MICROBIOLOGIA

CARLOS A. GOMEZ SANTIZMicrobiólogo de Alimentos

Docente Catedrático

UNIVERSIDAD DE SUCREFACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE TECNOLOGIA EN PRODUCCION AGROINDUSTRIALSINCELEJO, SUCRE

2011

INTRODUCCIÓN

La Microbiología se puede definir, sobre la base de su etimología, como la ciencia que trata de los seres vivos muy pequeños, concretamente de aquellos cuyo tamaño se encuentra por debajo del poder resolutivo del ojo humano.

Con la invención del microscopio en el siglo XVII comienza el lento despegue de una nueva rama del conocimiento, inexistente hasta entonces. Durante los siguientes 150 años su progreso se limitó casi a una mera descripción de tipos morfológicos microbianos, y a los primeros intentos taxonómicos, que buscaron su encuadramiento en el marco de los “sistemas naturales” de los Reinos Animal y Vegetal.

El reconocimiento del origen microbiano de las fermentaciones, el definitivo abandono de la idea de la generación espontánea, y el triunfo de la teoría germinal de la enfermedad, representan las conquistas definitivas que dan carta de naturaleza a la joven Microbiología en el cambio de siglo.

Tras la Edad de Oro de la Bacteriología, inaugurada por las grandes figuras de Pasteur y Koch, la Microbiología quedó durante cierto tiempo como una disciplina descriptiva y aplicada, estrechamente imbricada con la Medicina, y con un desarrollo paralelo al de la Química, que le aportaría varios avances metodológicos fundamentales. Sin embargo, una corriente, en principio minoritaria, dedicada a los estudios básicos centrados con ciertas bacterias del suelo poseedoras de capacidades metabólicas especiales, incluyendo el descubrimiento de las que afectan a la nutrición de las plantas, logró hacer ver la ubicuidad ecológica y la extrema diversidad fisiológica de los microorganismos.

Por otro lado, el “programa” inicial de la Microbiología (búsqueda de agentes infectivos, desentrañamiento y aprovechamiento de los mecanismos de defensa del hospedador) condujeron a la creación de ciencias subsidiarias (Virología, Inmunología) que finalmente adquirieron su mayoría de edad y una acentuada autonomía.

Por último, la vertiente aplicada que estuvo en la base de la creación de la Microbiología, mantuvo su vigencia, enriquecida por continuos aportes de la investigación básica, y hoy muestra una impresionante “hoja de servicios” y una no menos prometedora perspectiva de expansión a múltiples campos de la actividad humana, desde el control de enfermedades infecciosas (higiene, vacunación, quimioterapia, antibioterapia) hasta el aprovechamiento económico racional de los múltiples procesos en los que se hallan implicados los microorganismos (biotecnologías).

Todos los aspectos y enfoques desde los que se pueden estudiar los microorganismos conforman lo que denominamos objeto formal de la Microbiología: características estructurales, fisiológicas, bioquímicas, genéticas, taxonómicas, ecológicas, etc., que conforman el núcleo general o cuerpo básico de conocimientos de esta ciencia. Por otro lado, la Microbiología también se ocupa de las distintas actividades microbianas en relación con los intereses humanos, tanto las que pueden acarrear consecuencias perjudiciales (y en este caso estudia los nichos ecológicos de los correspondientes

agentes, sus modos de transmisión, los diversos aspectos de la microbiota patógena en sus interacciones con el hospedador, los mecanismos de defensa de éste, así como los métodos desarrollados para combatirlos y controlarlos), como de las que reportan beneficios (ocupándose del estudio de los procesos microbianos que suponen la obtención de materias primas o elaboradas, y de su modificación y mejora racional con vistas a su imbricación en los flujos productivos de las sociedades).

Finalmente, la Microbiología ha de ocuparse de todas las técnicas y metodologías destinadas al estudio experimental, manejo y control de los microorganismos, es decir, de todos los aspectos relacionados con el modo de trabajo de una ciencia empírica.

CAPITULO I

GENERALIDADES DE MICROBIOLOGIA

1. DESARROLLO HISTÓRICO DE LA MICROBIOLOGÍA

La Microbiología, considerada como una ciencia especializada, no aparece hasta finales del siglo XIX, como consecuencia de la confluencia de una serie de progresos metodológicos que se habían empezado a incubar lentamente en los siglos anteriores, y que obligaron a una revisión de ideas y prejuicios seculares sobre la dinámica del mundo vivo.

Siguiendo el ya clásico esquema de Collard (l976), podemos distinguir cuatro etapas o periodos en el desarrollo de la Microbiología:

Primer periodo, eminentemente especulativo, que se extiende desde la antigüedad hasta llegar a los primeros microscopistas.

Segundo periodo, de lenta acumulación de observaciones (desde l675 aproximadamente hasta la mitad del siglo XIX), que arranca con el descubrimiento de los microorganismos por Leeuwenhoek (l675).

Tercer periodo, de cultivo de microorganismos, que llega hasta finales del siglo XIX, donde las figuras de Pasteur y Koch encabezan el logro de cristalizar a la Microbiología como ciencia experimental bien asentada.

Cuarto periodo (desde principios del siglo XX hasta nuestros días), en el que los microorganismos se estudian en toda su complejidad fisiológica, bioquímica, genética, ecológica, etc., y que supone un extraordinario crecimiento de la Microbiología, el surgimiento de disciplinas microbiológicas especializadas (Virología, Inmunología, etc), y la estrecha imbricación de las ciencias microbiológicas en el marco general de las Ciencias Biológicas. A continuación se realiza un breve recorrido histórico de la disciplina microbiológica, desglosando los períodos 3º y 4º en varios apartados temáticos.

1.1 PERIODO PREVIO AL DESCUBRIMIENTO DEL MICROSCOPIO

Si bien el descubrimiento efectivo de seres vivos no visibles a simple vista debió aguardar hasta el último tercio del siglo XVII, sus actividades son conocidas por la humanidad desde muy antiguo, tanto las beneficiosas, representadas por las fermentaciones

implicadas en la producción de bebidas alcohólicas, pan y derivados lácteos, como las perjudiciales, en forma de enfermedades infecciosas.

Diversas fuentes escritas de la antigüedad griega y romana hablan de gérmenes invisibles que transmiten enfermedades contagiosas. Lucrecio (96-55 a.C.), en su “De rerum natura” hace varias alusiones a “semillas de enfermedad”. En el Renacimiento europeo, Girolamo Frascatorius, en su libro “De contagione et contagionis” (1546) dice que las enfermedades contagiosas se deben a “gérmenes vivos” que pasan de diversas maneras de un individuo a otro. Estos inicios de explicación que renunciaban a invocar causas sobrenaturales fueron probablemente catalizados por la introducción en Europa de la sífilis, una enfermedad en la que estaba clara la necesidad de contacto para su contagio. Pero la “cosa” que se transmite en la enfermedad siguió siendo objeto de conjeturas durante mucho tiempo.

1.2 EL PERIODO DE LOS PRIMEROS MICROSCOPISTAS

Ya en el siglo XIV, con la invención de las primeras lentes para corregir la visión, surgió una cierta curiosidad sobre su capacidad de aumentar el tamaño aparente de los objetos. En el siglo XVI surgieron algunas ideas sobre aspectos de la física óptica de las lentes de aumento, pero no encontraron una aplicación inmediata. Se dice que Galileo hizo algunas observaciones “microscópicas” invirtiendo su telescopio a partir de lentes montadas en un tubo, pero en cualquier caso está claro que no tuvieron ninguna repercusión.

La primera referencia segura sobre el microscopio (1621) se debe a Constantijn Huygens, quien relata que el inglés Cornelis Drebbel tenía en su taller un instrumento magnificador, que recibió el nombre de microscopium en l625, en la Accademia dei Lincei, de Roma.

El descubrimiento de los microorganismos fue obra de un comerciante holandés de tejidos, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), quien en su pasión por pulir y montar lentes casi esféricas sobre placas de oro, plata o cobre, casi llegó a descuidar sus negocios. Fabricó unos cuatrocientos microscopios simples, con los que llegó a obtener aumentos de casi 300 diámetros. En 1675 descubrió que en una gota de agua de estanque pululaba una asombrosa variedad de pequeñas criaturas a las que denominó “animálculos”. En 1683 descubre las bacterias, por lo que se considera el “padre de la Microbiología”. Durante varias décadas Leeuwenhoek fue comunicando sus descubrimientos a la Royal Society de Londres a través de una serie de cartas que se difundieron, en traducción inglesa, en las “Philosophical Transactions”. Sus magníficas dotes de observador le llevaron asimismo a describir protozoos (como Giardia, que encontró en sus propias heces), la estructura estriada del músculo, la circulación capilar, a descubrir los espermatozoides y los glóbulos rojos (por lo que también se le considera el fundador de la Histología animal), así como a detallar diversos aspectos estructurales de las semillas y embriones de plantas. Leeuwenhoek se percató de la abundancia y ubicuidad de sus animálculos, observándolos en vinagre, placa dental, etc.

Aunque los descubrimientos de Leeuwenhoek despertaron interés al ser comunicados, pocos intentaron o pudieron reproducirlos seriamente. Además, la fabricación de lentes

sencillas de gran aumento era difícil y el manejo de los microscopios simples, bastante engorroso.

Simultáneamente el inglés Robert Hooke (1635-1703) usando microscopios compuestos, describió los hongos filamentosos (1667), y descubrió la estructura celular de las plantas (Micrographia, 1665), acuñando el término célula. Pero el trabajo con microscopios compuestos aplicados al estudio de los “animálculos" languideció durante casi 200 años, debido a sus imperfecciones ópticas, hasta que hacia 1830 se desarrollaron las lentes acromáticas.

1.3 EL DEBATE SOBRE LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA

La autoridad intelectual de Aristóteles por un lado, y la autoridad moral representada por la Biblia, por otro, junto con las opiniones de escritores clásicos como Galeno, Plinio y Lucrecio, a los que se citaba como referencias incontrovertibles en la literatura médica en la Edad Media y Renacimiento, dieron carta de naturaleza a la idea de que algunos seres vivos podían originarse a partir de materia inanimada, o bien a partir del aire o de materiales en putrefacción. Esta doctrina de la “generatio spontanea” o abiogénesis, fue puesta en entredicho por los experimentos de Francesco Redi (1621-1697), quien había acuñado la expresión “Omne vivum ex ovo” (1668), tras comprobar que los insectos y nemátodos procedían de huevos puestos por animales adultos de su misma especie. Demostró que si un trozo de carne era cubierto con gasa de forma que las moscas no podían depositar allí sus huevos, no aparecían “gusanos”, que él correctamente identificó como fases larvarias del insecto. Los descubrimientos de Redi tuvieron el efecto de desacreditar la teoría de la generación espontánea para los animales y plantas, pero la reavivaron respecto de los recién descubiertos “animálculos”, de modo que aunque se aceptó la continuidad de la vida en cuanto a sus formas superiores, no todos estaban dispuestos a admitir el más amplio “Omne vivum ex vivo” aplicado a los microorganismos.

Hubo que esperar un siglo más hasta que una serie de naturalistas recomenzaran el ataque a la teoría preformacionista. Lazzaro Spallanzani (1729-1799) sostuvo una disputa con J.T. Needham (1713-1781) en la que el primero demostró que los “infusorios” no aparecían en muestras de maceraciones animales o vegetales sometidas durante tiempo suficiente a ebullición en frascos herméticamente cerrados, pero volvían a aparecer si se practicaban agujeros en el recipiente. Sin embargo los preformacionistas no se daban por vencidos; el mismo Needham, recogiendo una idea ya expresada por Huygens, amigo de Leeuwenhoek, replicó -con argumentos vitalistas muy propios de la época- que el calor había destruido la “fuerza vegetativa” de las infusiones y había cambiado la “cualidad” del aire dentro de los frascos.

Fue, efectivamente Louis Pasteur (1822-1895) el que asestó el golpe definitivo y zanjó la cuestión a favor de la teoría biogénica. En un informe a la Académie des Sciences de París, en 1860 (“Expériences rélatives aux générations dites spontanées”) y en escritos posteriores comunica sus sencillos y elegantes experimentos: calentó infusiones en matraces de vidrio a los que estiraba lateralmente el cuello, haciéndolo largo, estrecho y sinuoso, y dejándolo sin cerrar, de modo que el contenido estuviera en contacto con el aire; tras esta operación demostró que el líquido no desarrollaba microorganismos, con lo

que eliminó la posibilidad de que un “aire alterado” fuera la causa de la no aparición de gérmenes. Antes bien, comprobó que los gérmenes del aire quedaban retenidos a su paso por el largo cuello sinuoso, en las paredes del tubo, y no alcanzaban el interior del recipiente donde se encontraba la infusión, quedando ésta estéril indefinidamente. Sólo si se rompía el cuello lateral o si se inclinaba el frasco de modo que pasara parte de líquido a la porción de cuello, los gérmenes podían contaminar la infusión y originar un rápido crecimiento.

En 1861 Pasteur publica otro informe en el que explica cómo se pueden capturar los “cuerpos organizados” del aire con ayuda de un tubo provisto de un tapón de algodón como filtro, y la manera de recuperarlos para su observación microscópica. De esta forma quedaba definitivamente aclarado el origen de los microorganismos, y se abría la Edad de Oro del estudio científico de las formas de vida no observables a simple vista.

Los últimos escépticos quedaron silenciados cuando en 1877 John Tyndall (1820-1893) aplicó su sistema de esterilización por calentamiento discontinuo (hoy conocida precisamente como tindalización), que evidenció la existencia de formas microbianas de reposo muy resistentes al calor, lo cual fue confirmado poco más tarde por Ferdinand Cohn al descubrir las esporas bacterianas.

1.4 EL DEBATE SOBRE LOS FERMENTOS

Fue Pasteur (que, desde sus primeros estudios sobre las propiedades ópticas de los cristales de tartrato, venía suponiendo que estos compuestos tenían un origen orgánico) quien de nuevo intervino en el debate de forma decisiva. En 1857 demostró que los agentes de la fermentación láctica eran microorganismos, trabajando sobre un problema que había surgido entre los destiladores de Lille cuando en sus cubas la fermentación alcohólica se vio sustituida por una indeseable fermentación láctica. Este fue el inicio de una larga serie de estudios que habría de durar hasta 1876, en los que Pasteur identificó distintos microorganismos responsables de diferentes clases de procesos fermentativos. Así, en 1860 adscribe inequívocamente la fermentación alcohólica a ciertos tipos de levaduras, y en 1866, en sus Études sur le vin resume sus hallazgos al respecto, inaugurando la Microbiología Aplicada, una de las primeras derivaciones prácticas no empíricas emanadas de la Biología. A finales del siglo XIX eminentes biólogos como Hansen, en Copenhague, y Beijerink, en Delft, desarrollaban su actividad en industrias y destilerías.

Trabajando sobre los agentes de la fermentación butírica, Pasteur descubrió la presencia de microorganismos que se desarrollaban en ausencia de oxígeno, lo cual desmentía la creencia de que todas las formas de vida necesitan aire para crecer. Acuñó los términos aerobiosis y anaerobiosis para denominar, respectivamente, a la vida en presencia y en ausencia de oxígeno.

Tras el descubrimiento de la anaerobiosis, el mismo Pasteur comprendió las distintas implicaciones energéticas subyacentes a la utilización de sustratos orgánicos en presencia y en ausencia de oxígeno, demostrando que, en el segundo caso el rendimiento

(medido como crecimiento microbiano) era siempre menor, al no poder realizarse la degradación total de las correspondientes sustancias.

Una profundización en los fenómenos de fermentación llegó cuando en 1897 Buchner obtuvo, a partir de levaduras, una preparación enzimática (zimasa) que era capaz de realizar la misma transformación de “fermentación” que las células vivas. Este descubrimiento, que evocaba las propuestas de Berzelius y Liebig, supuso en realidad la confluencia de los enfoques químico y biológico: las fermentaciones eran procesos químicos catalizados por enzimas presentes dentro de células vivas, que podían ser estudiados extracelularmente. De esta forma, la Bioquímica, nacida como una rama de la química fisiológica, que se venía especializando en la enzimología, encontró una alianza fructífera y duradera con la joven Microbiología.

El desarrollo de los medios selectivos y de enriquecimiento fue una consecuencia de las investigaciones llevadas a cabo por Beijerinck y Winogradsky entre 1888 y los primeros años del siglo XX, sobre bacterias implicadas en procesos biogeoquímicos y poseedoras de características fisiológicas distintivas (quimioautótrofas, fijadoras de nitrógeno, etc). Estos medios, donde se aplica a pequeña escala el principio de selección natural, se diseñan de forma que su composición química definida favorezca sólo el crecimiento de ciertos tipos fisiológicos de microorganismos, únicos capaces de usar ciertos nutrientes del medio.

Concretamente, la industria óptica de Abbé y Zeiss, que se mantenía en conexión con la compañía vidriera Schott, pudo satisfacer la necesidad de Koch de perfeccionar el microscopio compuesto, introduciendo lentes acromáticas y una iluminación inferior provista de condensador. El mismo Abbé desarrolló en 1878 el objetivo de inmersión en aceite. Por otro lado, la industria química BASF, que por aquella época se encontraba en pleno auge de patentes de nuevos colorantes, suministró al laboratorio de Koch una serie de derivados de anilina que teñían las bacterias permitiendo su fácil visualización al microscopio en frotis de tejidos infectados. En 1875 Carl Weigert tiñó bacterias con pirocarmín, un colorante que ya venía siendo usado desde hacía unos años en estudios zoológicos. En años sucesivos se fueron introduciendo el azul de metileno (Koch, 1877), la fuchsina, y el violeta cristal. En 1882-1883 Ziehl y Neelsen desarrollan su método de ácido-alcohol resistencia para teñir Mycobacterium tuberculosis. En 1884 el patólogo danés Christian Gram establece una tinción de contraste que permite distinguir dos tipos bacterianos en función de sus reacción diferencial de tinción y que, como se vería mucho más tarde, reflejaba la existencia de dos grupos de bacterias con rasgos estructurales distintivos: Gram positivas y Gram negativas. En 1890 Loeffler logra visualizar flagelos bacterianos por medio de su técnica de impregnación argéntica.

Estas innovaciones técnicas (métodos de cultivo, microscopía y tinciones) fueron fundamentales (junto con los sistemas de esterilización abordados en el anterior apartado) para la consolidación de la Microbiología como ciencia, permitiendo eliminar las grandes dosis de especulación que hasta entonces habían predominado.

Este tipo de estrategias para demostrar el origen bacteriano de una enfermedad fue llevado a una ulterior perfección en 1882, con la publicación de “Die Äthiologie der Tuberkulose”, donde se comunica por primera vez la aplicación de los criterios que Henle

había postulado en 1840. Estos criterios, hoy se conocen como Postulados de Koch, son los siguientes:

1. El microorganismo debe de estar presente en todos los individuos enfermos.

2. El microorganismo debe poder aislarse del hospedador y ser crecido en cultivo puro.

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 poder ser reaislado del hospedador infectado de forma experimental.

Fue asimismo Koch quien demostró el principio de especificidad biológica del agente infeccioso: cada enfermedad infecciosa específica está causada por un tipo de bacteria diferente. Estos trabajos de Koch abren definitivamente el campo de la Microbiología Médica sobre firmes bases científicas.

Los virus bacterianos fueron descubiertos en 1915 por F.W. Twort, si bien su trabajo no alcanzó la elegancia y claridad del desarrollado poco más tarde por el canadiense Félix d'Hérelle (1917); fue éste quien acuñó el término bacteriófago, y supuso correctamente que el fenómeno de lisis por estos agentes debía de estar ampliamente difundido entre las bacterias.

La primera visualización de un virus se debe a las observaciones a microscopio ultravioleta del bacteriólogo inglés Barnard (1925), y en 1939 se realiza la primera fotografía de un virus a microscopio electrónico. Pero los avances más significativos en el estudio de la composición y estructura de los virus se inician con la purificación y cristalización, por Wendell M. Stanley, del virus del mosaico del tabaco -TMV- (1935), aplicando procedimientos típicos de la cristalización de enzimas.

2. LOS MICROORGANISMOS

La Microbiología es la ciencia que se ocupa del estudio de los microorganismos, es decir, de aquellos organismos demasiado pequeños para poder ser observados a simple vista, y cuya visualización requiere el empleo del microscopio. Esta definición implica que el objeto material de la Microbiología viene delimitado por el tamaño de los seres que investiga, lo que supone que abarca una enorme heterogeneidad de tipos estructurales, funcionales y taxonómicos: desde partículas no celulares como los virus, viroides y priones, hasta organismos celulares tan diferentes como las bacterias, los protozoos y parte de las algas y de los hongos.

A pesar de esto, la Microbiología permanece como una disciplina perfectamente asentada y diferenciada, que deriva su coherencia interna del tipo de metodologías ajustadas al estudio de los organismos cuyo tamaño se sitúa por debajo del límite de resolución del ojo humano, aportando un conjunto específico de conceptos que han enriquecido la moderna Biología.

Podemos definir, pues, a los microorganismos como seres de tamaño microscópico dotados de individualidad, con una organización biológica sencilla, bien sea acelular o celular, y en este último caso pudiendo presentarse como unicelulares, cenocíticos, coloniales o pluricelulares, pero sin diferenciación en tejidos u órganos, y que necesitan para su estudio una metodología propia y adecuada a sus pequeñas dimensiones. Bajo esta denominación se engloban tanto microorganismos celulares como las entidades subcelulares.

2.1 MICROORGANISMOS CELULARES

Comprenden todos los procariotas y los microorganismos eucarióticos (los protozoos, los hongos y las algas microscópicas).

2.2 VIRUS Y PARTICULAS SUBVIRASICAS

Otro tipo de objetos de estudio de la microbiología son las entidades no celulares, que a pesar de no poseer ciertos rasgos atribuibles a lo que se entiende por vida, cuentan con individualidad y entidad biológica, y caen de lleno en el dominio de esta ciencia.

