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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, 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
