placa que lleva su nombre

Medios de enriquecimiento y medios diferenciales (Beijerink, Winogradsky

Microscopía y tinciones

Koch colabora con la industria alemana del vidrio (Schott) y pide ayuda a expertos en óptica (Abbé, Zeiss)

Lentes acromáticas mejoradas

Iluminación inferior con condensador

Objetivo de inmersión (1878)

Koch colabora con industria química BASF:

Tinciones para observar bacterias (azul de metileno, fuchsina, violeta de genciana, etc), 1877 y siguientes

Ziehl y Neelsen: tinción diferencial AAR (1883)

Hans C. Gram: tinción diferencial Gram (1884)

Teoría microbiana de las enfermedades

Pasteur es llamado a Provenza para resolver una

enfermedad del gusano de seda (pebrina)

En 1869 identifica al protozoo Nosema bombyciscomo el responsable

Davaine (1863-1868): la sangre de ganado

afectado por carbunco contiene grandes

cantidades de microorganismos

Koch (1876): con su técnica de cultivo puro aísla y propaga experimentalmente por primera vez una bacteria patógena (la responsable del carbunco o ántrax)

Primeras microfotografías de Bacillus anthtracisteñido con azul de metileno

Confirma que esta bacteria presenta una fase resistente (endosporas)

La enfermedad se puede reproducir experimentalmente al reinocular bacilos a animales de laboratorio

Teoría microbiana de las enfermedades

Teoría microbiana de las enfermedades:postulados de Koch (1882)

El agente patógeno debe estar presente en los individuos enfermos

El microorganismo debe poder aislarse del huésped enfermo en cultivo puro

El microorganismo crecido en cultivo puro, al inocularse en animales sanos, induce en ellos la enfermedad

De estos animales experimentales inoculados y ya enfermos, se puede volver a aislar el microorganismo

La escuela de Koch aísla numerosos agentes patógenos

Cólera (1883)

Difteria (1884)

Tétanos (1885)

Neumonía (1886)

Meningitis (1887)

Peste (1894)

Sífilis (1905)

Robert Koch

Asepsia, quimioterapia

La introducción de anestesia (mediados siglo XIX) trae infecciones quirúrgicas

Lister introduce el uso del fenol y de sales de mercurio (asepsia en quirófano)

Paul Ehrlich: idea de las “balas mágicas” Colabora con industria química y descubre el

salvarsán, contra la sífilis

“Quimioterapia”

Domagk (1935): rojo de prontosilo contra neumococos Época de las sulfamidas

Antibioticoterapia

Fleming (1929): extracto crudo de penicilina (del hongo Penicillium notatum)

Chain y Florey (1940): purificación penicilina. Uso en 2ª Guerra Mundial

Descubrimiento estreptomicina (Waksman, 1944) de Streptomyces griseus

Tras la Guerra, se descubren numerosos antibióticos, producidos sobre todo por Actinomicetos

Auge de la microbiología general:litotrofía y autotrofía

Sergei Winogradsky

1888: Bacterias del hierro

crecen en medios minerales

1889: Bacterias del azufre

oxidan sulfuros o S y obtienen energía de ello litotrofía

1890: Bacterias nitrificantes

fijan CO2 con la energía de la

oxidación del amonio o nitrato quimiolito-autotrofía

Los microorganismos dentro de la clasificación de los seres vivos

Mitad del s. XX: la organización celular de las bacterias y “algas verdeazuladas” es muy diferente al del resto de seres vivos

8ª edición del Manual Bergey´s (1974)

Reino Prokaryotae, dividido en

Cyanobacteria (antiguas cianofíceas)

Bacteria

Reino Eukaryotae

En los años 70 se descubre que los procariotas constan de dos grupos muy distintos:

Eubacterias (hoy Bacteria)

Arqueobacterias (hoy Archaea)

Características generalesde los procariotas

Membrana

citoplasmática

Membranas internas

Ribosomas

Estructura y organización del citoplasma

Procariota

Habitualmente

sin esteroles,

pueden existir

hopanoides

Sencillas,

limitadas a

grupos

específicos

Eucariota

Generalmente

con esteroles,

ausencia de

hopanoides

Complejas;

Retículo

endoplasmático,

aparato de Golgi

70 S 80 S (salvo en

mitocondrias y

cloroplastos)

Orgánulos

membranosos

Sistema respiratorio

Pigmentos

fotosintéticos

Estructura y organización del citoplasma

Procariota

Ausentes

En membrana

citoplasmática

En

membranas

internas o

Clorosomas

Eucariota

Varios

En mitocondrias

En cloroplastos

Generalmente

presente, con

peptidoglucano, otros

polisacáridos,

proteínas,

glicoproteínas

Presente en plantas,

algas, hongos

Sin peptidoglucano

Pared celular

Citoesqueleto Filamentos de

Actina y

microtúbulos de

Tubulina

Procariota Eucariota

Proteímas

homólogas:

FtsZ

MreB

FtsZ: a- localización del anillo Z en la zona central de B. subtilisb- filamentos autoensamblados inducidos por GTP; c- comparación

de estructuras tridimensionales.