Los virus son entidades no celulares de muy pequeño tamaño (normalmente inferior al del más pequeño procariota), por lo que debe de recurrirse al microscopio electrónico para su visualización. Son agentes infectivos de naturaleza obligadamente parasitaria intracelular, que necesitan su incorporación al protoplasma vivo para que su material genético sea replicado por medio de su asociación más o menos completa con las actividades celulares normales, y que pueden transmitirse de una célula a otra. Cada tipo de virus consta de una sola clase de ácido nucleico (ADN o ARN, nunca ambos), con capacidad para codificar varias proteínas, algunas de las cuales pueden tener funciones enzimáticas,

mientras que otras son estructurales, disponiéndose éstas en cada partícula virásica (virión) alrededor del material genético formando una estructura regular (cápsida); en algunos virus existe, además, una envuelta externa de tipo membranoso, derivada en parte de la célula en la que se desarrolló el virión (bicapa lipídica procedente de membranas celulares) y en parte de origen virásico (proteínas).

Los priones son entidades infectivas de un tipo totalmente nuevo y original, descubiertas por Stanley Prusiner en 1981, responsables de ciertas enfermedades degenerativas del sistema nervioso central de mamíferos (por ejemplo, el “scrapie” o prurito de ovejas y cabras), incluyendo los humanos (kuru, síndrome de Gerstmann-Straüssler, enfermedad de Creutzfeldt-Jakob). Se definen como pequeñas partículas proteicas infectivas que resisten la inactivación por agentes que modifican ácidos nucleicos, y que contienen como componente mayoritario (si no único) una isoforma anómala de una proteina celular. Tanto la versión celular normal (PrPC) como la patógena (PrPSc en el caso del “scrapie”) son glicoproteínas codificadas por el mismo gen cromosómico, teniendo la misma secuencia primaria. Se desconoce si las características distintivas de ambas isoformas estriban en diferencias entre los respectivos oligosacáridos que adquieren por procesamiento post-traduccional.

A diferencia de los virus, los priones no contienen ácido nucleico y están codificados por un gen celular. Aunque se multiplican, los priones de nueva síntesis poseen moléculas de PrP que reflejan el gen del hospedador y no necesariamente la secuencia de la molécula del PrP que causó la infección previa.

3. IMPORTANCIA DE LA MICROBIOLOGÍA

La Microbiología es una ciencia biológica extraordinariamente relevante para la humanidad, dado que los microorganismos están presentes en todos los hábitats y ecosistemas de la Tierra y sus actividades presentan una gran incidencia en numerosísimos ámbitos de interés:

Los microorganismos han sido los primeros en aparecer en la evolución, y constituyen seguramente la mayor parte de la biomasa de nuestro planeta. Se calcula que sólo hemos descrito menos del 10% de los microorganismos existentes, por lo que los biólogos tienen una gran tarea por delante para estudiar esta parte de la biodiversidad.

Las actividades microbianas sustentan los ciclos biogeoquímicos de la Tierra: los ciclos del carbono, del nitrógeno, del azufre o del fósforo dependen de modo fundamental de los microorganismos.

Las actividades metabólicas microbianas son excepcionalmente variadas, siendo algunas de ellas exclusivas del mundo procariótico. La biología básica tiene aquí un gran campo de estudio.

El aspecto aplicado y la incidencia económica y social de los microorganismos es ingente, y aquí daremos unas breves pinceladas:

Aspectos beneficiosos:

Todas las culturas desarrollaron de modo empírico multitud de bebidas y alimentos derivados de fermentaciones microbianas: vino, cerveza, pan, verduras fermentadas, etc. Producción de multitud de productos industriales: alcoholes, ácidos orgánicos, antibióticos, enzimas, polímeros, etc.

La ingeniería genética empezó con los microorganismos, que siguen desempeñando un papel fundamental en la nueva generación de medicamentos recombinantes y de terapias novedosas

En su aspecto perjudicial, la Microbiología dedica una especial atención a los microorganismos patógenos, sobre todo a los que afectan a la humanidad.

Las enfermedades microbianas han sido causa de grandes males a nuestra especie. Baste recordar que la peste (muerte negra) causó a mediados del siglo XIV la muerte de la tercera parte de la población europea, y ya en la primera mitad del siglo XV llegó a afectar a más del 75%. Basta leer la literatura o ver las pinturas de la época para darse cuenta del impacto terrorífico que supuso, lo que a su vez supuso un factor esencial en el surgimiento de las ideas del Renacimiento. Desde la época del descubrimiento de América, las exploraciones han conllevado el intenso trasiego de agentes patógenos de un lugar a otro. La desaparición de buena parte de la población indígena se debió en buena parte a no tener defensas frente a la viruela europea, pero a su vez los descubridores importaron la sífilis a Europa.No hace falta resaltar el papel que ha tenido la microbiología médica, desde la época de Pasteur y Koch, en la lucha contra las enfermedades infecciosas (antisepsia, desinfección, esterilización, quimioterapia). Y aunque ahora tengamos nuevos retos (SIDA, fiebres hemorrágicas, etc.), no cabe duda de que la Microbiología está contribuyendo a no perder esta permanente batalla contra los gérmenes patógenos.

Aparte de todas estas actividades de los microorganismos sobre los humanos, hay que tener en cuenta que existen gérmenes que afectan a animales, plantas, instalaciones industriales, que afectan a alimentos, etc., representando otras tantas áreas de atención para la Microbiología.

4. UBICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN EL MUNDO VIVO

En los años recientes, la incorporación a la taxonomía de los métodos de biología molecular, especialmente la secuenciación de ARN ribosómico y la genómica, está obligando a nuevos planteamientos. Para resumir, hoy se asume lo siguiente:

5. CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

Se ha puesto de manifiesto dos tipos básicos de células estructuralmente diferentes. Procariotas y Eucariotas. Las eucariotas tienen un núcleo que encierra varias moléculas de ADN y se dividen por mitosis, las procariotas, no están rodeadas por una membrana, consta de una sola molécula de ADN, su división no es mitótica.

Además del núcleo, las eucariotas contienen estructuras internas rodeadas por membrana como las mitocondrias y cloroplastos, también poseen un citoesqueleto. A partir de estudios sobre secuencias de RNA ribosómico se pueden definir tres linajes celulares evolutivamente diferentes dos son procarióticos y uno es eucariótico.

Las procariotas representan dos ramas evolutivas o grupos: Bacterias y Arqueobacterias.

Existen varios grupos de microorganismos eucarióticos: algas, hongos y protozoos, además las formas pluricelulares de vida (plantas y animales) están formadas por células eucarióticas.

CAPITULO II

LAS BACTERIAS

1. MORFOLOGIA Y ESTRUCTURAS BACTERIANAS

Las bacterias son organismos procariotas, son microorganismos unicelulares que se reproducen por fisión binaria (división simple). Muchos tienen vida libre. Contienen información genética, sistemas de producción de energía y sistemas biosintéticos necesarios para el crecimiento y reproducción.

Existen dos grupos de procariotas evolutivamente distintos, las eubacterias y las arquebacterias.

Una célula bacteriana típica tiene las siguientes estructuras: Material genético ADN, bajo forma de un cromosoma único que no está rodeado de membrana nuclear, esta característica es la diferencia fundamental con la célula eucariota, la cual posee siempre membrana nuclear; además presentan ribosomas, citoplasma, vacuolas y membrana celular

Estructuras permanentes: - membrana celular - ribosomas - material genético - vacuolas

Estructuras variables: - pared celular - flagelo - fimbrias o pilis - cápsula - esporas

Al decir estructuras variables queremos decir que estas estructuras existen en algunas bacterias y no en todas, y aun en un mismo grupo bacteriano o una misma cepa bacteriana las puede presentar o no, dependiendo de las condiciones en donde se desarrolle. Las estructuras variables no son necesarias para la vida de la célula bacteriana.

TAMAÑO: Las bacterias presentan una amplia diversidad de tamaños, que va desde 0.5 a 2 micrómetros y algunas pueden llegar a 10 micras. No son visibles por supuesto al ojo humano y se visualizan con microscopio óptico.

FORMA: las bacterias se presentan con una morfología definida que está determinada por su pared rígida. Se pueden presentar como esféricas, ovaladas, denominándose cocos. Si la forma es cilíndrica se denominan bacilos o bastones. Estos bastones pueden ser rectos, curvos o con forma de espiral, en este último caso les llamamos espirilos.

Las células bacterianas pueden mantenerse unidas en grupos después de que se han dividido, pero conservando siempre la independencia una célula de otra. Cocos o bacilos pueden agruparse en cadenas, en el caso de los cocos, cuando se presentan así agrupados, se denominan estreptococos. También se pueden presentar como diplococos.

Si los planos de división son variados pueden agruparse en tétradas o como racimos, denominándose estafilococos.

Los bacilos pueden ser muy cortos, recibiendo el nombre de cocobacilos, otras veces pueden ser muy largos, pudiendo tener una longitud 10 veces superior a su diámetro. Los extremos pueden ser redondeados o rectos, pueden presentarse aislados, en largas cadenas o pueden agruparse en empalizadas o formando letras chinas.

Las diferentes técnicas de tinción consisten en colorear las células con diferentes colorantes que tienen afinidad por materiales celulares específicos. Hay colorantes catiónicos, de carga positiva que tienen afinidad por constituyentes celulares de carga negativa, como los ácidos nucleicos y los polisacáridos.

Algunos ejemplos de colorantes catiónicos: azul de metileno, cristal violeta, safranina. Más adelante analizaremos algunos detalles de la coloración más utilizada en Bacteriología, denominada coloración de Gram en honor a quien en 1884 la describió.

Es esta una coloración diferencial que permite dividir a las bacterias en Gram positivas, refiriéndose a aquellas que toman el primer colorante utilizado que tiñe las bacterias de color violeta y las Gram negativas, las que toman el último colorante utilizado en la técnica como colorante de contraste que las tiñe de rojo o rosado. Este tipo de coloración se denomina diferencial por lo que acabamos de analizar.

Otras coloraciones simples como el azul de metileno, se utilizan para observar simplemente la morfología.

2. ESTRUCTURAS CELULARES BACTERIANAS

Las estructuras internas de la célula están inmersas en el citoplasma, solución acuosa y viscosa, que contiene solutos orgánicos e inorgánicos y elementos especializados como ribosomas y gránulos de inclusión.

2.1 RIBOSOMAS: La célula bacteriana presenta ribosomas libres en el citoplasma con coeficiente de sedimentación de 70S a diferencia de la célula eucariota que es de 80S. Se presentan también como polirribosomas que son cadenas de ribosomas asociados a ARN mensajero y en parte en relación con el ADN cromosómico. Contienen todos los componentes que permiten la síntesis proteica.

Las células poseen más ribosomas si están creciendo en medios ricos. El alto contenido de ARN determina gran afinidad por los colorantes básicos.

2.2 ADN BACTERIANO: la célula procariota a diferencia de la eucariota carece de una membrana nuclear, tampoco posee nucléolo, ni aparato mitótico, y nunca configura una masa cromosómica definida. El material genético está compuesto de una estructura fibrilar, constituida por un ADN circular de doble cadena, enrollado sobre sí mismo. Si bien se asocia a proteínas básicas, estas no son verdaderas histonas.

Los mesosomas son, al parecer, invaginaciones de la membrana citoplasmática y participan en la división celular y en la replicación de ADN.

2.3 PLÁSMIDOS Y EPISOMAS: Algunas bacterias poseen material genético extracromosómico, denominados plásmidos y episomas. Los plásmidos son elementos genéticos constituidos por secuencias de ADN cortas circulares que se replican en forma autónoma, éstos poseen genes que codifican factores de agresión, factores de resistencia a antibióticos, producción de toxinas, etc.

Los episomas son elementos genéticos extracromosómicos que pueden existir en formas autónomas o incorporadas al material genético.

2.4 MEMBRANA CELULAR: Estructura delgada que rodea a la célula de 8 nm de espesor. Es una estructura vital, si se altera, la célula pierde su vitalidad. Composición: es similar a al mayor parte de las membranas biológicas. Una doble capa fosfolipídica en donde el ácido graso hidrofóbico se orienta hacia el interior y el glicerol hidrofílico hacia el exterior de la célula. A diferencia de la célula eucariota no posee esteroles (excepto los micoplasmas).

Función: Delimita el interior del exterior celular, es una barrera osmótica muy importante, interponiéndose a la libre difusión entre el medio ambiente interno y externo. Es una membrana con permeabilidad selectiva, a través de la cual ingresan los nutrientes y salen los productos de desecho. El transporte de solutos se realiza muchas veces por un sistema de transporte activo.

En la membrana celular están los sistemas de fosforilación, oxidación y transporte de electrones (citocromos) para la producción de energía. Dentro de las diversas actividades

enzimáticas vinculadas a las proteínas de la membrana citoplasmática, podemos señalar su participación en la biosíntesis del ADN, de los constituyentes de la pared, etc.

2.5 PARED CELULAR: Estructura rígida presente como ya se dijo en la mayoría de las bacterias, se sitúa por fuera de la membrana citoplasmática. Es una estructura vital para las bacterias que las poseen. Si ésta se destruye o se impide su formación, la célula pierde su viabilidad.

El peptidoglicano, principal constituyente de la pared, es un polímero constituido por unidades repetidas del monómero formado por: dos derivados de carbohidratos, N-acetil Glucosamina y N-acetil Murámico (N-Ac.G, NAc. M), unidas por enlaces beta 1-4 y asociados a cortas cadenas peptídicas a través del N-acetil Murámico.

El espesor de la pared en los diferentes microorganismos, oscila entre 0,150 μm y 0,500 μm de (μm = micra). Podemos imaginar entonces la pared celular, como una macromolécula gigante constituida por peptidoglicano, que en forma de bolsa rodea toda la célula, representando del 10 al 40 % del peso de la bacteria. Unido al N-acetil murámico se encuentra un tetrapéptido. Los tetrapéptidos de una cadena de peptidoglicano se unen con los de la otra a través de puentes peptídicos. Los aminoácidos que forman los tetrapéptidos son los siguientes: L-Alanina, Acido D-Glutámico, Acido mesodiaminopimélico (o L-Lisina) y D - Alanina.

2.5.1 PARED DE BACTERIAS GRAM NEGATIVAS:

Si observamos la pared de las bacterias Gram negativas al microscopio electrónico podemos observar 3 zonas:

1. La membrana citoplasmática.2. El espacio periplasmático, ubicado entre la membrana citoplasmática y el peptidoglicano.3. Una fina capa de peptidoglicano.4. Membrana externa que contiene fosfolípidos, el lipopolisacárido (LPS) característico de estas bacterias y proteínas (proteínas de membrana externa). Esta capa está estrechamente unida al peptidoglicano y se la considera un componente de la pared celular de las bacterias Gram negativas.

En el lipopolisacárido se pueden distinguir 3 componentes diferentes bioquímicamente. La porción lipídica, el lípido A, está inmersa en el centro de la membrana externa. En su sector externo la porción polisacarídica, el denominado polisacárido O, o antígeno O, está ubicado en la cara externa. Entre estos dos componentes está el core del LPS, que es también polisacarídico. El antígeno O es muy variable en su composición entre las diferentes familias y especies de bacterias Gram negativas, en cambio, el polisacárido del core es constante en las diferentes bacterias Gram negativas.

Al lipopolisacárido (LPS) se le denomina endotoxina, siendo el lípido A su la porción tóxica. Como el lípido A está inmerso en el centro de la membrana sólo ejerce sus efectos tóxicos cuando la célula es lisada, ya sea por ataque del complemento y fagocitosis, o por lisis celular como consecuencia de la acción de antibióticos.

La membrana externa contiene además numerosas proteínas. Algunas de ellas la atraviesan de lado a lado, constituyendo canales, denominados porinas. Estos poros permiten el pasaje de moléculas de bajo peso molecular, como nutrientes. Las grandes moléculas no atraviesan la membrana externa, por esto estas bacterias, a diferencia de las Gram positivas, no son sensibles a una enzima, la lisozima que destruye el peptidoglicano. Incluso algunos antibióticos de alto peso molecular no pueden atravesar la membrana externa y, por lo tanto, las bacterias no son sensibles a ellos.

2.5.2 PARED DE LAS BACTERIAS GRAM POSITIVAS

Lo primero a señalar es la gruesa capa de peptidoglicano en forma de múltiples capas. Unidos a él se encuentran los ácidos teicoicos (del griego techos, pared). Son polisacáridos que se unen al ácido N-acetil murámico del peptidoglicano. Algunos ácidos teicoicos tienen unido un lípido (ácidos lipoteicoicos).

Los ácidos lipoteicoicos están embebidos en la membrana citoplasmática por su porción lipídica. Los ácidos teicoicos tienen por función estabilizar la pared.

La superficie externa del peptidoglicano de las bacterias Gram positivas está usualmente cubierta de proteínas. Los diferentes grupos de bacterias Gram positivas y las diferentes especies, difieren en la composición de sus proteínas y ácidos teicoicos, siendo esto útil para la clasificación serológica y la identificación.

En la pared de las bacterias Gram positivas no existe una endotoxina, sin embargo, la presencia de estas bacterias en los tejidos y en la sangre determina síntomas similares al shock séptico que ocurre ante la presencia de endotoxinas.

2.6 CÁPSULA: Es una envoltura externa, ubicada por fuera de la pared celular, mucosa, que forma un gel que se adhiere a al célula. Como se señaló, es una estructura variable que la pueden producir tanto bacterias Gram positivas como Gram negativas. La gran mayoría son polisacarídicas.

La cápsula se puede definir como una estructura superficial que presentan muchas bacterias en sus ambientes naturales, consistente en acumulación de material mucoso o viscoso, situado externamente respecto de la pared celular.

No es una estructura vital para la célula, su pérdida no se relaciona con la pérdida de viabilidad de la célula, pero sí se relaciona con cambios en la morfología colonial y en la pérdida de la virulencia bacteriana.

La virulencia de algunos patógenos se correlaciona con la presencia de cápsula, como por ejemplo: Streptococcus pneumoniae y Haemophilus influenzae tipo b. La cápsula protege a la bacteria de la fagocitosis, principal mecanismo de defensa que pone en juego el huésped ante la presencia de bacterias capsuladas. Una respuesta efectiva para

defenderse de este tipo de bacterias implica la producción de anticuerpos que se unan específicamente a la cápsula facilitando así la opsonización y la fagocitosis.

La presencia de cápsulas se puede demostrar por tinción negativa con tinta china. La tinta chino no penetra la cápsula pero delimita un contorno refringente alrededor del cuerpo bacteriano sobre un fondo oscuro.

2.7 FRIMBIAS O PILIS: Las fimbrias son estructuras filamentosas proteicas similares a los flagelos en su composición y morfología, pero no participan en la motilidad y son menos abundantes y más cortas. Es una estructura variable que la poseen algunas bacterias. Las fimbrias o pilis comunes se relacionan con la adherencia de las bacterias a superficies inertes o vivas. De gran importancia en este sentido es la adherencia específica que presentan muchas bacterias a determinados epitelios, jugando un papel fundamental en la colonización. Esto se debe a que las fimbrias encuentran en las células epiteliales receptores específicos para ellas.

A modo de ejemplo, las cepas de Neisseria gonorrohoeae patógenas son aquellas que poseen fimbrias que se adhieren específicamente al epitelio uretral del hombre o al cérvix uterino en la mujer.

Las cepas de Eschericha coli capaces de causar infección urinaria tienen fimbrias que les permiten una adhesión específica al epitelio del aparato urinario. También E. coli enteropatógena clásica (EPEC) tiene fimbrias que le permiten adherirse específicamente al epitelio intestinal para luego producir los cambios a ese nivel que determinarán la instalación de la diarrea.

Existen otros pilis llamados sexuales que son más largos y se presentan en número de dos o tres por célula. Estos pilis sexuales intervienen en el intercambio genético entre bacterias, de allí su nombre. El apareamiento de dos bacterias y la transferencia de ADN a través del pili sexual se conoce como conjugación. Se transfiere material genético de una célula donadora a una receptora y se transfiere sólo pequeños sectores de ADN, en general un plásmido o una porción de cromosoma movilizada por un plásmido.

La célula donadora tiene un plásmido llamado conjugativo que posee la información genética para que esa célula produzca el pili sexual que le permita la unión a la célula receptora. Una vez unidas los pilis sexuales se retraen, permitiendo que las células se unan y pase el ADN de la célula donadora a la receptora, formándose, al parecer, una verdadera unión entre las membranas de las células que forma un puente para el pasaje de ADN.

La célula receptora está estrechamente emparentada con la donadora y posee un receptor específico para los pilis sexuales.

2.8 FLAGELOS: los flagelos son filamentos largos, delgados, helicoidales, de longitud y diámetro uniforme. Son responsables de la motilidad de las bacterias. Presentan flagelos fundamentalmente: bacilos Gram positivos y Gram negativos. El flagelo está compuesto de 3 partes, el filamento, el gancho y el cuerpo basal.

El filamento es externo con respecto a la célula y se une al gancho en la superficie celular. El gancho está fijado al cuerpo basal, que a su vez está anclado en la membrana

plasmática. El cuerpo basal está compuesto de un cilindro y dos o más juegos de anillos contiguos a la membrana plasmática, el peptidoglicano y, en el caso de las bacterias Gram negativas, a la membrana externa.

Los flagelos pueden variar en número desde uno, unos pocos o varios cientos como en algunas cepas de E. coli. Según el número de flagelos y su topografía en la célula podemos hablar de:

- Monótricas, cuando tienen un flagelo único.- Lofótricas cuando presentan un penacho de varios flagelos polares.- Anfítricas si los flagelos se encuentran en ambos polos.- Perítricas cuando los flagelos están distribuidos sobre toda la superficie celular.

2.9 ENDOSPORAS: La espora es una estructura deshidratada formada por múltiples capas que protege a la bacteria y le permite vivir en un «estado de latencia». La espora contiene una copia completa del cromosoma bacteriano, las concentraciones mínimas imprescindibles de sus ribosomas y proteínas esenciales, y una elevada concentración de calcio unido a ácido dipicolínico. Asimismo, la espora posee una membrana interna, dos capas de peptidoglucano y una capa proteica semejante a la queratina externa. En el examen al microscopio óptico, la espora aparece como una estructura refringente (brillante). La estructura de la espora protege el ADN del genoma bacteriano del calor intenso, la irradiación y la acción de la mayoría de enzimas y sustancias químicas. De hecho, las esporas bacterianas son tan resistentes a los factores ambientales que pueden mantener su viabilidad durante siglos. Asimismo, las esporas son difíciles de descontaminar mediante los desinfectantes convencionales.

Algunas bacterias producen en su interior esporos o endosporas. Estas estructuras son muy resistentes al calor, la desecación, la radiación, los ácidos, y los desinfectantes químicos. Los producen algunas familias de bacilos Gram positivos. El esporo se forma en la célula vegetativa en ciertas condiciones como son la escasez de nutrientes. En lugar de dividirse la célula, sufre una compleja serie de fenómenos que dan lugar a la formación de la espora.

Una espora puede permanecer en ese estado durante muchos años pero puede convertirse de nuevo en una célula vegetativa y volver a multiplicarse, fenómeno denominado germinación de la espora. El descubrimiento de que hay bacterias que forman esporos fue de gran importancia para la microbiología. El conocimiento de que existen estas formas altamente termorresistentes fue esencial para el desarrollo de métodos adecuados de esterilización de medicamentos, alimentos, medios de cultivo microbiológicos, etc.

2.9.1 ESPORULACION BACTERIANA

El agotamiento de nutrientes específicos (p. ej., alanina) en el medio de crecimiento desencadena una cascada de procesos genéticos (comparable a un proceso de diferenciación) que ocasiona la producción de una espora. Los ARN mensajeros de la

espora comienzan a transcribirse al tiempo que otros ARNm dejan de hacerlo. Asimismo, se produce ácido dipicolínico y con frecuencia se eliminan antibióticos y toxinas.

Tras la duplicación del cromosoma, una copia de ADN y los contenidos citoplásmicos (región central o core) son rodeados por la membrana citoplásmica, el peptidoglucano y la membrana del tabique. De este modo, el ADN queda recubierto por las dos capas de membrana y el peptidoglucano que normalmente dividiría a la célula. Estas dos capas están rodeadas por la corteza, formada por una capa delgada interna de peptidoglucano rígido entrecruzado que rodea una membrana (que acostumbra a ser la membrana citoplásmica) y por una laxa capa externa de peptidoglucano. La corteza se rodea de una dura capa proteica semejante a la queratina que protege a la espora. La duración del proceso es de 6 a 8 horas.

La germinación o transformación de las esporas en el estado vegetativo se estimula por la alteración de la continuidad de la capa externa debido a factores mecánicos, el pH, el calor u otros parámetros; asimismo, requiere la presencia de agua y un nutriente desencadenante (p. ej., alanina). El proceso dura aproximadamente 90 minutos. Cuando ha empezado el proceso de germinación, la espora capta agua, se hincha, pierde sus capas y produce una nueva célula vegetativa que es idéntica a la célula original, con lo que finaliza todo el ciclo.

Asimismo, una vez se ha iniciado la germinación y se ha deteriorado la envoltura, la espora se debilita, se hace vulnerable y se puede inactivar de forma semejante a cualquier otra bacteria.

Figura. Proceso de esporulación bacteriana

Existen coloraciones especiales para teñir los esporos. Si observamos una espora al microscopio electrónico se ve que presenta numerosas capas. La capa más externa es una delicada y delgada cubierta llamada exosporium. Le sigue la cubierta de la espora, que está compuesta de una capa o más de una sustancia parecida a la pared celular. Por debajo de la cubierta se encuentra la corteza y dentro de ella, el núcleo o corazón que contiene la pared de la bacteria que dio origen al esporo, la membrana citoplasmática y la región nuclear.

Las esporas son ricas en ácido dipicolínico e iones calcio y hay evidencias que esta asociación cumple una función importante para conferir la excepcional resistencia al calor de los esporos.

2.10 INCLUSIONES Y PRODUCTOS DE ALMACENAMIENTO: dentro de algunas bacterias se pueden observar gránulos y otras inclusiones. Casi siempre su función es el almacenamiento de compuestos energéticos como el ácido poli ß-hidroxibutírico que se utiliza como fuente de carbono y energía. En otros gránulos se almacena glucógeno.

3. NUTRICION MICROBIANA

La nutrición es el proceso por el que los seres vivos toman del medio donde habitan las sustancias químicas que necesitan para crecer. Dichas sustancias se denominan nutrientes, y se requieren para dos objetivos:

Fines energéticos (reacciones de mantenimiento) y Fines biosintéticos (reacciones plásticas o anabolismo).

Las biosíntesis de nuevos componentes celulares son procesos que requieren energía procedente del medio ambiente. En el capítulo anterior vimos los principales modos de captación y obtención de energía existentes en las bacterias.

Es importante tener claro desde el principio una serie de conceptos y nomenclaturas relacionados con los principales tipos de nutrición bacteriana. Puesto que, como acabamos de ver, la nutrición presenta un aspecto de aprovisionamiento de energía y otro de suministro de materiales para la síntesis celular, podemos hablar de dos “clasificaciones” de tipos de nutrición:

• Desde el punto de vista de los fines de aprovisionamiento de energía, las bacterias se pueden dividir en:

a. Litótrofas: son aquellas que sólo requieren sustancias inorgánicas sencillas (SH2

S0, NH3, NO2-, Fe, etc.).

b. Organótrofas: requieren compuestos orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos, proteínas, alcoholes...).

• Desde el punto de vista biosintético (o sea, para sus necesidades plásticas o de crecimiento), las bacterias se pueden dividir en:

a. Autótrofas: crecen sintetizando sus materiales a partir de sustancias inorgánicas sencillas. Ahora bien, habitualmente el concepto de autotrofia se limita a la capacidad de utilizar una fuente inorgánica de carbono, a saber, el CO2.

b. Heterótrofas: su fuente de carbono es orgánica (si bien otros elementos distintos del C pueden ser captados en forma inorgánica).

Macronutrientes (C, H, O, N, P, S, K, Mg), y Micronutrientes o elementos traza (Co, Cu, Zn, Mo, Fe, Cl, Na, Ca, Mn...)

En la naturaleza, estos elementos se encuentran combinados, formando parte de sustancias orgánicas o inorgánicas. Algunos de los nutrientes serán incorporados para construir macromoléculas y estructuras celulares; otros solo sirven para la producción de energía, y no se incorporan directamente como material celular; finalmente, otros pueden ejercer ambos papeles.

El mundo bacteriano, como conjunto, exhibe una gigantesca versatilidad metabólica de uso de nutrientes: desde autótrofos que obtienen su carbono por reducción del CO2 y los demás elementos a partir de fuentes igualmente inorgánicas, hasta heterótrofos capaces de usar amplia gama de fuentes orgánicas de carbono.

A su vez, dentro de los heterótrofos, podemos encontrar muchos y variados tipos de nutrición, desde bacterias metilótrofas que sólo usan metano o metanol como fuente de carbono y energía, hasta los muy versátiles Pseudomonas, que pueden recurrir a degradar más de 100 tipos de fuentes de C (incluyendo entre ellas sustancias tan “exóticas” como hidrocarburos alifáticos y cíclicos). De cualquier modo, entre los heterótrofos, una de las fuentes más típicas de carbono consiste en glucosa.

Aunque dentro del mundo de los procariotas se encuentre tanta variedad de nutriciones, las bacterias que pueden nutrirse solamente de sustancias inorgánicas sencillas (H2O, CO2, N2, NO3

--, NH3, SO4=, fosfatos, etc.) son minoría, pero sus procesos metabólicos son

muy interesantes. De hecho, existen tipos metabólicos que sólo han evolucionado en procariotas. Como paradigma de esto citaremos los microorganismos quimioautótrofos (o quimiolitoautótrofos): obtienen su energía de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas, el carbono procede del CO2, y el resto de elementos a partir de sales inorgánicas, por lo que pueden vivir en soluciones de sales minerales en ausencia de luz.

3.1 CLASES DE NUTRIENTES

Podemos clasificar los nutrientes en las siguientes categorías:

Universales (es decir, aquellos que son requeridos por todos los procariotas): agua, CO2, fosfatos y sales minerales;Particulares;

Factores de crecimiento.

3.1.1 NUTRIENTES UNIVERSALES

• EL AGUA: Las bacterias necesitan grandes cantidades de agua. De hecho, salvo excepciones, se pueden considerar como organismos acuáticos. Requieren cierto grado de humedad para crecer. Desde el punto de vista de sus posibles papeles, el agua es:

El principal constituyente del protoplasto bacteriano; el medio universal donde ocurren las reacciones biológicas; un reactante en exceso (es decir, un producto resultante de algunas reacciones bioquímicas).

Las fuentes de agua pueden ser:

Ahora bien, no toda el agua de un ambiente está disponible para la bacteria:

La disponibilidad de agua se mide por un parámetro llamado actividad de agua o potencial de agua, indicativo del agua libre, y que se expresa como aW = PS/PW

Donde PS es la presión parcial de vapor de agua en la solución problema y PW es la presión parcial de vapor del agua destilada.

Las bacterias tienen valores de aW normalmente entre 0.90 y 0.99.

Bacterias de hábitats oligotróficos (como Caulobacter, Spirillum) tienen aw cercanos a 1.

Bacterias como Escherichia y Streptococcus, que viven en sangre y fluidos corporales, tienen aw de alrededor de 0.995.

Bacterias marinas como ciertos Vibrio y Pseudomonas encuentran valores de 0.980.

Ciertos bacilos Gram-positivos que resisten mejor la sequedad poseen valores de 0.950.

En el extremo de resistencia encontramos ciertas bacterias xerófilas, capaces de vivir a aw

muy bajos (en torno a 0.75). Muchas de estas bacterias viven de hecho en medios acuosos, pero donde gran parte del agua no está disponible por las razones arriba citadas:

Procariotas halófilos extremos, como la arquea Halobacterium, que habita en lagunas hipersalinas; bacterias (y sobre todo, ciertos microorganismos eucarióticos como levaduras) sacarófilos, que viven en jugos y zumos con altas concentraciones de azúcares.

• EL CO2: El anhídrido carbónico es requerido por todo tipo de bacterias: Las autótrofas lo requieren como fuente de carbono, y lo reducen usando como fuente de energía la

luz (en el caso de las fotoautótrofas) u oxidaciones de determinadas sustancias inorgánicas (los quimioautolitótrofos).

Las arqueobacterias (arqueas) metanogénicas pueden usar el CO2 como aceptor de los electrones procedentes de la oxidación del H2, proceso por el que obtienen su energía de modo litotrófico:

CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O

Además, algunas arqueas no sólo usan CO2 como aceptor de electrones para obtener energía, sino que, además lo usan como fuente de carbono celular (arqueas metanogénicas autótrofas).

Los heterótrofos, aunque no usan el CO2 como fuente de C ni como aceptor de electrones, necesitan pequeñas cantidades para las carboxilaciones en determinadas rutas anabólicas y catabólicas.

CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O

El origen del CO2 puede ser: Endógeno: procedente de descarboxilaciones que ocurren al degradar la fuente orgánica de carbono y Exógeno: el CO2 de la atmósfera o disuelto en las soluciones acuosas.

Normalmente, las bacterias crecen a la concentración de CO2 atmosférico (0.03%), pero algunas bacterias (Neisseria, Brucella), cuando se aislan por primera vez, requieren atmósferas enriquecidas, con 5-10% de CO2. Ello parece deberse a que poseen alguna enzima con baja afinidad hacia el carbónico; sin embargo, tras varios subcultivos, suelen adaptarse a crecer a tensiones normales.

• FÓSFORO: Suele requerirse en forma de fosfatos, sea orgánico o inorgánico. Las bacterias que pueden usar los fosfatos orgánicos (merced a la posesión de fosfatasas) no dependen absolutamente de ellos, ya que pueden recurrir igualmente a los fosfatos inorgánicos. Los fosfatos orgánicos son hidrolizados por fosfatasas extracelulares o (en las Gram-negativas) periplásmicas (p.ej., la fosfatasa alcalina).

El fósforo se usa principalmente para la síntesis de los ácidos nucleicos y los fosfolípidos, pero aparece también en coenzimas y en proteínas.

• SALES MINERALES: Las sales minerales son la fuente de aniones (p. ej. el Cl-) y de cationes para la célula. Los siguientes cationes, concretamente, se necesitan en cantidades relativamente grandes: K+, Mg++, Ca++, Fe++.

El ión potasio (K+): interviene en la activación de una variedad de enzimas, incluyendo las que participan en la síntesis de proteínas. En Gram-positivas está asociado con los ácidos teicoicos de la pared.

El ión magnesio (Mg++): estabiliza ribosomas, membranas y ácidos nucleicos; como cofactor en muchas reacciones, especialmente las que implican transferencia de grupos fosfato. Por ejemplo, en las reacciones que requieren ATP, el Mg++ puede unir la enzima al sustrato durante el mecanismo de acción de la primera. Participa de las clorofilas y bacterioclorofilas de bacterias fotosintéticas.

El ión calcio (Ca++): es un cofactor de ciertas enzimas, como proteinasas.

El hierro (principalmente como ión ferroso, Fe++) suele estar acomplejado en la naturaleza, formando sales insolubles. Las bacterias disponen de una serie de moléculas, denominadas sideróforos, capaces de captar ese hierro (p.ej., hidroxamatos y enterobactina). El hierro participa en muchas moléculas implicadas en procesos de respiración, como citocromos y ferroproteínas no hémicas (proteínas con Fe-S); interviene como cofactor en ciertas enzimas.

Aparte de estos iones que se requieren en cantidades relativamente grandes, las bacterias necesitan minúsculas cantidades de otros elementos (oligoelementos), a los que también se denomina como micronutrientes o elementos traza:

El manganeso (Mn++) es un cofactor de ciertas enzimas, y a veces puede sustituir al Mg++.El cobalto (Co++) se requiere casi exclusivamente para la vitamina B12 (de hecho, si suministramos esta vitamina al medio, la bacteria se vuelve independiente del Co++ libre).

El zinc interviene en la estabilización de complejos enzimáticos como las ADN- y ARN-polimerasas.

El molibdeno participa en las llamadas molibdoflavoproteínas, implicadas en la asimilación de nitratos. Por otro lado, participa como cofactor, junto con el Fe, en el complejo nitrogenasa de las bacterias fijadoras de N2 atmosférico.

El níquel participa en hidrogenasas, enzimas que captan o liberan H2.

3.1.2 NUTRIENTES PARTICULARES

• NITRÓGENO Y AZUFRE: Se trata de elementos que pueden ser cubiertos de modo muy distinto, dependiendo del tipo de bacteria que consideremos. Concretamente, los elementos N y S (que requieren todos los seres vivos) pueden ser captados por las bacterias de modos muy distintos, dependiendo de sus capacidades biosintéticas.

Tanto el N como el S se encuentran en la célula en estado reducido:

El radical -NH2 forma parte de los aminoácidos (que a su vez son los sillares de las proteínas) y de las bases nitrogenadas (que participan en los ácidos nucleicos y en algunas coenzimas); el radical -SH interviene en determinados aminoácidos y en coenzimas como la CoA.

¿En qué formas químicas entran N y S a las bacterias?

La mayoría de bacterias fotosintéticas y muchas heterótrofas asimilan estos elementos en forma combinada inorgánica oxidada: como NO3--, merced a la actuación secuencial de nitrato-reductasas y nitrito-reductasas asimilatorias.

Como SO4. Este sulfato se activa con ATP, y luego se reduce hasta sulfito y finalmente sulfhídrico, que ya tiene el estado de reducción adecuado para la incorporación del S.

Muchas bacterias heterótrofas pueden usar alguna forma reducida de N inorgánico: amonio (NH4+), de S inorgánico: sulfuros (S2-, SH-), de N orgánico: aminoácidos, péptidos, de S orgánico: cisteína.

Muchas de las bacterias que pueden usar amonio como única fuente de nitrógeno también pueden usar nitratos.

3.1.3 FACTORES DE CRECIMIENTO

Los factores de crecimiento son moléculas orgánicas específicas que, en muy pequeña cantidad, algunas bacterias necesitan para crecer. Salvo excepciones no tienen función plástica (no son sillares de macromoléculas) ni sirven como fuente de energía. Suelen ser coenzimas o sus precursores, vitaminas, que determinadas bacterias no pueden fabricar por sí mismas, al carecer de parte o toda una ruta biosintética.

Ejemplos: las bacterias del género Brucella requieren como factores de crecimiento en sus medios de cultivo la biotina, niacina, tiamina y ácido pantoténico. Haemophilus necesita suplementos de grupos hemo y piridín-nucleótidos.

En la siguiente tabla se muestran algunas de las vitaminas y cofactores requeridos por algunas bacterias:

FACTOR O VITAMINA FUNCIONES PRINCIPALESp-aminobenzoico (PABA) precursor del ácido fólicoAcido fólico metabolismo de compuestos C1, transferencia de grupos

metiloBiotina biosíntesis de ácidos grasos; fijación de CO2

Cobalamina (vitamina B12) reducción y transferencia de compuestos C1; síntesis de desoxirribosa

Niacina (ácido nicotínico) precursor del NAD; transferencia de electrones en reacciones redox

Riboflavina precursor de FAD y FMN ácido pantoténico precursor de la CoATiamina (vitamina B1) descarboxilaciones; transcetolasas.Complejo B6 (piridoxal, piridoxamina) transformaciones de aminoácidos y cetoácidosGrupo Vitamina K, quinonas Transportadores de electrones (ubiquinonas,

menaquinonas, etc.)

3.2 MEDIOS DE CULTIVOS MICROBIOLOGICOS

El conocimiento de la nutrición microbiana permite el cultivo de los microorganismos en el laboratorio. Como acabamos de ver, en general, todos los microorganismos tienen parecidos requerimientos de macro- y micronutrientes, aunque ha quedado claro que la forma en que cada nutriente es captado puede variar mucho entre unas bacterias y otras, así como la cantidad relativa de cada nutriente. Los microbiólogos, en su trabajo cotidiano, están acostumbrados a manejar multitud de “recetas” o fórmulas correspondientes a muchos tipos de medios de cultivo.

Un medio de cultivo es una solución acuosa (bien como tal, o bien incorporada a un coloide en estado de gel) en la que están presentes todas las sustancias necesarias para el crecimiento de un(os) determinado(s) microorganismo(s). Los medios de cultivo se pueden clasificar, en primera instancia, en tres grandes tipos:

3.2.1 MEDIOS COMPLEJOS O INDEFINIDOS: su composición química exacta se desconoce, ya que son el producto de realizar infusiones y extractos de materiales naturales complejos:

Ejemplos:

Digeridos crudos de extracto de carneDigeridos de extracto de levaduraDigeridos de peptona de carne o de sojaDigeridos de caseína (de la leche).

Con ellos se logra un tipo de medio rico nutricionalmente, aunque indefinido químicamente. Si lo que pretendemos simplemente es obtener un buen crecimiento bacteriano, este tipo de medios es ideal, ya que su confección es fácil y rápida (basta pesar una cierta cantidad del extracto desecado, suministrado por casas comerciales, disolverlo en agua y esterilizar en autoclave, antes de inocular e incubar la bacteria con la que queramos trabajar). Estos medios contienen fuentes variadas de C y N orgánicas, sales minerales y micronutrientes. Sin embargo, con ellos no podemos tener un control nutricional preciso, ya que desconocemos la composición química y proporción exacta de los distintos nutrientes.

3.2.2 MEDIOS SINTÉTICOS O DEFINIDOS: se obtienen disolviendo en agua destilada cantidades concretas de distintas sustancias químicas puras, orgánicas y/o inorgánicas. La composición concreta de un medio sintético dependerá de la bacteria que queramos cultivar: lógicamente, un medio definido para una bacteria con grandes capacidades biosintéticas será más sencillo que el medio definido de otra bacteria con menores posibilidades biosintéticas.

3.2.3 MEDIOS SEMISINTÉTICOS: Se pueden fabricar mediante la “mezcla” de los anteriores, llevan algunas sustancias químicas cuya naturaleza y cantidad conocemos, junto con sustancias de naturaleza y composición indefinidas.

Cualquiera que sea el tipo de medio, de los tres que acabamos de citar, podemos elaborar dos tipos de “versiones”, según su estado aparente:

Medios líquidos (llamados caldos microbiológicos)

Medios sólidos: derivan de los líquidos simplemente añadiendo a la solución nutritiva un coloide en estado de gel, que solidifica (da consistencia) a esta solución.

En los primeros tiempos de la Bacteriología sólo se conocía como sustancia gelificante incorporable a los medios la gelatina. Sin embargo, presenta muchos inconvenientes, ya que funde a 25oC (por encima de esta temperatura el medio se licúa), y además, muchas bacterias presentan gelatinasas que hidrolizan la gelatina.

El gelificante más usado es el agar-agar, extraído de algas rojas (p. ej. Gelidium), del cual existen versiones más o menos purificadas (las más puras están más enriquecidas en el polisacárido agarosa; son las que se emplean para los medios definidos, con objeto de evitar la introducción de sustancias "contaminantes" inadvertidas que falseen las interpretaciones sobre el comportamiento nutricional de la bacteria). El agar presenta la gran ventaja de que una vez gelificado, no funde hasta cerca de los 100oC, lo que permite su uso para la inmensa mayoría de bacterias, que son mesófilas. Un comportamiento notable del agar es que una vez fundido (a 100ºC), no gelifica (solidifica) hasta los 45ºC. En este margen de temperatura hasta el límite de solidificación de 45ºC se dice que el agar está en sobrefusión.

Para cultivar ciertas bacterias (sobre todo los quimioautótrofos) se suele recurrir a un gelificante inorgánico, el silicagel o gel de sílice.

Finalmente, introduciremos otra serie de conceptos relativos a medios de cultivo, que al igual que los anteriores, serán tratados con la suficiente amplitud en las sesiones de clases prácticas:

3.2.4 MEDIOS SELECTIVOS: son aquellos que permiten seleccionar un tipo (o unos pocos tipos) de microorganismos. En el laboratorio se emplean mucho medios selectivos sólidos que incorporan ciertas sustancias que inhiben el crecimiento de ciertas bacterias, pero permiten el crecimiento de otras. (P. ej. medios que llevan violeta cristal inhiben el crecimiento de bacterias Gram-positivas.