FtsZ: homóloga de tubulina, responsable de división celular, formación de anillo Z, reclutamiento de otras proteínas en complejos macromoleculares.

Ensamblado en orden (intermediarios estables) o equilibrio dinámico (continuo y rápido intercambio de subunidades con pool citoplasmático)

MreB y Mbl: homólogos bacteriano de actina, determinantes de la forma celular, autoensamblado en estructuras filamentosas helicoidales (a y b) en B. subtilis. Isoformas: Mbl, MreBH.Bacterias esféricas: no poseen homólogo MreB.ParM: requerida para la separación activa de plásmidos R1 en E. coli (c)

Eucariota

Ausentes

Flagelos

No flagelar

Endosporas

Estructura y organización del citoplasma

Procariota

Presentes (solo

en géneros Gram

+) Muy

termorresistentes

Formas de motilidad

Compuestos de

un solo tipo de

proteína,

anclados a pared

y membrana,

rotación

Deslizamiento;

vesículas de gas

Compuestos de

microtúbulos,

rodeados de

membrana

Movimieno

ameboide

Comparación entre célula procariótica y eucariótica

Organización del material genéticoProcariota

Ausentes

Ausente

No

Raro

Parcial,

transferencia

unidireccion

al de DNA

Eucariota

Presentes

Presente

Si

Frecuente

Meiosis y

fusión de

gametos

Membrana nuclear y

Nucleolo

Complejo DNA/ Histonas

Desarrollo de mitosis

Intrones

Recombinación genética

Comparación célula procariota y eucariota

La importancia de ser pequeño

Microscopía y tinciones

Estudios poblacionales

Movimiento Browniano

Efecto Tyndall (dispersión de la luz,

turbidez)

Aumento de la viscosidad del medio

Migración en campo eléctrico

Aglutinación y precipitación con

elevadas concentraciones salinas

La relación Superficie/volumen es muy alta

Mayor contacto directo con el

medio (reciben de modo inmediato

las influencias ambientales)

Gran tasa de entrada de nutrientes

Altas tasas de crecimiento

Gran tasa de salida de productos

de desecho

Composición química básica

>95% de macromoléculas

La mitad de las macromoléculas son proteínas

Proporción de ARN superior a eucariotas

En bacterias, macromoléculas exclusivas que no existen en eucariotas:

Peptidoglucano

Lipopolisacárido (en Gram-negativas)

Form

as p

rocariota

s típicas

A) Un solo plano de división

De dos células:

Diplococos

Diplobacilos

Cadenas de varias células

Estreptococos

Estreptobacilos

B) Dos o más planos de división (en cocos)

Dos planos perpendiculares: tétradas

Tres planos ortogonales: sarcinas (paquetes

cúbicos)

Muchos planos aleatorios: estafilococos

Agrupaciones bacterianas

ESTRUCTURAS SUPERFICIALES DE LA CÉLULA PROCARIÓTICA

Cápsula

Conceptos generales

Composición química y estructura

Funciones y papeles biológicos

Capa S (paracristalina)

Vainas

Botones de anclaje

cápsulas en sentido estricto son

rígidas e integrales

las capas mucilaginosas son flexibles

y periféricas

glucocálix: capas superficiales

compuestas de polisacárido

Sirven para adhesión entre células, y

colonización de nichos

En muchas patógenas sirven,

además, para protegerse de agentes

antibacterianos

Composición química

cápsulas polisacarídicas

heteropolisacáridos aniónicos

heteropolisacáridos neutros (levanos, dextranos, celulosa)

alginatos

cápsulas polipeptídicas (en Bacillus)

Constituyen el antígeno capsular K

Su estructura es a base de matriz muy hidratada

Funciones de la cápsula

mejora difusión nutrientes

protección contra la desecación

protección frente a la predación

protección contra agentes antibacterianos

adhesión a sustratos

Cápsula:

adhesión a sustratos:

Sustratos inertes: microcolonias de la misma

especie y consorcios de diferentes especies, con

ventajas metabólicas. Responsables de:

corrosión de cañerías, formación de placa

dental y caries

formación de biofilms en catéteres y prótesis

Sustratos vivos: actúan como adhesinas

efectos benéficos: colonización de flora

autóctona en intestino de mamíferos

en sistemas patológicos: como factores de

virulencia; sirven para escapar del sistema

inmune

Capa S•Arreglo cristalino macromolecular de subunidades proteicas,común en archaeas y bacterias

•Compuesta de una única proteína o glicoproteína, recubre la

superficie celular

•Las subunidades se autoensamblan en solución o sobre

superficies, formando un arreglo regular

•Representa del 10 al 15% de las proteínas celulares totales

Extracción con agente

caotrópico

Diálisis

Arreglo regular en superficie

Autoensamble

Proteína de capa S

Residuos glicosídicos

GlicosilaciónLa glicosilación es la principal modificación en las

proteínas de capa S

Los primeros indicios datan de mediados de la década

del 70

El grado de glicosilación en las proteínas varía entre 2 y

10% W/W

Funciones de la capa S

En arqueas:

hace las funciones de la pared celular ( forma y rigidez).

En bacterias:

tamiz molecular protector frente a ag. Antibacterianos

Protección frente a fluctuaciones iónicas, de pH, etc

En algunas patógenas, protección frente a fagocitosis

Vainas y botones de anclaje

Vainas

Tubos a base de heteropolímero, que engloba un conjunto de células bacilares que forman cadenas.

En Sphaerotilus y Leptothrix se recubren de óxidos e hidróxidos de Fe y Mn

Botones de anclaje

acúmulos de polisacáridos ácidos segregados en puntos concretos (como extremos de prostecas o pedúnculos). Ej. los de Caulobacter.

Visualización de la localización de cápsula (C), capa S (S) y peptidoglucano (P) en B. anthracis

Pared celular bacteriana

Pared celular bacteriana: esquema del peptidoglucano

Protoplastos

Pared celular bacteriana: composición química del

peptidoglucano

Pared celular bacteriana: entrcruzamiento del peptidoglucano, diferencias entre Gram positivas

y Gram negativas.

Pared celular bacteriana: Gram positiva

Ácidos teicoicos, polímeros de glicerol o ribitol unidos por grupos fosfato. Se unen al PG por enlace covalente con hidroxilo 6 del NAM.

PorinasEstructura de porinaOmp32 de C. acidovoransA- Vista superior y lateral del monómero. Extremo N- terminal en azul, C-terminal en rojo D- Asociación trimérica, vista superior y detalle del diámetro de poros

BAAR: Mycobacterium

Bacterias sin pared celular: micoplasmas

Membrana citoplasmática

Membrana citoplasmática: diferencias entre Bacteria y Archaea

MC: funciones en procariotas

Barrera de permeabilidad selectivaTransporte de nutrientes y residuosLocalización de muchos procesos metabólicos: respiración, fotosíntesisDetección de señales ambientales quimiotácticas

Flagelos bacterianos: estructura

Flagelos bacterianos, distribución y movimiento

A - Polar monótrico Vibrio choleraeB- Lofótricos Bartonella bacilliformeC- Anfítricos Spirillum serpensD- Perítricos Escherichia coli

Nitrocystis oceanus

NitrificanteEctothiorhodospira mobilis

Fotosintética

Membranas internas: Aumentan la superficie para mayor actividad metabólica

Matriz citoplasmática: cuerpos de inclusión

Almacenamiento de energía:

Poli-beta hidroxibutirato (PHB, poliester)

Glucógeno

Polifosfatos (gránulos de volutina, metacromáticos)

Gránulos de azufre

Matriz citoplasmática: cuerpos de inclusión

Carboxisomas

Magnetosomas

Cuerpos parasporales

Vesículas de gas (rodeadas de membrana proteica)

Matriz citoplasmática: cuerpos de inclusión

A- Gránulos de PHB; b- cuerpo parasporal en BT; c- carboxisomas en

Anabaena viriabilis; d- Gránulos de azufre en Beggiatoa.

TEM de Aquaspirillum magnetotacticum; MP:

partículas de magnetita (Fe3O4), rodeadas por

membrana. Otras bacterias poseen greigita

(Fe3S4) o pirita (FeS2).

Matriz citoplasmática: cuerpos de inclusión

Endosporas bacterianas