3.2.5 MEDIOS DIFERENCIALES: son aquellos que permiten distinguir a simple vista dos o más tipos de bacterias en función de su distinto comportamiento respecto de algún nutriente del medio. Ese comportamiento diferencial se traduce normalmente en un viraje de color de una sustancia indicadora presente en el medio.

Ejemplos:

En el medio EMB (eosina-azul de metileno) ciertos tipos metabólicos de bacterias producen cambios de color y precipitación de sales cuando producen ácidos por fermentación de ciertas fuentes de carbono.

El medio llamado agar-sangre lleva un 5% de sangre de caballo o carnero, lo cual revela la capacidad (y el tipo) de hemolisis de ciertas bacterias.

Algunos medios son simultáneamente selectivos y diferenciales.

P. ej., el agar de MacConkey, que el alumno manejará en la segunda tanda de prácticas. Se trata de un medio de color rosado y transparente, que posee, entre otras sustancias, lactosa, peptonas, el colorante vital rojo neutro, sales biliares y violeta cristal.

Este medio es selectivo contra muchas bacterias Gram-positivas debido al violeta cristal, y también contraselecciona muchas Gram-negativas debido a las sales biliares (que son agentes tensoactivos que desorganizan muchas membranas externas). En cambio, las Enterobacterias están evolutivamente adaptadas a soportar sales biliares en su hábitat natural (el intestino de vertebrados superiores), y pueden crecer en este medio.

En su faceta de medio diferencial, el agar MacConkey permite visualizar dos tipos de Enterobacterias según que puedan o no fermentar la lactosa, con producción de ácidos. Las bacterias fermentadoras de lactosa (Lac+), excretan al medio gran cantidad de ácidos orgánicos, lo que provoca que sus colonias, y sus alrededores aparezcan de color rojo intenso, debido al viraje del rojo neutro; además, se forma un halo turbio a cierta distancia de estas colonias, fenómeno ocasionado por la precipitación de las sales biliares inducida por la acidez. En cambio, las bacterias Lac-, al no poder usar la lactosa, recurren como fuente de C a las peptonas, a las que desaminan: incorporan el esqueleto carbonado, excretando iones NH4

+, que alcalinizan el medio de cultivo, lo cual se traduce en que el indicador rojo neutro vira a amarillo.

3.3 CONDICIONES GENERALES PARA EL CULTIVO DE MICROORGANISMOS

El desarrollo adecuado de los microorganismos en un medio de cultivo se ve afectado por una serie de factores de gran importancia y que, en algunos casos, son ajenos por completo al propio medio.

3.3.1 DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES ADECUADOS: Un medio de cultivo adecuado para la investigación microbiológica ha de contener, como mínimo, carbono, nitrógeno, azufre, fósforo y sales inorgánicas. En muchos casos serán necesarias ciertas vitaminas y otras sustancias inductoras del crecimiento. Siempre han de estar presentes las sustancias adecuadas para ejercer de donantes o captadores de electrones para las reacciones químicas que tengan lugar.

Todas estas sustancias se suministraban originalmente en forma de infusiones de carne, extractos de carne o extractos de levadura. Sin embargo, la preparación de estas

sustancias para su aplicación a los medios de cultivo provocaba la pérdida de los factores nutritivos lábiles.

Actualmente, la forma más extendida de aportar estas sustancias a los medios es utilizar peptona que, además, representa una fuente fácilmente asequible de nitrógeno y carbón ya que la mayoría de los microorganismos, que no suelen utilizar directamente las proteínas naturales, tienen capacidad de atacar los aminoácidos y otros compuestos más simples de nitrógeno presentes en la peptona.

Ciertas bacterias tienen necesidades nutritivas específicas por lo que se añade a muchos medios sustancias como suero, sangre, líquido ascítico, etc. Igualmente pueden ser necesarios ciertos carbohidratos y sales minerales como las de calcio, magnesio, manganeso, sodio o potasio y sustancias promotoras del crecimiento, generalmente de naturaleza vitamínica.

Muy a menudo se añaden al medio de cultivo ciertos colorantes, bien como indicadores de ciertas actividades metabólicas o bien por sus capacidades de ejercer de inhibidores selectivos de ciertos microorganismos.

3.3.2 CONSISTENCIA ADECUADA DEL MEDIO: Partiendo de un medio líquido podemos modificar su consistencia añadiendo productos como albúmina, gelatina o agar, con lo que obtendríamos medios en estado semisólido o sólido.

Los medios solidificados con gelatina tienen el gran inconveniente de que muchos microorganismos no se desarrollan adecuadamente a temperaturas inferiores al punto de fusión de este solidificante y de que otros tienen la capacidad de licuarla.

Actualmente los medios sólidos son de uso universal, por su versatilidad y comodidad, pero hay también gran cantidad de medios líquidos cuyo uso está ampliamente extendido en el laboratorio.

3.3.3 PRESENCIA (O AUSENCIA) DE OXÍGENO Y OTROS GASES: Gran cantidad de bacterias pueden crecer en una atmósfera con tensión de oxígeno normal. Algunas pueden obtener el oxígeno directamente de variados sustratos. Pero los microorganismos anaerobios estrictos sólo se desarrollarán adecuadamente en una atmósfera sin oxígeno ambiental. En un punto intermedio, los microorganismos microaerófilos crecen mejor en condiciones atmosféricas parcialmente anaerobias (tensión de oxígeno muy reducida), mientras los anaerobios facultativos tienen un metabolismo capaz de adaptarse a cualquiera de las citadas condiciones.

3.3.4 CONDICIONES ADECUADAS DE HUMEDAD: Un nivel mínimo de humedad, tanto en el medio como en la atmósfera, es imprescindible para un buen desarrollo de las células vegetativas microbianas en los cultivos. Hay que prever el mantenimiento de estas condiciones mínimas en las estufas de cultivo a 35-37ºC proporcionando una fuente adecuada de agua que mantenga la humedad necesaria para el crecimiento de los cultivos y evitar así que se deseque el medio.

3.3.5 LUZ AMBIENTAL: La mayoría de los microorganismos crecen mucho mejor en la oscuridad que en presencia de luz solar. Hay excepciones evidentes como sería el caso de los microorganismos fotosintéticos.

3.3.6 pH: La concentración de iones hidrógeno es muy importante para el crecimiento de los microorganismos. La mayoría de ellos se desarrollan mejor en medios con un pH neutro, aunque los hay que requieren medios más o menos ácidos. No se debe olvidar que la presencia de ácidos o bases en cantidades que no impiden el crecimiento bacteriano pueden sin embargo inhibirlo o incluso alterar sus procesos metabólicos normales.

3.3.7 TEMPERATURA: Los microorganismos mesófilos crecen de forma óptima a temperaturas entre 15 y 43ºC. Otros como los psicrófilos crecen a 0ºC y los termófilos a 80ºC o incluso a temperaturas superiores (hipertemófilos). En líneas generales, los patógenos humanos crecen en rangos de temperatura mucho más cortos, alrededor de 37ºC, y los saprófitos tienen rangos más amplios.

3.3.8 ESTERILIDAD DEL MEDIO: Todos los medios de cultivo han de estar perfectamente estériles para evitar la aparición de formas de vida que puedan alterar, enmascarar o incluso impedir el crecimiento microbiano normal del o de los especimenes inoculados en dichos medios. El sistema clásico para esterilizar los medios de cultivo es el autoclave (que utiliza vapor de agua a presión como agente esterilizante)

3.4 TIPOS DE COLONIAS BACTERIANAS

4. METABOLISMO BACTERIANO

4.1 GENERALIDADES SOBRE EL METABOLISMO ENERGÉTICO BACTERIANO

Las bacterias requieren aporte continuo y de acceso inmediato de energía, que es usada en procesos de:

Biosíntesis (anabolismo) Transporte activo Translocación de proteínas a través de la membrana citoplásmica Movimiento flagelar Bioluminiscencia

En bacterias, al igual que en eucariotas, la conservación intracelular de energía ocurre principalmente por medio de la síntesis de ATP:

ADP3- + H+ + PO4H2- --------> ATP4- + H2O

La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre ∆Go'= -31 kJ (= -7,3 kcal). La síntesis de ATP a partir de ADP y P requiere una ∆Go' de +31 kJ. Los métodos usados por las bacterias para generar este ATP son principalmente:

Fosforilación a nivel de sustrato (en las fermentaciones) Fosforilación oxidativa (en las respiraciones) Fotofosforilación (durante la fotosíntesis)

Cada uno de estos procesos implica uno o varios pasos de reacciones redox exergónicas, pero la manera en que esas reacciones exergónicas se acoplan a la síntesis de ATP varía entre la fosforilación a nivel de sustrato y las otras dos.

Por lo tanto, los seres vivos, para poder obtener su moneda energética (principalmente ATP), han de captar alguna fuente de energía externa, del medio ambiente. Veamos, pues, cuáles son los tipos de energía que captan los procariotas y los correspondientes tipos de metabolismos energéticos:

1) Si la energía procede de radiaciones (en los cuantos de una determinada longitud de onda de la luz visible): bacterias fotótrofas, que a su vez pueden ser:

a) Fotolitótrofas: captan energía lumínica en presencia de sustancias inorgánicas;

b) Fotoorganótrofas: captan energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas.

2) Si la energía se desprende a partir de moléculas químicas en reacciones biológicas de óxido-reducción: bacterias quimiótrofas, que a su vez pueden ser:

a) Quimiolitótrofas: captación de energía química a partir de sustancias inorgánicas;b) Quimiorganótrofas: captación de energía química a partir de sustancias orgánicas.

4.2 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS BACTERIAS QUIMIOTROFAS

En los organismos quimiótrofos, la captación de energía consiste esencialmente en la oxidación de un sustrato reducido (orgánico en quimiorganótrofos e inorgánico en quimiolitótrofos) con una reducción concomitante de un aceptor de electrones (que a su vez puede ser orgánico o inorgánico), y todo ello acoplado a un sistema de fosforilación del ADP, que se convierte en ATP.

4.3 FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO. FERMENTACIONES

La fosforilación a nivel de sustrato es un sistema usado por ciertas bacterias quimiorganótrofas. El sustrato orgánico (donador de electrones) pasa por una ruta catabólica (p.ej., la ruta glucolítica), y uno de los intermediarios de esa ruta es oxidado por un coenzima (p. ej., NAD+), de manera que se origina un intermediario no fosforilado con una gran energía de hidrólisis. Dicho intermediario experimenta enseguida una sustitución con un fosfato, para dar la correspondiente forma acil-fosfato (siendo este enlace de alta energía). Finalmente, este acil-fosfato dona su fosfato de alta energía al ADP, que pasa a ATP. Ejemplo: gliceraldehido-3-P à 1,3-difosfoglicérico à 3-fosfoglicérico. Ejemplo:

La fosforilación a nivel de sustrato está acoplada a un proceso metabólico denominado fermentación. Durante la fermentación, el sustrato orgánico reducido es catabolizado, de modo que como acabamos de ver, se produce ATP.

Las fermentaciones se dan en determinados microorganismos quimiorganótrofos, que pueden ser anaerobios obligados o anaerobios facultativos (cuando crecen en ausencia de O2).

Hay una gran variedad de fermentaciones microbianas, y cada tipo libera uno o varios productos de fermentación característicos. Algunos ejemplos:

Tipo de fermentación Producto(s)

Fermentación láctica Lactato

Fermentación alcohólica etanol, CO2

Fermentación ácida-mixta etanol, succinato, acetato, formiato, lactato, CO2, H2

Fermentación butilénglicólica butilénglicol, CO2

Fermentación aceto-butírica acetato, acetona, butirato, butanol, etanol, CO2, H2

4.4 FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. RESPIRACIONES

Respiración es la obtención de energía por oxidación de sustratos reducidos (orgánicos en quimiorganótrofos, e inorgánicos en quimiolitótrofos), pero los coenzimas reducidos (ej., NADH) transfieren los electrones a un aceptor final oxidado, no directamente (como en la fermentación), sino a través de una cadena transportadora de electrones al final de la cual existe un aceptor exógeno oxidado, que se reduce.

4.5 CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES (cte)

Los donadores de electrones inmediatos para las c.t.e son el FADH2 y el NADH+H+, que se generan, p.ej., en la glucólisis o en el ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos o del ácido cítrico). El alumno conocerá por la asignatura de Bioquímica los principales tipos de componentes de las c.t.e. respiratorias:

NADH deshidrogenasas, unidas a la cara interna de la membrana. Aceptan átomos de H a partir del NADH, y se los ceden a las flavoproteínas

Flavoproteínas (Fp, un tipo de riboflainas), dotadas de grupos FAD o FMN. Pueden acepar átomos de H, pero a su vez ceden electrones.

Proteínas no hémicas de Fe-S (Fe/S proteínas). Algunas poseen agrupamientos de Fe2S2 (como la ferredoxina) y otras Fe4S4. Transportan solamente electrones.

Quinonas. Son moléculas muy hidrofóbicas, inmersas en la membrana, capaces de moverse dentro de ella. Sirven como aceptores de átomos de H, pero sólo ceden electrones. En bacterias podemos encontrar dos principales tipos de quinonas: ubiquinona (UQ) y menaquinona (MQ), más frecuente en bacterias Gram-positivas.

Citocromos (proteínas hémicas). Sufren oxidación y reducción por pérdida y ganancia de un electrón cada vez, a través del Fe del centro de la molécula.

4.6 DIVERSIDAD DE LAS RESPIRACIONES

4.6.1 SEGÚN LOS TIPOS DE DONADORES DE ELECTRONES

• QUIMIORGANOTROFÍA: Los organismos que “respiran” una fuente orgánica de electrones se denominan quimiorganótrofos. En ellos, la oxidación de la fuente orgánica de carbono no solo sirve como donante de electrones para la fosforilación oxidativa, sino que también sirve para generar intermediarios metabólicos que serán usados para las reacciones biosintéticas. Por ejemplo, tanto la ruta glucolítica como el ciclo del ácido cítrico producen intermediarios (como α-cetoglutarato y oxalacetato en el ciclo de Krebs) que, llegado el caso son “retirados” del ciclo y usados como precursores de biosíntesis.

• QUIMIOLITOTROFÍA: En los quimiolitótrofos, el donador de electrones es una molécula inorgánica reducida. Esta capacidad de obtener energía por fosforilación oxidativa a partir de donadores inorgánicos de electrones sólo ha evolucionado en ciertos grupos de procariotas. Los quimiolitótrofos se pueden clasificar en grupos fisiológicos según el tipo de donador inorgánico que “respiran”:

- Los quimiolitótrofos “típicos”, son por lo general respiradores aerobios, o sea, el aceptor final de electrones es el oxígeno molecular. Son de varios tipos según la clase de donante inorgánico de electrones que oxidan:

- Bacterias oxidadoras de hidrógeno (oxidan el H2 hasta H2O)

- Bacterias oxidadoras del hierro ferrroso (pasan Fe2+ a férrico, Fe3+)

Bacterias oxidadoras de azufre reducido: de sulfuros (S2-) y azufre elemental (S0). La oxidación total de este azufre reducido conduce a la producción de ácido sulfúrico (SO4H2)

- Bacterias nitrificantes, con dos subtipos diferentes:

- Las oxidadoras de amoniaco (llamadas nitrosas, que respiran NH3 para convertirlo en NO2-)

- Las oxidadoras del nitrito (llamadas nítricas, que respiran NO2- para convertirlo en NO3-)

El mecanismo de generación de ATP en quimiolitótrofos es similar al de quimioorganótrofos respiradores: los electrones extraídos del donador exógeno (en este caso inorgánico) pasan a una cadena transportadora de electrones hasta un aceptor final (que suele ser el oxígeno en los litótrofos típicos, y que es nitrito en los anammox), generando una fuerza protón-motriz que se transforma en ATP por ATP-sintasas.

4.6.2 SEGÚN LOS TIPOS DE ACEPTORES DE ELECTRONES

• RESPIRACIÓN AEROBIA: En la respiración aerobia el oxígeno molecular se usa como sumidero de los electrones procedentes de la cadena transportadora, y junto con protones se reduce hasta agua (½ O2 + 2 ee + 2 H+ à H2O). Esos protones proceden de la previa disociación del agua (H2O à H+ + OH-), por lo que la oxidación del agua deja el lado citoplásmico de la membrana con pH alcalino y cargado negativamente; mientras tanto, como hemos visto, el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones deja el lado externo o periplásmico de la membrana cargado positivamente y ácido).

• RESPIRACIONES ANAEROBIAS: En algunas bacterias, al final de la c.t.e. puede existir un aceptor diferente del oxígeno (respiración anaerobia). Los aceptores y sus respectivos productos reducidos (A à AH2) son:

Aceptor à prod. reducido Procariotas (Ejemplos)

NO3- à NO2

-à N2 Pseudomonas, Bacillus

NO3- à NO2

- Enterobacterias

SO42- à S0à SH2 Sulfatorreductoras (Desulfovibrio, Desulfotomaculum)

fumarato à succinato Enterobacterias

CO2 à CH4 Arqueas metanogénicas

Fe3+ à Fe2+ Shewanella, Geobacter

El uso de nitratos, sulfatos y CO2 como aceptores finales de electrones (y no como material a incorporar al metabolismo plástico) se denomina metabolismo desasimilativo. Para distinguirlo del asimilativo (nutricional). El producto reducido se excreta al ambiente de la bacteria.

El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificación, y ocurre por medio de una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación:

NO3 à NO2 (nitrito) à NO (óxido nítrico) àN2O (óx. nitroso) à N2 (dinitrógeno)

Los tres últimos son gases y pueden escapar a la atmósfera. Las enzimas que catalizan esta ruta son reprimidas por el oxígeno molecular y se inducen (en ausencia de oxígeno) por el nitrato:

Hasta la llegada de las actividades industriales humanas, todo el dinitrógeno (N2) de la atmósfera procedía de estos procesos desnitrificantes.

El uso desasimilativo del sulfato (es decir, como aceptor de electrones en respiraciones) solamente ha evolucionado en el grupo de las bacterias sulfatorredutoras (ej.: Desulfovibrio, Desulfotomaculum). Para que el sulfato (SO4

2-) pueda recibir los electrones, primero se tiene que “activar” con ATP (mediante la ATP-sulfurilasa), formándose la adenosina-fosfo-sulfato (APS). La parte sulfato de la APS recibe dos primeros electrones y se reduce (por la APS-reductasa) hasta sulfito (SO3

2-), con liberación de AMP. Luego el

sulfito es reducido (aceptando otros seis electrones) hasta sulfuro (S2-) mediante la sulfito-reductasa. La mayoría de sulfatorreductoras son quimiorganotrofos, pero algunos pueden usar también H2 como donador de electrones (quimiolitotrofos).

Las arqueas metanogénicas son los únicos seres vivos capaces de obtener energía acoplando la oxidación del hidrógeno molecular con el uso de CO2 como aceptor de electrones (actuando en estas condiciones como quimiolitotrofos):

4H2 + CO2 à CH4 + 2H2O

Además, algunas metanógenas no solo son litótrofas, sino que igualmente fijan autotróficamente el carbónico, aunque por rutas especiales diferentes al ciclo de Calvin.

El hierro férrico (Fe3+) puede ser usado en la naturaleza como aceptor de electrones por parte de ciertas bacterias quimiorganotrofas (Shewanella putrefaciens) y quimiolitotrofas (Geobacter metallireducens es litótrofo facultativo: puede usar como donador de electrones el hidrógeno molecular y compuestos orgánicos sencillos).

4.7 CAPTACIÓN DE ENERGÍA EN LAS FOTOTROFAS:

• FOTOFOSFORILACIÓN

La fototrofia es la capacidad de captar energía de la luz. Estrictamente hablando, la fotosíntesis alude a la fotoautotrofia, es decir, la combinación de fototrofia o captación de esa energía lumínica (obtenida en la “fase luminosa”) con su empleo para fijar el CO2

(autotrofia) hasta material celular (“fase oscura”). Haciendo abstracción del tipo de donante de electrones, la ecuación general de la fotosíntesis sería:

En cianobacterias, algas y plantas verdes, H2A = H2O, como agente reductor. Por lo tanto, al oxidarse se genera O2 (fotosíntesis oxigénica)

En bacterias fotosintéticas anoxigénicas H2A puede ser H2, SH2, S2O3-, etc. Evidentemente, no pueden liberar oxígeno (fotosíntesis anoxigénica).

Por otro lado, existen procariotas fotótrofos que captan la energía de la luz, pero emplean materia orgánica como fuente de carbono, por lo que se denominan fotoheterótrofos.

Más de la mitad de la fotosíntesis de nuestro planeta se debe a bacterias fotosintéticas. (NOTA: nosotros nos vamos a ocupar solamente de la fase luminosa de la fotosíntesis, es decir, el proceso por el que la energía de la luz se convierte en ATP).

En bacterias tenemos, pues, dos modalidades de fotosíntesis en función de que el donador de electrones sea o no el oxígeno: fotosíntesis oxigénica y fotosíntesis anoxigénica. En ambas pueden existir dos versiones de un mecanismo de obtención de energía a partir de la luz visible: fotofosforilación cíclica y acíclica:

En la fotofosforilación cíclica (FFC) no existe aporte de un agente reductor externo ni de agente oxidante externo.

En cambio, en la fotofosforilación acíclica (FFA) un donador exógeno de electrones servirá para que, por acción de la luz, se produzcan equivalentes de reducción (NADPH, o NADH), que a su vez se usarán para la reducción (asimilación) de CO2 hasta materia orgánica. Al igual que en la cíclica, se produce gradiente de protones, convertible en ATP.

4.7.1 COMPONENTES DEL APARATO FOTOSINTÉTICO

Los componentes funcionales del aparato fotosintético son los siguientes:

Fotosistemas: catalizan la conversión de la energía de la luz, capturada en moléculas excitadas de clorofila o bacterioclorofila en una forma útil de energía. Están constituidos por complejo antena (con pigmentos captadores de luz) y centro de reacción (con las clorofilas o bacterioclorofilas fotoactivas). Los centros de reacción suelen estar situados dentro de estructuras membranosas: tilacoides de las cianobacterias, cromatóforos (invaginaciones de membrana) de bacterias anoxigénicas purpúreas o la propia membrana citoplásmica (bacterias anoxigénicas verdes y heliobacterias).

Cadenas transportadoras de electrones: estas cadenas situadas en membranas están ligadas de forma estrecha al centro de reacción, y crean una fuerza protón-motriz.

Antes de describir el funcionamiento del aparato fotosintético, describamos brevemente las principales moléculas implicadas:

A. Clorofilas y bacterioclorofilas. Estos tetrapirroles cíclicos quelados con Mg2+ y dotados de largas cadenas de alcohol (como el fitol) pueden formar parte tanto de los pigmentos antena como de los centros de reacción.

B. Carotenoides. Forman parte del complejo antena. Sus funciones son:

- Protección contra los efectos potencialmente perjudiciales derivados de la interacción entre la luz y el oxígeno;

- Como pigmentos antena, captadores de luz (aunque menos eficientes que otros).

C. En las cianobacterias, existe, además un conjunto de ficobiliproteínas, organizadas en complejos supra-moleculares denominados ficobilisomas, dispuestos en la superficie de los tilacoides. Las principales ficobiliproteínas son ficocianina, ficoeritrina y aloficocianina, y constituyen el complejo antena en las Cianobacterias.

D. Feofitinas y bacteriofeofitinas. Son similares a las respectivas bacterioclorofila s, excepto que no están queladas con Mg++. Actúan como aceptores inmediatos del electrón que pierde cada bacterioclorofila del centro de reacción.

E. Otros componentes. En el mismo centro de reacción se encuentran los primeros componentes de la c.t.e. fotosintética: quinonas especiales acomplejadas con Fe. Por lo demás, las c.t.e. fotosintéticas contienen moléculas de tipos parecidos a las ya estudiadas en las c.t.e. respiratorias: quinonas, citocromos y ferroproteínas no hémicas.

4.7.2 EL OXÍGENO Y EL METABOLISMO PROCARIÓTICO

• REACCIONES MEDIADAS POR FLAVOPROTEÍNAS

Aparte de las bacterias que usan O2 como aceptor terminal de electrones de sus c.t.e. respiratorias, todos los procariotas presentan algunos enzimas que pueden reaccionar directamente con este oxígeno. De estos enzimas, los más típicos son las flavoproteínas, que se pueden autooxidar en presencia de O2, dando inevitablemente peróxido de hidrógeno (H2O2), que es un compuesto muy tóxico; también se pueden generar pequeñas cantidades de otro producto tóxico, el radical superóxido (O2

-). Por lo tanto, no es de extrañar que en bacterias haya evolucionado un arsenal de enzimas para detoxificar estas sustancias:

Protección respecto de los peróxidos: En muchas bacterias aerobias existe el enzima catalasa:

catalasa

H2O2 ----------------------------------------> H2O + ½ O2

Algunos anaerobios aerotolerantes producen peroxidasa, capaz de eliminar cualquier peróxido, incluyendo el de hidrógeno. Las peroxidasas catalizan la oxigenación de compuestos orgánicos por el peróxido de hidrógeno, que pasa a agua:

peroxidasa

H2O2 + NADH + H+ ---------------------------> 2 H2O + NAD+

4.7.3 RELACIONES DE LOS PROCARIOTAS CON EL OXÍGENO

Dependen en buena medida de la disponibilidad de las enzimas eliminadoras de peróxidos y superóxidos, que acabamos de estudiar. Veamos los tipos de procariotas según sus relaciones con el oxígeno:

• AEROBIOS: Necesitan O2 para crecer, ya que lo usan (al menos en algunas ocasiones) como aceptor final de electrones para la captación de energía química. Como el oxígeno tiene poca solubilidad en el agua, cuando queremos cultivar un

aerobio en medios líquidos, hay que forzar la aireación, bien sea por agitación de los matraces o tubos de ensayo, o insuflando aire u oxígeno estériles.

Algunos aerobios requieren para crecer tensiones de oxígeno inferiores a la atmosférica (del 2 al 10% de O2, en lugar del 20%). A estas bacterias se las califica como microaerófilas.

- Algunos microaerófilos lo son permanentemente (microaerófilos estrictos)- Otros se comportan como microaerófilos sólo cuando crecen usando determinadas fuentes de energía química o de nitrógeno (microaerófilos condicionales).

• ANAEROBIOS: Son aquellos que pueden crecer en ausencia de oxígeno, debido a que pueden usar aceptores finales distintos del oxígeno, o porque poseen metabolismo estrictamente fermentativo.

Anaerobios estrictos: El oxígeno les resulta tóxico ya que carecen de catalasa, peroxidasa y SOD, y por lo tanto, no pueden eliminar los productos nocivos resultantes del oxígeno. (Por ejemplo, las especies de Clostridium, y las arqueas metanogénicas).

Anaerobios aerotolerantes: Al igual que los anteriores, presentan un metabolismo energético anaerobio, pero soportan el oxígeno debido a que poseen enzimas detoxificadores. Ejemplos típicos son las bacterias del ácido láctico, como Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus). También se les llama anaerobios indiferentes.

Anaerobios facultativos: Pueden realizar metabolismo energético aerobio o anaerobio, dependiendo del ambiente y la disponibilidad de aceptores finales de electrones. Ejemplos son las enterobacterias como E. coli.

Para cultivar los anaerobios hay que evitar el oxígeno. Los anaerobios que no sean demasiado sensibles al oxígeno se pueden cultivar fácilmente llenando los tubos con el medio hasta arriba y cerrándolos con tapón hermético. También se puede añadir al medio un agente reductor (como el tioglicolato) que reaccione con el oxígeno, reduciéndolo a agua. Los anaerobios más estrictos se suelen cultivar en las llamadas “jarras de anaerobios”, unos contenedores con cierre hermético, en cuyo interior se colocan las placas de Petri o tubos inoculados, junto con un reactivo y catalizadores químicos, que reemplazan el aire por una mezcla de H2 y CO2 u otros gases inertes.

CAPITULO III

LOS HONGOS

1. GENERALIDADES DE LOS HONGOS

Los hongos son organismos eucariotas típicos y poseen un núcleo que contiene varios cromosomas delimitado por una membrana nuclear, con nucléolo rico en ARN y organelos citoplásmicos, como mitocondrias, vacuolas, retículo endoplásmico, aparato de Golgi y ribosomas 80 S. El citoplasma se encuentra limitado por la membrana citoplásmica, que es una doble capa de lípidos que contiene proteínas y esteroles y que controla la permeabilidad celular y participa en la síntesis de la pared celular.

La estructura de las células de los hongos es muy diferente de la de las bacterias que son organismos procariotas. Aunque comparten muchas estructuras, las células de los hongos se diferencian de las de las plantas en la composición de la pared celular y en que carecen de cloroplastos y clorofila, y de las humanas en que tienen pared celular y en la presencia de ergosterol en la membrana citoplásmica.

Por el exterior de la membrana citoplásmica, presentan una pared celular que está compuesta fundamentalmente por polisacáridos y por diversas proteínas. Los polisacáridos más importantes son la quitina (polímero de n-acetil glucosamina), el manano (polímero de manosa) y el glucano (polímero de glucosa).

Los hongos presentan básicamente tres tipos de morfologías: una multicelular denominada filamentosa (mohos), otra unicelular denominada levaduriforme (levaduras) y otra fructificante multicelular denomina hongos superiores (setas).

Los hongos filamentosos (miceliares o mohos), representan el crecimiento más típico de los hongos microscópicos. En medios de cultivo sólido y también sobre cualquier superficie en la que se desarrollen, por ejemplo frutas u otros alimentos, producen colonias algodonosas o pulverulentas que son muy características y se pueden ver a simple vista. Al microscopio óptico, los hongos filamentosos presentan unas estructuras tubulares, formadas por múltiples células, que se denominan hifas, las hifas en conjunto se les denomina micelio. En la mayoría de los hongos filamentosos, las hifas son tabicadas y presentan septos que delimitan las diferentes células. Las hifas normalmente se desarrollan a partir de esporas, aunque también pueden originarse a partir de fragmentos de otras hifas, y crecen gracias al depósito de nuevos materiales en su extremo, ramificándose con mucha frecuencia hasta producir una maraña de filamentos que constituyen el micelio.

Los hongos que presentan crecimiento levaduriforme generalmente dan lugar a colonias lisas que recuerdan a las bacterianas en medios de cultivo sólidos. Dichas colonias están formadas por agregados de células individuales (3-10 x 5-30 μm) denominadas levaduras. Los hongos levaduriformes se dividen por gemación o por fisión binaria.

En algunos casos las células hijas no se separan de la célula madre, formándose cadenas cortas denominadas seudohifas.

Los hongos que presentan este tipo de crecimiento, denominado seudomicelio, dan lugar a colonias similares a las que producen los hongos levaduriformes en medios sólidos.

Los hongos obtienen los nutrientes por absorción y tienen un metabolismo quimioheterótrofo, ya que obtienen la energía y el carbono de compuestos orgánicos sintetizados por otros organismos. Este hecho condiciona su modo de vida, ya que en la naturaleza se encuentran asociados a la materia orgánica en descomposición, participando en los ciclos naturales de reciclado del carbono y otros elementos naturales o como patógenos oportunistas de los animales y plantas. Los hongos pueden degradar una gran cantidad de componentes, para lo que disponen de potentes exoenzimas que en algunos casos pueden servirles como factores de virulencia en el hospedador.

En el laboratorio, los hongos crecen fácilmente en la mayoría de los medios de cultivo, necesitando una fuente de carbono orgánica e iones amonio o nitrato como fuentes de nitrógeno. Esta facilidad para crecer en cualquier medio de cultivo y la presencia de conidios en el aire hace que sean contaminantes habituales en el laboratorio. Los hongos filamentosos son aerobios y los levaduriformes anaerobios facultativos. Sus requerimientos de temperatura y de pH son poco exigentes y la mayoría crecen en un rango de pH de 2 a 9 y a temperaturas entre 10 y 40 °C.

2. REPRODUCCIÓN

La mayoría de los hongos se reproducen por esporas, diminutas partículas de protoplasma rodeado de pared celular. El champiñón silvestre puede formar doce mil millones de esporas en su cuerpo fructífero; así mismo, el pedo o cuesco de lobo gigante puede producir varios billones.

Las esporas se forman de dos maneras. En el primer proceso, las esporas se originan después de la unión de dos o más núcleos, lo que ocurre dentro de una o de varias células especializadas. Estas esporas, que tienen características diferentes, heredadas de las distintas combinaciones de genes de sus progenitores, suelen germinar en el interior de las hifas. Los cuatro tipos de esporas que se producen de esta manera (oosporas, zigosporas, ascosporas y basidiosporas) definen los cuatro grupos principales de hongos.

Las oosporas se forman por la unión de una célula macho y otra hembra; las zigosporas se forman al combinarse dos células sexuales similares entre sí. Las ascosporas, que suelen disponerse en grupos de ocho unidades, están contenidas en unas bolsas llamadas ascas. Las basidiosporas, por su parte, se reúnen en conjuntos de cuatro unidades, dentro de unas estructuras con forma de maza llamadas basidios.

El otro proceso más común de producción de esporas implica la transformación de las hifas en numerosos segmentos cortos o en estructuras más complicadas de varios tipos. Este proceso sucede sin la unión previa de dos núcleos. Los principales tipos de esporas reproductivas formadas así son: oídios, conidios y esporangiosporas. Estas últimas se originan en el interior de unos receptáculos, parecidos a vesículas, llamados esporangios. la mayoría de los hongos producen esporas sexuales y asexuales.

La mayoría de los hongos presentan reproducción sexual y asexual. El estado sexual se denomina teleomorfo o meiospórico y el asexual anamorfo o mitospórico.

Los mohos crecen sobre los materiales vegetales produciendo el deterioro de los mismos. Forman metabolitos secundarios que actúan como antibióticos favoreciendo la prevalencia del moho frente a otros microorganismos, muchos de los cuales son tóxicos para plantas y/o animales. Estos metabolitos que enferman o matan a los animales que los consumen se conocen como micotoxinas y la afección se llama micotoxicosis.

3. CLASIFICACIÓN DE LOS HONGOS

Los cuatro filos principales son: oomicetes (oomycota), zigomicetes (zygomycota), ascomicetes (ascomycota) y basidiomicetes (basidiomycota) y sus respectivos individuos forman oosporas, zigosporas, ascosporas y basidiosporas. Una gran variedad de especies se colocan, de forma arbitraria, en un quinto filo: deuteromicetes (deuteromycota), también llamados hongos imperfectos. Se incluyen en este grupo aquellos hongos en los que sólo se conocen procesos de multiplicación vegetativa. Sin embargo, la mayoría de esas especies están emparentadas con los ascomicetes.

3.1 OOMYCOTA

El filo oomicetes (oomycota) se compone de hongos que se parecen a las algas. Abarca desde organismos unicelulares hasta complejas masas de hifas que no están tabicadas por septos (micelios no septados). Además de producir oosporas, los oomicetes forman zoosporas que se mueven por medio de dos flagelos. Se incluyen en el filo los mohos acuáticos, las royas blancas y los mildíus vellosos. La mayoría de los mohos acuáticos viven sobre materia orgánica muerta, aunque Saprolegnia parasitica, parasita peces vivos. Las royas blancas y los mildíus vellosos, pertenecientes al orden peronosporales,

son parásitos de plantas. En algunos mildíus vellosos, por ejemplo en los géneros Phytophthora y Peronospora, los receptáculos que contienen las zoosporas pueden estar modificados; en ese caso, los receptáculos se parecen a los conidios y funcionan como tales.

3.2 ZYGOMYCOTA

Los hongos pertenecientes al filo zigomicetes (zygomycota) se caracterizan por formar zigosporas con gruesas paredes, de origen sexual y esporangiosporas no nadadoras, de origen asexual. El moho negro del pan (Rhizopus nigricans), un representante bien conocido de este grupo del orden mucorales, produce masas de hifas sobre pan, fruta y otros alimentos deteriorados. Los hongos del orden entomoftorales son parásitos de las moscas y de otros insectos. Tienen esporangiosporas sencillas dentro de unos receptáculos; en el interior de cada uno de ellos se desarrollan unas estructuras que llegan a independizarse y funcionar como conidios. El orden zoopagales comprende hongos parásitos de amebas, nematodos y artrópodos.

3.3 ASCOMYCOTA

Los hongos del filo ascomicetes (ascomycota), también llamados hongos con forma de saco, producen un número determinado de ascosporas en el interior de unas bolsas semejantes a vesículas, denominadas ascas. Con la excepción de algunas levaduras y otros pocos organismos, los ascomicetes tienen hifas bien desarrolladas, por lo general con un único núcleo en cada hifa. Ciertas células se transforman en binucleadas poco antes de la formación de los sacos esporales. La unión de los núcleos se da en las ascas jóvenes; tras la posterior división, suelen producirse ocho núcleos, los cuales darán lugar a las ascosporas. Algunos ascomicetes tienen sólo una ascospora; otros pueden tener varios cientos. Las tres clases principales de este filo son: hemiascomicetes, euascomicetes y loculoascomicetes. Los hemiascomicetes abarcan a las levaduras y otros hongos similares, cuyas ascas no se forman dentro ni sobre un soporte de masas de hifas. La levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae), además de reproducirse por medio de ascosporas, lo hace también mediante unas protuberancias, o yemas, que a la larga se separan de las células parentales. Las levaduras del género Schizosaccharomyces se dividen por fisión.

Los tipos más simples entre los miembros de la clase euascomicetes, como los pertenecientes al orden eurotiales, son aquellos cuyas ascas están esparcidas por todo el interior de unas bolas de hifas, llamadas cleistotecios. Los hongos pertenecientes al orden erisifales, un grupo de parásitos de plantas llamados los mildíus de la podredumbre, tienen cleistotecios con formas especializadas. Algunos ascomicetes, que se suelen denominar pirenomicetes, tienen ascas originadas en el interior de unas estructuras con forma de matraz llamadas peritecios. Muchos peritecios se desarrollan sobre una masa de hifas que sirve de soporte, que se llama ascocarpo. Las colmenillas o morchelas, las trufas y pezizas, son ascocarpos muy conocidos, con las ascas situadas en la cara superior de los cuerpos fructíferos. Otro pirenomicete, el moho rojo del pan (del género Neurospora), se ha utilizado comúnmente en el estudio de la herencia genética.

Los miembros de la clase loculoascomicetes difieren de los grupos descritos anteriormente por tener ascas con doble pared que se forman dentro de unas cavidades

que hay en el interior de la masa de hifas. Algunos órdenes representativos de este grupo son: miriangiales, dotideales y pleosporales.

3.4 BASIDIOMYCOTA

El filo basidiomicetes (basidiomycota) comprende numerosos y variados tipos de hongos, cuyas estructuras reproductoras son basidios que se localizan en las puntas de las hifas, sobre unos salientes con forma de tallo. Lo normal es que, en cada basidio, se formen cuatro basidiosporas. Los basidios pueden ser con forma de maza, cilíndricos u ovales. Las dos clases principales de este filo son: heterobasidiomicetes, que tienen basidios con cuatro células y homobasidiomicetes que, de manera típica, tienen basidios con una célula.

La clase heterobasidiomicetes engloba a algunos importantes parásitos de las plantas, tales como las royas del orden uredinales, o los tizones del orden ustelaginales. Estos grupos tienen basidios que están divididos en varias células, por lo general cuatro, las cuales forman una espora cada una.

Muchas royas, entre ellas Puccinia graminis, la roya negra de los tallos del trigo y de otras gramíneas, tienen un ciclo de vida complicado y requieren vivir en dos huéspedes distintos para producir sus variadas formas de esporas. La roya negra de los tallos del trigo forma unas estructuras pequeñas con forma de matraz llamadas espermatogonias.

En los tizones, las teliosporas se llaman clamidosporas. Estas esporas pueden reinfectar a otras plantas poco después de formarse, pero es más frecuente que germinen en el suelo durante la primavera siguiente. Producen unos filamentos cortos que tienen, aproximadamente, cuatro células. Éstas dan lugar a basidiosporas llamadas esporidios. Entre el resto de los heterobasidiomicetes se agrupan diversos hongos de consistencia gelatinosa de los órdenes auriculariales, dacrimicetales y tremelales.

La clase homobasidiomicetes se subdivide en dos grupos principales que pueden considerarse subclases: himenomicetes, cuyo himenio (superficie en la que se alojan los cuerpos fructíferos) es externo, y gasteromicetes, en los cuales los basidios se forman en el interior del cuerpo fructífero. La mayoría de estos hongos son saprofitos, es decir, viven sobre materia orgánica muerta o en descomposición.

3.5 DEUTEROMYCOTA

La mayoría de los miembros del filo deuteromicetes (deuteromycota) son fases conidiales de ascomicetes; sin embargo, unas pocas especies son zigomicetes o basidiomicetes. Los géneros Aspergillus, Penicillium, Verticillium, Alternaria y Fusarium, pertenecen al orden moniliales. En estos hongos, los oídios y los conidios se forman sobre una almohadilla vellosa de hifas entrelazadas. Los hongos pertenecientes al orden melanconiales, con géneros como Colletotrichum, tienen cuerpos fructíferos semejantes a diminutos platillos, llamados acérvulos. Los conidios de los miembros del orden esferopsidales se originan en el interior de unas estructuras con forma de matraz llamadas picnidios.

ALGUNAS MOHOS PRODUCTORES DE MICOTOXINAS

MICOTOXINAS MOHOS

Ácido ciclopiazónico

Aspergillus caelatusAspergillus flavusAspergillus oryzaeAspergillus tamariiPenicillium camembertiPenicillium chrysogenumPenicillium communePenicillium griseofulvumPenicillium viridicatum

Ácido penicílico

Aspergillus auricomus Aspergillus melleus Aspergillus ochraceus Aspergillus sclerotiorum Aspergillus sulphureus Penicillium aurantiogriseum Penicillium roqueforti Penicillium simplicissimum Petromyces alliaceus

Ácido secalónicoAspergillus aculeatusPenicillium oxalicum

Ácido tenuazónico

Alternaria alternataAlternaria citri Alternaria solani Phoma exigua .Phoma sorghina

AflatoxinasAspergillus flavus Aspergillus nomiusAspergillus parasiticus

Alcaloides del ergotismoClaviceps purpurea Neotyphodium coenophialum Neotyphodium lolii

Altenueno Alternaria alternata.

Alternariol

Alternaria alternata Alternaria brassicae Alternaria citri Alternaria solani

CitocalasinasAspergillus clavatus Phoma herbarum

Las micotoxinas son sustancias de origen fúngico, tóxicas para los animales y para el hombre y se las encuentra generalmente en los granos almacenados. La primera vez que se tuvo conocimiento de su existencia fue cuando se presento el ergotismo, provocado por los esclerocios que reemplazan los granos de diversas gramíneas tales como centeno, rye grass, etc. Estos esclerocios están formados por tejido fúngico y producen problemas al ser ingeridos por los animales. Estos problemas pueden ser de tipo gastrointestinal y producirles la muerte.

Las micotoxinas pueden invadir los cultivos previamente a la cosecha, durante ésta, en el almacenamiento o durante todas estas etapas.

La contaminación de los granos generalmente es un proceso aditivo, el desarrollo de los hongos filamentosos puede comenzar en el campo, aumentar durante la cosecha y el secado y continuar en el almacenamiento.

Los factores más importantes para desencadenar este proceso son el contenido de humedad y la temperatura de los granos.

Los hongos que se presentan con mayor frecuencia son de los géneros Aspergillus, Penicillium y Fusarium.

Otros productos afectados por micotoxinas como resultado de la alimentación con productos contaminados son la carne, la leche y los huevos.

Los hongos que afectan los granos pueden ser clasificados en dos grupos: el primero llamado hongos del campo, que incluyen especies como Alternaria, Cladosporium, Fusarium y Helminthosporium debido a que invaden los granos antes de la cosecha o durante la cosecha. El segundo grupo llamado del almacenamiento está formado principalmente por Aspergillus y Penicillium.

Factores como la actividad del agua, la temperatura de los granos y la aireación son importantes en el deterioro de los granos.

Las micotoxinas son compuestos ubicuos que difieren mucho en sus propiedades químicas, biológicas y toxicológicas. Una micotoxicosis primaria se produce al consumir vegetales contaminados, y secundaria al ingerir carne o leche de animales que comieron forrajes con micotoxinas.

4. UTILIZACIÓN DE LOS HONGOS

Las enzimas hidrolíticas de los hongos se utilizan en diversos procesos industriales. Cuando crecen sobre salvado caliente de trigo o de arroz, algunas especies fúngicas producen una amilasa que se usa en la fermentación alcohólica. Las proteasas que se obtienen de otros hongos se emplean en la fabricación de pegamento líquido. La producción industrial de alcohol etílico (etanol) se realiza por fermentación de melaza de caña de azúcar o de almidón hidrolizado mediante enzimas formadas por otros hongos. En el proceso de elaboración del pan se añade levadura a la masa para producir dióxido de carbono.

Los hongos se utilizan en la producción industrial de ácido cítrico, de ácido glucónico y de ácido gálico, que todavía se emplea en la fabricación de tintas y colorantes. Algunas resinas se elaboran a partir de ácido fumárico formado por el moho negro del pan. El ácido giberélico, que provoca aumento del crecimiento de las células vegetales, lo produce un hongo que causa una enfermedad en las plantas de arroz. Grasas y aceites que se utilizan comercialmente se obtienen de especies de varios géneros y también hay

una especie que es una fuente práctica de proteínas comestibles. La vitamina d se forma al irradiar el ergosterol, una sustancia obtenida a partir de los residuos de la levadura de cerveza. Cierto hongo, semejante a las levaduras, proporciona riboflavina; la biotina se acumula durante el proceso de producción de ácido fumárico por parte de otro hongo. También se utilizan organismos fúngicos en la elaboración del queso roquefort, así como en la maduración del queso camembert.

Los hongos se han utilizado en medicina desde tiempos remotos. El uso de hongos como purgantes ya no es tan común; sin embargo el alcaloide presente en el esclerocio del cornezuelo del centeno se emplea para conseguir contracciones uterinas durante el parto. De los alcaloides del cornezuelo se obtiene también la dietilamida del ácido lisérgico, más conocida como lsd, la cual provoca efectos alucinógenos. La utilización de los antibióticos en la práctica médica comenzó cuando se descubrieron las propiedades antibióticas de la penicilina. Hoy se fabrican muchos antibióticos a partir de microorganismos que no son hongos. La griseofulvina, sin embargo, es un antibiótico antifúngico producido por varias especies de un género de hongos.

CAPITULO IV

LOS VIRUS

1. GENERALIDADES DE LOS VIRUS

Las primeras características diferenciales de los virus con otros agentes fueron: el tamaño estimado por su capacidad de atravesar filtros que retienen a las bacterias y la incapacidad para reproducirse en medios biológicos inertes (como medios de cultivos para bacterias), requiriendo para su propagación de animales o cultivos celulares. Hoy día se sabe que estas características no alcanzan para diferenciar a los virus de otros agentes biológicos, ya que existen bacterias cuyo tamaño puede ser similar al de los virus más grandes, y que otros agentes bacterianos como Chlamydias y Rickettsias, también son parásitos intracelulares obligatorios.

La organización y composición de las partículas virales ofrecen por si características diferenciales importantes con otros agentes. Los virus poseen un solo tipo de ácido nucleico de tamaño relativamente pequeño con respecto a otros agentes biológicos, rodeado por una cáscara o cápside formada por numerosas copias de una proteína o de un número limitado de ellas.

Algunos grupos de virus presentan por fuera de la cápside una envoltura lipídica de origen celular en la que se insertan glicoproteínas. No presentan sistemas enzimáticos propios, por lo que por sí solos no son capaces de replicarse y requieren para su propagación y mantenimiento de células animales, vegetales o bacterias para cumplir su ciclo de reproducción, lo que define su parasitismo celular obligatorio.

Además de su estructura tan simple y particular el modo de reproducción de los virus tal vez sea la característica que justifica que tengan un lugar propio en la escala biológica. A diferencia de lo que sucede con las células, en el momento de su multiplicación, los virus no aumentan de tamaño para su posterior división, por el contrario, la partícula viral es desintegrada y luego sintetizada en cada uno de sus componentes para luego reunirse por ensamblaje. Esta forma tan peculiar de multiplicación en la cual se producen réplicas del virus progenitor es conocida con el nombre de replicación viral, y diferencia claramente a este fenómeno del proceso de división celular utilizado por procariotas y eucariotas.

Los virus son entidades cuyo genoma son elementos de ácido nucleico que se replican dentro de células vivas usando la maquinaria de síntesis celular, determinando la formación de elementos especializados que permiten la transferencia del genoma viral a otras células.

2. MORFOLOGIA Y ESTRUCTURA DE LOS VIRUS

La caracterización de los virus que han sido estudiados ha permitido observar la gran variedad en el tamaño y forma que estos poseen. Es así, que se puede observar un tamaño entre 28 nm en los virus mas pequeños denominados precisamente picornavirus (pico de pequeño) hasta 300 nm en los virus más grandes que se conocen como son los poxvirus. La forma es también muy variada entre los diferentes virus, pudiéndose observar formas icosahédricas o helicoidales en virus que no tiene envoltura por fuera de la cápside hasta formas esféricas, filamentosa o pleomórficas en los virus con envoltura o muy complejos como el virus de la rabia.

La estructura de un virus está basada en su simplicidad, a pesar de esto existe diversidad, lo que es utilizado para la clasificación de los virus.

Los virus presentan una amplia diversidad de formas y tamaños. Son unas 100 veces más pequeñas que las bacterias. La mayoría de los virus estudiados tienen un diámetro de entre 10 y 300 nanómetros. Algunos Filovirus tienen un tamaño total de hasta 1.400 nm, sin embargo, sólo miden unos 80 nm de diámetro. La mayoría de virus no pueden ser observados con un microscopio óptico, de manera que se utilizan microscopios electrónicos de barrido y de transmisión para visualizar partículas víricas.

Las formas más comunes de los virus son las siguientes:

• HELICOIDAL

Las cápsides helicoidales se componen de un único tipo de capsómero apilado alrededor de un eje central para formar una estructura helicoidal que puede tener una cavidad central o un tubo hueco. Esta formación produce viriones en forma de barra o de hilo, pueden ser cortos y muy rígidos, o largos y muy flexibles. El material genético, normalmente ARN monocatenario, pero a veces ADN monocatenario, queda unido a la hélice proteica por interacciones entre el ácido nucleico con carga negativa y la carga positiva de las proteínas. En general, la longitud de una cápside helicoidal está en relación con la longitud del ácido nucleico que contiene, y el diámetro depende del tamaño y la distribución de los capsómeros. El conocido virus del mosaico del tabaco es un ejemplo de virus helicoidal.

• ICOSAÉDRICA

La mayoría de virus que infectan los animales son icosaédricos o casi-esféricos con simetría icosaédrica. Un icosaedro regular es la mejor manera de formar una carcasa cerrada a partir de subunidades idénticas. El número mínimo requerido de capsómeros idénticos es doce, cada uno compuesto de cinco subunidades idénticas. Muchos virus,

como los rotavirus, tienen más de doce capsómeros y parecen esféricos, manteniendo esta simetría. Los ápices de los capsómeros están rodeados por otros cinco capsómeros y reciben el nombre de pentones. Las caras triangulares de éstos también se componen de otros seis capsómeros y reciben el nombre de hexones.

TIPOS DE VIRUS

El material genético y el método por el cual los virus se replican, varían entre los diferentes tipos.

2.1 VIRUS ADN

La replicación del genoma de la mayoría de virus ADN se produce en el núcleo de la célula. Si la célula tiene el receptor adecuado a la superficie, estos virus entran por fusión con la membrana celular o por endocitosis. La mayoría de virus ADN son completamente dependientes de la maquinaria de síntesis de ADN y ARN de la célula huésped, y su maquinaria de procesamiento de ARN. El genoma vírico debe atravesar la membrana nuclear de la célula para acceder a esta maquinaria.

2.2 VIRUS ARN

Los virus ARN son únicos porque su información genética está codificada en ARN; esto quiere decir que usan el ácido ribonucleico (ARN) como material genético, o bien que en su proceso de replicación necesita el ARN. La replicación se suele producir en el citoplasma. Los virus ARN se pueden clasificar en unos cuatro grupos según su modo de replicación. La polaridad del ARN (si puede ser utilizado directamente o no para producir proteínas) determina en gran medida el mecanismo de replicación, y si el material genético es monocatenario o bicatenario. Los virus ARN utilizan sus propias ARN replicases para crear copias de su genoma.

2.3 VIRUS DESNUDOS

La estructura de los virus más simples está compuesta por un solo tipo de ácido nucleico (ADN o ARN) rodeado de una cáscara proteica que se denomina cápside (del griego capsa que significa caja) que resulta de la reunión de subunidades proteicas codificadas por el genoma viral que se ensamblan basados en principios geométricos y pueden determinar diferentes tipos de simetrías (icosahédrica o helicoidal, principalmente) Esta estructura básica de ácido nucleico y cápside recibe el nombre de nucleocápside y constituye en los virus desnudos la partícula viral completa o virus que se diferencia del término virión el cual es utilizado para aquellas partículas virales o virus potencialmente infecciosas. Cuando se observa al microscopio electrónico una cápside viral, pueden observarse estructuras morfológicas denominadas capsómeros que resultan de la unión por enlaces de las subunidades proteicas. La forma de distribución de los capsómeros así como el número de ellos depende de cada tipo de virus.

2.4 VIRUS ENVUELTOS

La estructura de las partículas virales del grupo de virus denominados envueltos, está formada además de la nucleocápside por una envoltura que la rodea de origen celular, y que los virus envueltos obtienen en el proceso de liberación por brotamiento. En dicha envoltura se insertan glicoproteínas de origen viral que reciben el nombre de espículas o glicoproteínas de superficie y que tienen un importante papel de reconocimiento de receptores específicos de la superficie celular en el paso inicial de relación con la célula huésped para la multiplicación viral.

2.5 VIRUS BACTERIANOS (BACTERIOFAGOS O FAGOS)

Virus que infectan células bacterianas. También denominados fagos. Cada bacteriófago tiene un espectro infeccioso muy limitado. Los bacteriófagos son un grupo extremadamente común y diverso de virus. Por ejemplo, los bacteriófagos son la forma más común de entidad biológica en los medios acuáticos; en los océanos hay hasta diez veces más de estos virus que de bacterias, alcanzando niveles de 250 millones de bacteriófagos por milímetro cúbico de agua marina. Estos virus infectan bacterias específicas uniéndose a moléculas receptoras de superficie y entrando en la célula. En un periodo corto de tiempo (en algunos casos en unos minutos), las polimerasas bacterianas empiezan a traducir ARN vírico en proteína.

2.6 VIRUS ANIMALES

Son virus que parasitan células animales, constan de una cubierta proteica o cápsida que envuelve a una molécula de ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN. Generalmente la cápsida va recubierta de una envoltura externa, que es una doble membrana de naturaleza proteica o lipídica. En ella se encuentran glucoproteínas específicas del virus. Normalmente las proteínas de estas membranas víricas son codificadas por genes del virus mientras los fosfolípidos proceden de las membranas de las células hospedadoras.

2.7 VIRUS VEGETALES

Virus que parasitan células vegetales a las cuáles causan enfermedades. Constan de un ácido nucleico encerrado en el interior de una cubierta proteica, y generalmente no presentan ninguna otra envoltura externa. El ácido nucleico puede ser ADN o ARN, de cadena doble o sencilla, circular o lineal. Los grupos de virus vegetales, en la mayoría de

los casos, se denominan de acuerdo con su representante más destacado. Por ejemplo, un grupo que esté muy relacionado con el virus del mosaico del tabaco se conoce como grupo del tabaco.

Existen varios grupos de virus vegetales, algunos ejemplos son: los Tobamovirus, que tienen ARN unicatenario lineal, a este grupo pertenece el Virus del mosaico del tabaco.

3. REPLICACION VIRAL

Una partícula viral puede encontrarse en dos estados: inactiva o activa. Para demostrar el estado inactivo, basta incluir una suspensión de virus en un medio de cultivo y observar que son incapaces de cumplir actividades metabólicas necesarias para su multiplicación. Se deduce de ello, que los virus carecen como ya se mencionó anteriormente de maquinaria enzimática que les permita autorreplicarse, aun cuando se les brinde nutrientes que serían adecuados para la propagación de las bacterias más exigentes.

Pero si una partícula viral es incorporada a células vivas sensibles, se comporta en forma activa, y por lo tanto tomará el comando de la maquinaria enzimática de la célula huésped logrando así su replicación.

La multiplicación de los virus animales, vegetales y bacteriófagos resulta similar en sus principios pero, cada una de ellas tiene particularidades; esto basado principalmente en las diferencias entre las células que infectan.

Las etapas fundamentales de la replicación viral son:

- Adsorción- Penetración- Denudación- Eclipse- Replicación- Maduración- Liberación

4.1 ADSORCIÓN: Intervienen varios factores. Hay una atracción por fuerzas iónicas. A pH 7 los virus y las células tienen cargas negativas de modo que es necesaria la presencia de iones positivos, cumpliendo muy eficazmente este requerimiento los iones de Magnesio. Otro factor importante en esta etapa es la interacción de sitios específicos de la partícula viral con receptores celulares específicos. Esto determina la especificidad de algunos virus para crecer en células de origen específico, por ejemplo, el virus de polio sólo puede crecer en células de origen humano y de primates. Otros virus presentan estructuras especializadas en su superficie que les permiten cumplir con esta etapa de forma muy especializada. Estas estructuras son glicoproteínas las cuales reconocen receptores celulares específicos y se pueden aislar hoy día esos elementos en forma de complejos virus-célula. 4.2 PENETRACIÓN: La penetración de los virus una vez adsorbidos, puede realizarse de varias maneras:

• POR VIROPEXIS: Es un proceso de fagocitosis, por el cual se produce una invaginación de la membrana plasmática, de modo que el virus queda englobado en una vesícula dentro del citoplasma celular. Es el mecanismo más común de penetración de los virus.

• POR PENETRACIÓN: En algunos, la penetración acontece por un simple cruce de la membrana plasmática, así la partícula viral queda directamente incluida en el citoplasma.

• POR FUSIÓN: Otro tipo de penetración se da por fusión de la envoltura viral con la membrana plasmática. También en este caso el virus es directamente incorporado al citoplasma.

4.3 DENUDACIÓN Y ECLIPSE: En esta etapa se produce la desintegración del virus, dejando libre al ácido nucleico, que comanda su propia replicación y la de las proteínas necesarias para integrar nuevas partículas.

La forma en que un virus pierde la cápside y su envoltura, en el caso de tenerla, es característico de cada grupo de virus. En los poliovirus parece existir una integración con los constituyentes celulares, tales como los receptores. En otros virus, como los poxvirus y los reovirus el proceso es más complejo.

4.4 REPLICACIÓN DEL ÁCIDO NUCLEICO: La replicación es un fenómeno muy heterogéneo por cuanto existe mucha variedad en los ácidos nucleicos de origen viral; se recordará que hay ADN y ARN muy diferentes, de una o dos hebras, segmentados o no. En todos los casos, el genoma viral es el elemento capaz de gobernar su autorreplicación y de trasmitir la información estructural y funcional a la progenie resultante de una infección. No obstante, la diversidad señalada, intervienen en la replicación elementos comunes que vale la pena destacar, tales como la formación de un ARN mensajero capaz de traducir en el ribosoma celular las proteínas codificadas por el genoma viral.

Además, sea cual sea el ácido nucleico, siempre se diferencian dos conjuntos de genes, los precoces y los tardíos. Los primeros serían los encargados de codificar proteínas necesarias para la copia de la molécula de ácido nucleico, y los tardíos encargados de codificar proteínas estructurales y proteínas para el ensamblaje.La replicación puede producirse en el núcleo o en el citoplasma de la célula, y eso dependerá del tipo de ácido nucleico que constituye el genoma viral. Los virus que contienen ARN se replican en el citoplasma, mientras que aquellos que tienen ADN se replican en el núcleo, excepto en el caso del grupo del virus de la viruela, que a pesar de tener ADN su replicación se realiza en el citoplasma.

4.5 MADURACIÓN Y LIBERACIÓN: Hay virus cuya única cubierta es la cápside, son virus desnudos, en contraposición a aquellos que poseen envoltura por fuera de la cápside que son los virus envueltos. Es conveniente considerarlos por separado en este punto que significa la culminación en la formación de una progenie viral. Para los virus desnudos, el fenómeno de maduración consiste simplemente en la unión de los capsómeros para formar la cápside y la posterior unión de esta con el genoma. Parece existir una diferencia en la maduración de este grupo de virus dependiendo de que el ácido nucleico sea ADN o ARN.

Para los que tiene ADN, la síntesis del ADN se realiza con anticipación a la aparición de elementos estructurales, mientras que para los virus ARN se ha demostrado con aminoácidos radioactivos que las cadenas polipeptídicas son reunidas muy pronto en capsómeros y rápidamente estas en cápsides, y que existe concordancia con la síntesis de la molécula de ARN.

La liberación en este grupo de virus depende mucho del tipo de virus y de las características de la célula huésped. Los poliovirus son liberados rápidamente de las células HeLa o HEp-2; la liberación se realiza por rotura de vacuolas superficiales.

En los virus ADN que maduran en el núcleo, el tiempo de liberación es mayor que el ejemplo anterior, ya que la liberación se lleva a cabo por autólisis celular.

En los virus que poseen envoltura, la maduración es más compleja, ya que además de la unión del ácido nucleico con la cápside, el virus debe rodearse de la envoltura. Luego de haberse formado la cáspide, la partícula se aproxima a la membrana plasmática, produciéndose la invaginación de la membrana con el posterior desprendimiento del brote. El brotamiento puede ser explicado por una relación entre las proteínas de la membrana plasmática y la nucleocápside. Por lo general, la liberación de la partícula se da al culminar el brotamiento de la membrana celular.

Figura. Etapas de la replicación viral.

EFECTOS EN LA CÉLULA HUÉSPED

La variedad de efectos estructurales y bioquímicos de los virus sobre las células huésped es grande. Reciben el nombre de «efectos citopáticos. La mayoría de infecciones víricas acaban provocando la muerte de la célula huésped, entre cuyas causas están la lisis de la célula, las alteraciones de la membrana superficial de la célula y la apoptosis. A menudo, la muerte de la célula es causada por el paro de sus actividades normales debido a la supresión por proteínas específicas del virus, que no son todas componentes de la partícula vírica.

Algunos virus no causan cambios aparentes en la célula infectada. Las células en que los virus son latentes e inactivos presentan pocos signos de infección y a menudo funcionan normalmente. Esto causa infecciones persistentes y el virus a menudo permanece durmiente durante muchos meses o años. Este suele ser el caso del herpes simple. Algunos virus, como el virus de Epstein-Barr, a menudo hacen proliferar las células sin causar malignidad, pero otros, como los papilomavirus, son una causa demostrada de cáncer.

CAPITULO V

LAS ALGAS

1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS ALGAS

- Son primariamente fotoautotrofas.- La mayoría poseen pared celular, que contiene carbonato silico o sílice; es una

proteína.- La mayoría viven en el agua, otras en rocas, plantas y en animales.- Su color varia, las hay verdes (clorofilas), rojas, amarillas, cafés. Las tres últimas, su

color se debe a los pigmentos accesorios, que le dan esa característica a las algas para poder atrapar la luz solar a distintas profundidades. Se clasifican en:

2. UNICELULARES

• Unicelulares móviles por flagelos.• Unicelulares inmóviles.• Ameboides (no tienen pared celular).

Algunas unicelulares se agrupan unidas por mucílagos formando el cenobio.

3. MULTICELULARES

• Algunas algas se agrupan formando tejidos filamentosos, acintados, cenociticos y septados, en forma de “hojas”, talo.

- Poseen pigmentos accesorios: ficobilina, xantofila, carotenos.- Tienen clorofila: A, B, C, D, E y la combinación de estas dando como por ejemplo, A1,

B2, E2, ETC. Los tipos de algas están dadas por su pigmentación.- todas poseen sustancias de reserva (almacenan la energía producida por el

desdoblamiento de algunos organelos (ATP). Estas sustancias de reserva son:

* Almidón. * Paramilo. * Almidón de florideas. *sicolaminina. * Glucosa. * Leucoplastos. * Aceites.

- Su movimiento se debe gracias a los flagelos, estos están formados por microtubulos, 2 centrales y 9 periféricos.

- Su tamaño va desde unas micras hasta unos 100 mt de largo.

Las algas son habitantes de todos los ambientes, no solo en cuerpos de agua estables sino también en aquellos expuestos a la desecación: sobre rocas desnudas, fuentes

termales (en donde soportan altas temperaturas), nieves, glaciares. Es común encontrarlas en lugares con poca luz, a grandes profundidades. Esta capacidad está condicionada por la falta de exigencias y su capacidad de adaptación. Para poder subsistir necesitan una mínima concentración de nutrientes, una débil intensidad luminosa y temperaturas bajas. Cuando se forma un nuevo hábitat las primeras especies que colonizan son algas.

Las algas son responsables de diferentes fenómenos, dependiendo esto del tipo de alga y el medio ambiente en el cual se desarrollan. Actualmente se presta cada vez más atención a las algas que generan sustancias tóxicas que causan la muerte de muchos animales salvajes y domésticos. Sin embargo, hay pocos informes relativos a algas tóxicas para el hombre.

4. CLASIFICACIÓN DE ALGUNAS ALGAS

4.1 ALGAS PARDAS: nombre que reciben unas 1.500 especies de algas marinas de color pardo conocidas también como feofitos. Se encuentran en las zonas agitadas de los mares polares, aunque hay algunas en las profundidades oceánicas. Son las algas de mayor tamaño conocido, con formas tan populares como la laminaria gigante o las malas hierbas flotantes que aparecen en grandes masas en el mar de los Sargazos. Su color se debe a la presencia del pigmento fucoxantina, que, junto con otros pigmentos xantofílicos, enmascara el color verde de la clorofila en las células vegetales.

4.2 ALGAS ROJAS: nombre que reciben los miembros del filo Rodofitos (Rhodophyta), un grupo de algas con más de 3.000 especies. Las algas rojas se caracterizan por tener pigmentos ficobilínicos que les confieren el color rojizo (ficoeritrina y ficocianina), debido a que enmascaran el color de las clorofilas. La mayoría de las especies crecen cerca de las costas tropicales y subtropicales debajo de la línea intermareal. Algunas son de agua dulce otras son marinas. Las algas rojas proporcionan una serie de coloides, principalmente agar-agar y carragenina. Entre ellas se encuentran: la "chasca" o "champa", el "pelillo" o "carminco", la "chicoria", el "llapín" y el "liquen gomoso", frecuentemente unicelulares. De ellas se extraen productos para la fabricación de agar muy útil para cultivos de laboratorio.

Son comunes en mares cálidos y solo pocas especies se encuentran en agua dulce (ej. Compsopogon sp que se encuentra presente en aguas dulces de zonas tropicales y Batrachospermum sp). Sus tamaños varían desde formar macroscópicas a microscópicas, generalmente adheridas a sustratos. Son comunes en mares tropicales pudiendo llegar hasta grandes profundidades (200 metros).

4.3 ALGAS VERDES: nombre que reciben los miembros de un filo o división de algas que suman entre 6.000 y 7.000 especies. Se las conoce con el nombre de algas verdes o clorófitas, debido al intenso color que otorga la clorofila a y b. Se cuentan entre los organismos más antiguos; la primera alga verde aparece en el registro fósil hace más de 2.000 millones de años. Se las considera predecesoras de las plantas verdes terrestres.Por lo general, todas estas especies se pueden ver a lo largo de las orillas rocosas de los mares septentrionales durante la bajamar.

Las algas marinas se diferencian de las plantas superiores porque carecen de tallos, hojas, raíces y sistemas vasculares verdaderos. En lugar de esto, se anclan a objetos sólidos mediante un órgano llamado hapterio o háptero y absorben los nutrientes directamente del agua, fabricando su alimento a través de la fotosíntesis.Algas planctónicas y bentónicas.

Las algas pueden llegar a ser importantes constituyentes de la flora del suelo y pueden existir incluso en situaciones tan extremas como sobre la nieve, entre las arenas del desierto o en aguas termales cuya temperatura está por sobre los 80 ºC. Sin embargo, su mayor desarrollo y diversidad se ha logrado en el mar. Allí viven en dos tipos de situaciones muy distintas: algunas viven flotando en las capas más superficiales de agua, son generalmente unicelulares y se les reconoce con el nombre general de algas planctónicas. Otro grupo vive adherido a rocas, piedras y bolones y se les conoce como algas bentónicas. Ambos grupos son los productores más importantes en el mar y la base de todas las cadenas tróficas allí existentes; sin embargo, sólo las algas bentónicas tienen importancia económica directa.

4.4 DIATOMEAS: Las diatomeas son organismos muy expandidos, presentes en diversos hábitats, acuático y terrestre capaz de conservar una cierta humedad. Muchas especies son bénticas y se adhieren a rocas y otros sustratos. Entre las especies planctónicas son muchas las sensibles a los cambios físico-químicos del agua, por lo que se convierten en excelentes indicadoras del medio en que viven. Son ampliamente utilizadas en el monitoreo biológico de ríos, lagos y lagunas.

Es utilizada en la fabricación de material plástico, dinamita, filtros de porcelana, dentífricos y otros, y su empleo en el ámbito industrial aumenta día a día. Es un material que una vez procesado es inerte desde el punto de vista químico. Se utiliza como ayuda en el filtrado, como material de relleno en pinturas, barnices y papeles. Es importante en la refinación del azúcar y en la industria de la cerveza. También se agrega en la industria de los vinos como ayuda para el filtrado y con el mismo fin se utiliza en la fabricación de antibióticos. Son excelentes indicadores biológicos que permiten reconocer el grado de polución, salinidad, pH.

4.5 ALGAS DORADAS O ALGAS VERDE-AMARILLAS: es un grupo extenso de algas del filo Heterokontophyta que viven principalmente en agua dulce. Presentan una gran variedad en morfología y modos de nutrición; la mayoría son fotoautótrofos, aunque también hay heterótrofos. Viven en la mayoría de los lagos y lagunas de aguas dulces limpias y frías, y algunas especies son marinas. Generalmente se presentan como formas unicelulares flageladas, muchas forman colonias con formas, incluso, muy elaboradas. Las formas marinas poseen intrincados esqueletos silíceos.

La mayoría de los miembros son unicelulares flagelados con dos flagelos visibles, como en Ochromonas, o a veces uno, como en Chromulina. La mayor parte no tiene ninguna cubierta celular. Sin embargo, algunos tienen armaduras o conchas, tales como Dinobryon, que es sésil y crece en colonias ramificadas. La mayoría de las formas con placas silíceas se consideran ahora un grupo separado, Synurophyceae, pero algunas todavía se incluyen aquí, por ejemplo Paraphysomonas.

Algunos miembros son generalmente ameboides, con largas extensiones celulares ramificadas, aunque si ciclo biológico incluye también etapas flageladas. Chrysamoeba y Rhizochrysis son ejemplos típicos. Hay también una especie, Myxochrysis paradoxa, que tiene un complejo ciclo biológico que incluye una etapa plasmodial multinucleada, similar a las encontradas en Myxomycota. Éstos fueron

tratados originalmente como la orden Chrysamoebales.

CUADRO RESUMEN

Tipo de algas

Pigmentos fotosinteticos

FlagelosReservas

alimenticias.Adicional

Algas azul-verdes

Clorofila a-Biliproteinas No hay

Almidon de cianoficeas.

Organización celular procariota, no hay membranas dobles de núcleos, cloroplastos o mitocondrias, reproducción sexual por conjugación,?,amitosis

Algas rojas.

Clorofila a y +-

dBiliproteinas

No hay

Almidón de florideas.

Estructura celular eucariótica, reproducción sexual oógamica, detalles y procesos que siguen a la reproducción sexual, usualmente complejos, en su mayoría plantas marinas.

Algas amarillo verdosas

Clorofila a Uno tipo tinsel y uno látigo, de longitud desigual.

Crisolaminaria; grasas.

Estructura celular eucariótica, básicamente unicelulares o coloniales, sílice a menudo presente en la pared celular o en la pared de las estructuras reproductoras.

Algas doradas

Clorofila a-fucoxantina

En su mayoría uno de tipo tinsel

Crisolaminaria; grasas.

Algas diatomeas

Clorofila a y cfucoxantina

En su mayoría no flageladas

Crisolaminaria; grasas.

Algas pardas

Clorofila a y cfucoxantina

Uno tinsel y uno tipo látigo

Laminaria

Estructura celular eucariótica, flagelos lateralmente insertos, las algas de mayor tamaño y vegetativamente las mas complejas, fundamentalmente organismos marinos de la zona litoral de las aguas frías.

Algas verdes Clorofila a y b

Generalmente 2 (o mas) de tipo látigo

Almidón verdadero

Estructura celular eucariótica, pared celular celulosita, estructuras reproductoras unicelulares.

5. BENEFICIOS DE LAS ALGAS

Los principales beneficios que proporcionan las algas son:

- La producción del 75% del oxígeno atmosférico. Si no fuera por estos organismos, el aire se iría empobreciendo rápidamente de oxígeno. A sí mismo, toman grandes cantidades de CO2 para sus funciones fotosintéticas, con lo cual colaboran a purificar la atmósfera y mantener el equilibrio entre el CO2 y O2.

- Forman parte del plancton que alimenta a los organismos marinos. El peso de las algas marinas sobrepasa varias veces el peso de todas las plantas de los bosques y las selvas de la tierra. Sin las algas la cadena alimenticia en el mar quedaría truncada y se destruiría la fauna marina.

- Una ventaja de las algas es que por ser autótrofas no necesitan vivir a expensas de otros organismos y casi nunca son causa de enfermedades. Pequeños inconvenientes para el turismo puede ser la invasión de las playas por algas arrastradas por el mar.

Un daño serio se da en las algas de agua dulce que se reproducen altamente en las represas y lagos causando autotroficación o aumento de estos vegetales, lo cual reduce la capacidad de embalse. Con el tiempo se logrará reducir este riesgo incluyendo en estos ecosistemas animales herbívoros que eliminen el exceso de algas.

CAPITULO VI

LOS PARASITOS

1. CONCEPTOS BASICOS

• PARÁSITO: es cualquier organismo que vive sobre o dentro de otro organismo vivo, del que obtiene parte o todos sus nutrientes, sin dar ninguna compensación a cambio al hospedador. En muchos casos, los parásitos dañan o causan enfermedades al organismo hospedante.

Ciertos parásitos como los piojos, que habitan sobre la superficie del que los hospeda, se denominan ectoparásitos. Los que viven en el interior, como por ejemplo los nematodos parásitos, se conocen como endoparásitos.

Los parásitos permanentes pasan la mayor parte de su ciclo vital dentro o sobre el organismo al que parasitan. Los parásitos temporales viven durante un breve periodo en el huésped, y son organismos de vida libre durante el resto de su ciclo vital.

Los parásitos que no pueden sobrevivir sin el huésped, se llaman parásitos obligados. Los parásitos facultativos son aquellos que pueden alimentarse tanto de seres vivos como de materia muerta.

Los parásitos heteroicos, como las duelas del hígado, necesitan alojarse en animales diferentes en cada fase de su ciclo vital. Los parásitos autoicos, como las lombrices intestinales, pasan los estadios parásitos de su ciclo vital en un único huésped. La ciencia que estudia a los parásitos se denomina parasitología.

Las ramas de la parasitologia son la protozologia (protozoarios) helmintologia (helmintos-gusanos) entomologia medica (artrópodos de interés médico).

• PARASITISMO. Este tipo de asociación sucede cuando un ser vivo (parásito) se aloja en otro de diferente especie (huésped u hospedero) del cual se alimenta. El parasitismo abarca desde los virus hasta los artrópodos, pero por costumbre se ha restringido el término parásito para aquellos organismos que pertenecen al reino animal.

• COMENSALISMO. Se presenta cuando dos especies diferentes se asocian en tal forma que solamente una de las dos obtiene beneficio, pero ninguna sufre daño. Un ejemplo de esto ocurre con ciertos peces (rémoras), que viven adheridos al dorso de tiburones e ingieren restos de alimentos que consumen éstos. En parasitología se consideran parásitos comensales los que no producen daño al huésped, por ejemplo algunas amibas no patógenas.

• INQUILINISMO. Ocurre cuando un ser se aloja en otro sin producirle daño y sin derivar alimento de él. Existe un pez que vive en el cuerpo de ciertos equinodermos de donde sale para nutrirse. Algunos consideran que la hembra de Schistosoma vive como inquilino en el cuerpo del macho.

• SIMBIOSIS. Sucede cuando dos especies diferentes se asocian para obtener beneficio mutuo, sin el cual no pueden subsistir. El ejemplo clásico es lo que ocurre con los comejenes, los cuales al no poseer enzimas digestivas, se asocian con ciertos protozoos que en su tubo digestivo transforman la celulosa en azúcar, proporcionando alimento para ambos.

• HUÉSPED U HOSPEDERO. Se utilizan para denominar al animal que recibe el parásito. Se denomina huésped definitivo al que tiene el parásito en su estado adulto o en el cual se reproduce sexualmente. Se llama huésped intermediario al que tiene formas larvarias en desarrollo o en el cual se reproduce de manera asexual. Huésped paraténico o transportador es el que tiene formas larvarias que no se desarrollan. Ejemplos: el hombre es huésped definitivo de Ascaris lumbricoides, los caracoles son huéspedes intermediarios de Fasciola hepatica y los peces son huéspedes paraténicos de Gnathostoma spinigerum.

• RESERVORIO. Se considera reservorio al hombre, animales, plantas o materia inanimada, que contengan parásitos u otros microorganismos que puedan vivir y multiplicarse en ellos y ser fuente de infección para un huésped susceptible. En el caso de las parasitosis humanas el hombre es el principal reservorio, debido a que la mayoría de los parásitos que lo afectan pasan de hombre a hombre. Un ejemplo de animal reservorio es el perro para Leishmania.

• VECTOR. Se considera en parasitología que el vectores un artrópodo u otro animal invertebrado que transmite el parásito al huésped, bien sea por inoculación al picar, por depositar el material infectante en la piel o mucosas o por contaminar alimentos u otros objetos. Los vectores pueden ser sólo portadores mecánicos de los parásitos como en el caso de moscas o cucarachas, o ser verdaderos portadores biológicos cuando los parásitos se multiplican en ellos o las larvas se transforman para ser infectantes. El mosquito Anopheles es el vector de Plasmodium y el mosquito Aedes es el vector de la filaría Wuchereria bancrofti.

2. CLASIFICACION GENERAL DE LOS PARASITOS

Los parásitos se clasifican en protozoos (unicelulares) y helmintos (nemátodos y platelmintos).

2.1 LOS PROTOZOOS (PROTOZOARIOS)

Se agrupan en el reino Protista y el subreino Protozoa, son organismos unicelulares que siempre hemos denominado protozoos o protozoarios, unos de vida libre y otros parásitos de animales y plantas.

Son microscópicos y se localizan en diferentes tejidos. Algunos son inofensivos, otros producen daños importantes que trastornan las funciones vitales con producción de enfermedad y en ciertos casos la muerte del huésped.

2.1.1 MORFOLOGÍA: La mayoría de los protozoos son móviles en una etapa de su desarrollo, lo que se conoce con el nombre de forma vegetativa o trofozoíto. Algunos de éstos tienen la capacidad de transformarse en una forma de resistencia, conocida como quiste. Los trofozoítos constan de membrana, citoplasma y núcleo. Se movilizan a través de flagelos, cilios o pseudópodos para buscar su alimento o su huésped.

2.1.2 FISIOLOGÍA: En los seres unicelulares existen ciertas partes de la célula llamadas organelas, que se especializan en llevar a cabo funciones vitales como alimentación, respiración, reproducción y locomoción. La alimentación se realiza mediante diferentes mecanismos.

El más simple es la osmosis, que consiste en el intercambio de sustancias orgánicas disueltas en el medio donde viven, a través de su membrana. Otro procedimiento es la fagocitosis, que se realiza por medio de prolongaciones de su ectoplasma o seudópodos, las cuales engloban las partículas alimenticias hasta incorporarlas al citoplasma. Un tercer mecanismo se observa en ciertos protozoos que utilizan sus cilias o flagelos para acercar los nutrientes a una boca o citostoma por donde penetran a la célula.

El metabolismo se lleva a cabo en las vacuolas donde se producen enzimas digestivas. Los residuos de este metabolismo se eliminan a través de la membrana celular, en algunas especies se hace por un orificio excretor llamado citppigio, en otras sólo se liberan los residuos cuando sucede la ruptura de la célula, como es el caso de la liberación del pigmento malárico, en los protozoos del género Plasmodium.

La respiración en algunos protozoos es aerobia y en otros, anaerobia. En la primera toman el oxígeno de su medio ambiente y expulsan el dióxido de carbono a través de la membrana celular. En la segunda necesitan metabolizar ciertas sustancias de las cuales obtienen el oxígeno.

2.1.3 REPRODUCCIÓN: Los protozoarios se multiplican por reproducción asexual y sólo algunos tienen reproducción sexual. La asexual tiene dos modalidades.

• División binaria. Consiste en la división longitudinal o transversal de las formas vegetativas, de la cual resultan dos nuevos seres iguales al primero.

• División múltiple. Ocurre cuando una célula da origen a varias formas vegetativas. Se llama esquizogonia cuando el núcleo del trofozoíto se divide varias veces para dar origen a una célula multinucleada; posteriormente cada nuevo núcleo se rodea de

una porción del citoplasma de la, célula madre y luego se separa en organismos independientes.

2.1.4 CLASIFICACION TAXONOMICA

• Rizópodos: se desplazan por medio de pseudópodos, que son prolongaciones citoplasmáticas. Ejemplo las amebas5.

• Ciliados: se desplazan por medio de cilios, que son vellosidades cortas y abundantes que rodean el cuerpo del parásito. Ejemplo el Paramecium1 y Balantidium4.

• Flagelados: Se desplazan mediante flagelos, que son estructuras largas en forma de látigos y que pueden estar en un polo del cuerpo del parásito o en ambos extremos, de manera unitaria o en parejas. Ejemplo Giardia lamblia2 y Trypanosoma3

• Esporozoos: que no presentan movimiento, generalmente son parásitos intracelulares obligados. Ejemplo el Plasmodium y el Toxoplasma gondii.

Morfologías de diversos protozoos

2.2 LOS HELMINTOS

Los helmintos o vermes, comúnmente llamados gusanos, son seres multicelulares o metazoarios, ampliamente distribuidos en la naturaleza. Muchos de ellos viven libremente y otros se han adaptado a llevar vida parasitaria en vegetales, animales o en el hombre.

Los helmintos se dividen en dos grandes grupos que son los nemátodos o nematelmintos, y los platelmintos.

2.2.1 MORFOLOGÍA Y FISIOLOGÍA

Los nematelmintos o nemátodos y los platelmintos difieren morfológicamente en que los primeros poseen cuerpo cilíndrico, cavidad corporal y tubo digestivo completo, mientras que los segundos son aplanados, sin cavidad corporal y aparato digestivo muy rudimentario. Son ovíparos.

Todos presentan el sistema reproductor muy desarrollado y la mayoría de los platelmintos son hermafroditas. lo cual es una defensa de estos parásitos a las dificultades para mantener la especie: esto requiere que haya enorme número de huevos o lanas en la descendencia, para que al menos algunas puedan llegar, a veces por mecanismos biológicos complicados, a invadir nuevos huéspedes.

El sistema excretor es sencillo, usualmente constituido por tubos colectores que desembocan al exterior del parásito. El sistema nervioso es rudimentario y sirve para originar el movimiento y la respuesta a los estímulos. Algunos helmintos tienen la capacidad de trasladarse por movimientos reptantes. No hay un sistema circulatorio propiamente y carecen de aparato respiratorio; la mayoría son anaerobios facultativos. La cavidad, donde se encuentran los órganos, contiene líquido y es llamada pseudocele o pseudoceloma.

2.2.2 PLATELMINTOS: gusanos de cuerpo plano, entre los que se incluyen:

• CESTODOS:

Son hermafroditas, tienen el cuerpo plano y segmentado, y cuando parasitan al hombre en su estadio adulto, se ubican en intestino delgado. El órgano de fijación es el escólex, provisto de estructuras especialmente adaptadas para esta función, estas pueden ser ventosas y bótrides o ganchos. Del escólex surge un cuello del que se genera el cuerpo, por brotación, constituido por segmentos, denominados proglótides. Cada proglótide es una unidad funcional completa; a medida que se alejan del cuello van madurando, denominándose a los más distantes proglótides maduros. En ellos el útero ocupa casi su totalidad y se encuentran repletos de huevos, los que se liberarán al romperse los segmentos. Se los conoce como tenias por ejemplo Taenia saginata, Taenia solium, Echinococcus granulosus, etc.

Céstodo

• TREMATODOS

A excepción del género Schistosoma, también son hermafroditas y su cuerpo es chato pero indiviso. El estadio adulto es parásito de vertebrados, está cubierto por una cutícula resistente y presentan discos suctorios, órganos de fijación, en la cara ventral. Poseen un tubo digestivo incompleto que se inicia en la boca, llamada citostoma. Poseen un poro genital por donde se eliminan los huevos. El ciclo evolutivo es indirecto y cumplen parte de él en el agua. Los huevos, a excepción del género Schistosoma, presentan un opérculo por el que se libera la larva, denominada miracidio. El primer huésped intermediario es un molusco, puede haber un segundo huésped intermediario dependiendo de la especie.

Tremátodos

2.2.3 NEMATELMINTOS O NEMATODOS:

Son gusanos cilíndricos, tienen sexos separados. Su cuerpo esta recubierto por una cutícula, con cavidad pseudocelómica, tubo digestivo completo que se inicia en la boca y termina en el ano. La boca está rodeada por tres labios, salvo en las uncinarias que presentan una cápsula bucal con elementos cortantes; estas estructuras producen pequeños pero múltiples traumas en la mucosa intestinal que contribuyen a la producción de la anemia macrocítica que suele asociarse a estas parasitosis. Los huevos tienen diferentes características que son útiles para el diagnóstico de las diversas especies. Del huevo se liberará una larva, en el tubo digestivo o en el medio ambiente. Los estadios larvarios son varios y se producen mudas entre estadio y estadio. El hombre se infecta por vía oral, como en el caso de Ascaris lumbricoides, por vía cutánea, como en el caso de las uncinarias o por vía parenteral, como por ejemplo las filarias. Sólo unas pocas especies son parásitos del hombre y existen, a diferencia de los cestodes y tremátodes, muchos nematodos de vida libre.

CAPITULO VII

FERMENTACIONES

1. GENERALIDADES SOBRE FERMENTACION

La fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta, totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico. Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de fermentaciones.

Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas son capaces de realizarla.

El proceso de fermentación es anaeróbico ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído, piruvato,...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado anteriormente.

En los seres vivos, la fermentación es un proceso anaeróbico y en él no interviene la mitocondria ni la cadena respiratoria. Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias y levaduras. También se produce la fermentación en la mayoría de las células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular; algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno a las células musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.

Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son muy poco rentables si se comparan con la respiración aerobia, ya que a partir de una molécula de glucosa sólo se obtienen 2 moléculas de ATP, mientras que en la respiración se producen 36. Esto se debe a la oxidación del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria, cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.

En la industria la fermentación puede ser oxidativa, es decir, en presencia de oxígeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la producción de ácido acético a partir de etanol.

Las fermentaciones pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el contacto referido.

TIPOS DE FERMENTACIONES

2.1 FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico que además de generar etanol desprende grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) además de energía para el metabolismo de las bacterias anaeróbicas y levaduras.

La fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (CH3-CH2OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.1 Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible. La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.

2.1.1 HISTORIA

La hidromiel es una bebida fermentada a base de miel y agua muy típica de los vikingos. La humanidad emplea la fermentación alcohólica desde tiempos inmemoriales para la elaboración de cerveza (empleando cereales) y del vino (empleando el fruto de la vid: la uva en forma de mosto) fundamentalmente. Los griegos atribuían el descubrimiento de la fermentación al dios Dionisio. Algunos procesos similares como el de la destilación alcohólica ya surgen en el año 1150 de la mano de Arnau de Vilanova. Fue un elemento más a considerar en el desarrollo histórico de la alquimia durante la Edad Media. En el año 1864 se identificó el gas CO2 resultante de la fermentación por el químico MacBride y en 1766 Cavendish lo describió como: "el gas existente en la atmósfera" determinando además la proporción de dióxido de carbono con respecto al azúcar empleado en el proceso, que rondaba el 57%. En esta época se empezó a descubrir, gracias observaciones científicas, que la fermentación alcohólica se producía también en substancias "no dulces" Antoine Lavoisier hizo experimentos en 1789 determinando las cantidades de los elementos intervinientes en la fermentación (carbono, oxígeno e hidrógeno). Con el advenimiento de los descubrimientos químicos en el año 1815 el investigador francés Joseph Louis Gay-Lussac fue el primero en determinar una reacción de fermentación obteniendo etanol a partir de glucosa, a pesar de este logro los

fundamentos de la fermentación alcohólica eran completamente desconocidos. Existe durante el siglo XIX un debate científico por establecer la hipótesis de la fermentación.

Durante los años 1830s los químicos Jöns Jakob Berzelius y Justus von Liebig desarrollaron una teoría mecanicista que explica la fermentación, teorías que estaban en contraposición con las creencias de Louis Pasteur en el año 1857 que se fundamentaba en la "teoría vitalista" como explicación de los mecanismo básicos de la fermentación, fue el mismo Pasteur que en el año 1875 demostró que la fermentación era un proceso anaeróbico (en ausencia de oxígeno).

En el año 1818 Erxleben, De La Tour en Francia, Schwann y Kützing en Alemania (1837) descubren que las levaduras (organismos microscópicos unicelulares) son la causa del proceso, pero no fue hasta que Eduard Buchner en el año 1897 descubre que la enzima zimasa es la responsable final de la fermentación alcohólica trabajo por el que recibe el premio Nobel de Química. Este descubrimiento atrajo el interés de otros científicos, entre ellos Harden y Young quienes en el año 1904 mostraron que la zimasa perdía sus propiedades fermentativas bajo condiciones de diálisis, demostrando que la fermentación dependía de una sustancia de bajo peso molecular que se quedaba retenida en los finos poros de la membrana de la diálisis. La fermentación podía bajo estas circunstancias volver a ser restablecida añadiendo simplemente de nuevo las levaduras, esta substancia descubierta por Harden y Young se denominó cozimasa, y fue eventualmente encontrada como una mezcla de iones fosfatados, difosfato de tiamida y NAD+. Sin embargo la caracterización de la cozimasa no fue completada hasta el año 1935. El bioquímico Otto Heinrich Warburg en conjunción con Hans von Euler-Chelpin descubren en el año 1929 que el cofactor nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) juega un papel muy importante en el proceso interno de la fermentación. Pronto en el año 1937 los investigadores Erwin Negelein y Hans Joachim Wulff comprueban que mediante la cristalización de los subproductos de la fermentación la enzima alcohol deshidrogenasa es protagonista en algunos sub-procesos realizando un papel importante. Los descubrimientos posteriores a partir del periodo que va desde mediados del siglo XX hasta comienzos del siglo XXI se centran exclusivamente en la mejora de los procesos de fermentación alcohólica y conciernen más a la optimización del rendimiento industrial bien sea mediante una buena selección de cepas de levaduras, de una temperatura de funcionamiento óptima, de como realizar fermentación en un proceso continuo: biorreactores.

2.1.2 CONSIDERACIONES GENERALES

La fermentación alcohólica se puede considerar (desde una perspectiva humana) como un proceso bioquímico para la obtención de etanol, que por otras vías se ha obtenido gracias a procedimientos químicos industriales, como por ejemplo mediante la Reacción de Reducción de etileno. La finalidad de la fermentación etílica (desde una perspectiva microbiana) es la obtención de energía para la supervivencia de los organismos unicelulares anaeróbicos. Las bebidas alcohólicas se producen a partir de diferentes sustratos, dependiendo de la región geográfica y sus riquezas. Las materias primas pueden ser azúcares simples como los presentes en el jugo de uva, o de alto peso molecular, como el almidón de los granos de cebada. Existen dos tipos de bebidas

alcohólicas, las que se obtienen directamente por fermentación de los diferentes sustratos y las destiladas, producidas por destilación del producto de fermentación. El proceso principal por el cual se transforma el mosto en vino es la fermentación alcohólica, la cual consiste en la transformación de azúcares en alcohol etílico y anhídrido carbónico. La fermentación alcohólica es la base de la vinificación, sin embargo, su importancia no radica únicamente en la obtención de etanol a partir de los azúcares, sino que además durante el proceso fermentativo se van a formar una gran cantidad de productos secundarios que influyen en la calidad y tipicidad del vino. Mas adelante, se pueden apreciar algunos de los compuestos que influyen en la tipicidad del vino

2.1.3 LAS LEVADURAS

Las levaduras son cuerpos unicelulares (generalmente de forma esférica) de un tamaño que ronda los 2 a 4 μm y que están presentes de forma natural en algunos productos como las frutas, cereales y verduras. Son lo que se denominan: organismos anaeróbicos facultativos, es decir que pueden desarrollar sus funciones biológicas sin oxígeno. Se puede decir que el 96% de la producción de etanol la llevan a cabo hongos microscópicos, diferentes especies de levaduras, entre las que se encuentran principalmente Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis, Torulaspora y Zymomonas mobilis. Los microorganismos responsables de la fermentación son de tres tipos: bacterias, mohos y levaduras. Cada uno de estos microorganismos posee una característica propia sobre la fermentación que es capaz de provocar. En algunos casos son capaces de proporcionar un sabor característico al producto final (como en el caso de los vinos o cervezas). A veces estos microorganismos no actúan solos, sino que cooperan entre sí para la obtención del proceso global de fermentación. Las propias levaduras se han empleado a veces en la alimentación humana como un subproducto industrial. Se ha descubierto que en algunos casos es mejor inmovilizar (reducir el movimiento) de algunas levaduras para que pueda atacar enzimáticamente mejor y con mayor eficiencia sobre el substrato de hidratos de carbono evitando que los microorganismos se difundan facilitando su recuperación (los biocatalizadores suelen ser caros), para ello se emplean 'fijadores' como agar, alginato de calcio, astillas de madera de bálsamo, etcétera. Algunas cepas de bacterias tienen eficiencias de fermentación altas sin necesidad de fijación, incluso a relativas velocidades de movilidad, tal y como puede ser el caso de Zymomonas mobilis (cuyo genoma completo se hizo público en el año 2005). Sin embargo, esta bacteria no se ha empleado industrialmente para la fermentación de la cerveza y de la sidra por proporcionar sabores y olores desagradables. No obstante posee una alta resistencia a sobrevivir a concentraciones elevadas de etanol, lo que la convierte en una bacteria ideal en la generación de etanol para usos no comestibles (como puede ser biocombustibles). El biólogo Lindner en el año 1928 fue el primero en describir la bacteria Zymomonas mobilis (conocida en honor de su descubridor como Z. lindneri, Thermobacterium mobile o Pseudomonas lindneri). Una de las características de esta bacteria es que emplea la vía Entner-Doudoroff para el metabolismo de la glucosa, en lugar de la más habitual vía de Embden-Meyerhoff-Parnas.Cuando el medio es rico en azúcar (como puede ser el caso de las melazas o siropes), la transformación del mismo en alcohol hace que la presencia de una cierta concentración (generalmente expresada en grados brix) afecte a la supervivencia de levaduras no pudiendo realizar la fermentación en tal medio (las altas concentraciones de azúcar frenan

los procesos osmóticos de las membranas de las células). Aunque hay distintos tipos de levaduras con diferentes tolerancias a las concentraciones de azúcares y de etanol, el límite suele estar en torno a los 14o de alcohol para las levaduras del vino, por ejemplo.

Los azúcares empleados en la fermentación suelen ser: dextrosa, maltosa, sacarosa y lactosa (azúcar de la leche). Los microorganismos atacan específicamente a cada una de los hidratos de carbono, siendo la maltosa la más afectada por las levaduras. Otros factores como el número de levaduras (contadas en el laboratorio, o la industria, a veces mediante cámaras de Neubauer).

Algunos enzimas participan en la fermentación, como puede ser la diastasa o la invertasa. Aunque la única responsable de convertir los hidratos de carbono en etanol y dióxido de carbono es la zimasa. La zimasa es la responsable final de dirigir la reacción bioquímica que convierte la glucosa en etanol. La idea de que una sustancia albuminoide específica desarrollada en la célula de la levadura llega a producir la fermentación fue ya expuesta en el año 1858 por Moritz Traube como la teoría enzimática o fermentativa y, más tarde, ha sido defendida por Felix Hoppe-Seyler hasta llegar al descubriemiento de Eduard Buchner que llegó a hacer la fermentación sin la intervención de células y hongos de levadura.

2.1.4 BIOQUÍMICA DE LA REACCIÓN DE FERMENTACIÓN

La glucólisis es la primera etapa de la fermentación, lo mismo que en la respiración celular, y al igual que ésta necesita de enzimas para su completo funcionamiento. A pesar de la complejidad de los procesos bioquímicos una forma esquemática de la reacción química de la fermentación alcohólica puede describirse como una glicólisis (en la denominada vía Embden-Meyerhof-Parnes) de tal forma que puede verse como participa inicialmente una molécula de hexosa: C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP → 2 CH3-CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP + 25.5 kcal

Se puede ver que la fermentación alcohólica es desde el punto de vista energético una reacción exotérmica, se libera una cierta cantidad de energía. La fermentación alcohólica produce gran cantidad de CO2, que es la que provoca que el cava (al igual que el Champagne y algunos vinos) tengan burbujas. Este CO2 (denominado en la edad media como gas vinorum) pesa más que el aire, y puede llegar a crear bolsas que desplazan el oxígeno de los recipientes donde se produce la fermentación. Por ello es necesario ventilar bien los espacios dedicados a tal fin. En las bodegas de vino, por ejemplo, se suele ir con una vela encendida y colocada a la altura de la cintura, para que en el caso de que la vela se apague, se pueda salir inmediatamente de la bodega. La liberación del dióxido de carbono

es a veces "tumultuosa" y da la sensación de hervir, de ahí proviene el nombre de fermentación, palabra que en castellano tiene por etimología del latín fervere.

Un cálculo realizado sobre la reacción química muestra que el etanol resultante es casi un 51% del peso, los rendimientos obtenidos en la industria alcanzan el 7%. Se puede ver igualmente que la presencia de fósforo (en forma de fosfatos), es importante para la evolución del proceso de fermentación. La fermentación alcohólica se produce por regla general antes que la fermentación maloláctica, aunque existen procesos de fermentación específicos en los que ambas fermentaciones tienen lugar al mismo tiempo. La presencia de azúcares asimilables superiores a una concentración sobre los 0,16 g/L produce invariablemente la formación de alcohol etílico en proceso de crecimiento de levadura (Saccharomyces cerevisiae) incluso en presencia de exceso de oxígeno (aeróbico), este es el denominado efecto Crabtree, este efecto es tenido en cuenta a la hora de estudiar y tratar de modificar la producción de etanol durante la fermentación. Si bien el proceso completo (vía Embden-Meyerhof-Parnes) descrito simplificado anteriormente explica los productos resultantes de la fermentación etílica de una hexosa, cabe destacar que el proceso se puede detallar en una glicólisis previa gobernada por un conjunto de enzimas en la que se obtiene 2 piruvato tal y como se describe a continuación:

C6H12O6 → 2 CH3COCOO− + 2 H2O + 2H+

La reacción química se describe como la reducción de dos moléculas de Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) de NADH (forma reducida del NAD+) con un balance final de dos moléculas de ADP que finalmente por la reacción general mostrada anteriormente se convierten en ATP (adenosín trifosfato). Otros compuestos trazados en menores proporciones que se encuentran presentes tras la fermentación son: el ácido succínico, el glicerol, el ácido fumárico.

En más detalle durante la fermentación etílica en el interior de las levaduras, la vía de la glucólisis es idéntica a la producida en el eritrocito (con la excepción del piruvato que se convierte finalmente en etanol). En primer lugar el piruvato se descarboxila mediante la acción de la piruvato descarboxilasa para dar como producto final acetaldehído liberando por ello dióxido de carbono (CO2) a partir de iones del hidrógeno (H+) y electrones del NADH. Tras esta operación el NADH sintetizado en la reacción bioquímica catalizada por el GADHP se vuelve a oxidar por el alcohol deshidrogenasa, regenerando NAD+ para la continuación de la glucólisis y sintetizando al mismo tiempo etanol. Se debe considerar que el etanol va aumentando de concentración durante el proceso de fermentación y debido a que es un compuesto tóxico, cuando su concentración alcanza aproximadamente un 12% de volumen las levaduras tienden a morir. Esta es una de las razones fundamentales por las que las bebidas alcohólicas (no destiladas) no alcanzan valores superiores a los 20% de concentración de etanol.

BALANCE ENERGÉTICO

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico exotérmico (libera energía) y moléculas de ATP necesarias para el funcionamiento metabólico de las levaduras (seres unicelulares). Debido a las condiciones de ausencia de oxígeno durante el bioproceso, la respiración celular de la cadena del ADP en ATP queda completamente bloqueada, siendo la única fuente de energía para las levaduras la glicólisis de la glucosa con la formación de moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato. El balance a nivel molecular del proceso se puede decir que genera 2 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. Si se compara este balance con el de la respiración celular se verá que se generan 38 moléculas de ATP.25 A pesar de ello parece ser suficiente energía para los organismos anaeróbicos. La energía libre de Gibbs (entalpía libre) de la reacción de fermentación etílica muestra un valor de ΔG de -234.6 kJ mol-1 (en un entorno de acidez neutra pH igual a 7) este valor negativo de la energía libre de Gibbs indica que: desde el punto de vista termodinámico la fermentación etílica es un proceso químico espontáneo.

2.1.6 LIMITACIONES DEL PROCESO

La determinación de los factores que limitan la glicólisis fermentativa del etanol son complejos debido a la interrelación existente y a la naturaleza de los parámetros intervinientes durante el proceso de fermentación. Algunos de ellos se deben tener en cuenta en la fermentación alcohólica industrial. En las limitaciones que surgen durante el proceso se pueden enumerar algunos de los más importantes como son:

• Concentración de etanol resultante: Una de las principales limitaciones del proceso, es la resistencia de las levaduras a las concentraciones de etanol (alcohol) que se llegan a producir durante la fermentación, algunos microorganismos como el Saccharomyces cerevisiae pueden llegar a soportar hasta el 20% de concentración en volumen.

• Acidez del substrato: El pH es un factor limitante en el proceso de la fermentación ya que las levaduras se encuentran afectadas claramente por el ambiente, bien sea alcalino o ácido. Por regla general el funcionamiento de las levaduras está en un rango que va aproximadamente desde 3.5 a 5.5 pH. Los procesos industriales procuran mantener los niveles óptimos de acidez durante la fermentación usualmente mediante el empleo de disoluciones tampón. Los ácidos de algunas frutas (ácido tartárico, málico) limitan a veces este proceso.

• Concentración de azúcares: La concentración excesiva de hidratos de carbono en forma de monosacáridos y disacáridos puede frenar la actividad bacteriana. De la misma forma la baja concentración puede frenar el proceso. Las concentraciones límite dependen del tipo de azúcar así como de la levadura responsable de la fermentación. Las concentraciones de azúcares afectan a los procesos de osmosis dentro de la membrana celular.

• Contacto con el aire: Una intervención de oxígeno (por mínima que sea) en el proceso lo detiene por completo (es el denominado Efecto Pasteur). Esta es la razón por la que los recipientes fermentadores se cierren herméticamente.

• La temperatura: El proceso de fermentación es exotérmico, y las levaduras tienen un régimen de funcionamiento en unos rangos de temperatura óptimos, se debe entender además que las levaduras son seres mesófilos. Si se expone cualquier levadura a una temperatura cercana o superior a 55 °C por un tiempo de 5 minutos se produce su muerte. La mayoría cumple su misión a temperaturas de 30 °C.

• Ritmo de crecimiento de las cepas: Durante la fermentación las cepas crecen en número debido a las condiciones favorables que se presentan en el medio, esto hace que se incremente la concentración de levaduras.

2.1.7 TIPOS DE FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

Cubas metálicas de acero inoxidable empleadas en la fermentación industrial del vino

FERMENTACIÓN INDUSTRIAL: La fermentación etílica ha sufrido algunas transformaciones con el objeto de aumentar la eficiencia química del proceso. Una de las mejoras más estudiadas en la industria es la posibilidad de realizar la fermentación alcohólica continua con el objeto de obtener mayores cantidades de etanol. Hoy en día el procesamiento industrial de algunas bebidas alcohólicas como puede ser el vino o la cerveza se realizan en ambientes controlados capaces de ofrecer a un ritmo apropiado de estos productos de consumo al mercado.

Esta vía ofrece una amplia materia de investigación en temas de eficiencia de bioreactores, empleando para ello teoría de sistemas de control (el problema desde el punto de vista de ingeniería de sistemas es altamente no lineal y oscilatorio). Otra vía de investigación acerca de la mejora de los procesos industriales es la mejora de las cepas de levaduras (como puede ser la Zymomonas mobilis que ofrece ventajas en los procesos continuos de fermentación), permitiendo la convivencia de una mayor densidad de las mismas durante la producción. Los métodos de fermentación continua se empezaron a patentar en la década de los 1950s y desde entonces han hecho que la industria de las bebidas alcohólicas haya experimentado un crecimiento apreciable. Una de las características de la fermentación etílica industrial es la selección adecuada de las

levaduras a inocular en el proceso de fermentación con el objeto de aumentar el rendimiento de la producción.

La fermentación industrial típica es esencialmente un proceso que se produce en un recipiente llamado fermentador o en general, biorreactor, mediante el cual determinados sustratos que componen el medio de cultivo (levaduras) son transformadas mediante la reacción microbiana en metabolitos y biomasa. Estos contenedores son herméticos y permiten retirar mediante canalizaciones apropiadas el dióxido de carbono resultante.

Durante el proceso los microorganismos van aumentando de concentración en el transcurso de la reacción al mismo tiempo que el medio va modificando sus propiedades químicas y se forman productos nuevos como consecuencia de las reacciones anabólicas.

FERMENTACIONES NATURALES: La fermentación alcohólica con la emisión de ciertas cantidades de etanol se produce de forma espontánea en la naturaleza siempre que se encuentre un azúcar y una atmósfera pobre de oxígeno, es por esta razón que ocurre espontáneamente en el interior de algunas frutas que se puede decir sufren un proceso de maduración anaeróbica, tal y como puede ser el melón curado que muestra olor a alcohol, o los mismos cocos. Un aspecto de la fermentación alcohólica natural o espontánea se puede dar en ciertas frutas como el de la vid, en una fase inicial en la que las uvas se incluyen en las cubas madre de acero inoxidable y se produce la denominada fermentación tumultuosa encargada de hacer aparecer las primeras trazas de etanol.

Una de las fermentaciones naturales más habituales en las frutas y que se emplea en los procesos de vinificación de algunos vinos es la denominada Maceración carbónica. Este tipo de fermentación causa a veces intoxicaciones etílicas a los insectos que se alimentan de las frutas maduras.

FERMENTACIONES ESPECÍFICAS: Las fermentaciones específicas son manipuladas por el hombre con el objeto de obtener el etanol en ciertas bebidas. Para ello se emplean principalmente los azúcares de las frutas, los cereales y de la leche. La producción de estas bebidas es en la mayoría de los casos local debido a la disponibilidad de los substratos, por ejemplo en los países mediterráneos la uva es frecuente y por lo tanto la fermentación del vino también, el mismo patrón puede hacerse con otros materiales como el arroz en Asia o el maíz en Latinoamérica. De esta forma la tradición de los procesos de fermentado se han asociado a las diversas etnias o grupos sociales.

FERMENTACIÓN DEL VINO: En la imagen se muestra unas uvas del tipo Cabernet Sauvignon empezando a interaccionar con los hollejos (piel de la uva) durante el proceso de fermentación.

La fermentación del vino es de las más conocidas y estudiadas por afectar a una industria muy extendida y con gran solera. En el caso del vino las levaduras responsables de la vinificación son unos hongos microscópicos que se encuentran de forma natural en los hollejos de las uvas (generalmente en una capa en forma de polvo blanco fino que

recubre la piel de las uvas (vitis vinifera l.) y que se denomina "pruina"). Los vinos deben tener una cantidad de alcohol debido a la fermentación de al menos un 9% en volumen.

Con la excepción de los vinos verdes como puede ser el chacolí que pueden tener una graduación inferior. La fermentación alcohólica del vino es muy antigua y ya en la Biblia se hacen numerosas referencias al proceso. Las especies de levaduras empleadas en la elaboración del vino suelen ser por regla general las Saccharomyces cerevisiae aunque a veces también se emplean la S. bayanus y la S. oviformis, aunque en muchas variedades de vides la Kloeckera apiculata y la Metschnikowia pulcherrima son levaduras endógenas capaces de participar en las primeras fases de la fermentación. Para frenar la aparición de bacterias indeseables y otros organismos limitantes de la fermentación se suele esterilizar el mosto a veces con dióxido de azufre (SO2) antes del proceso.

La elaboración del vino pasa por una fermentación alcohólica de la fruta de la vid en unos recipientes (hoy en día elaborados en acero inoxidable) en lo que se denomina fermentación tumultuosa debido a gran ebullición que produce durante un periodo de 10 días aproximadamente (llegando hasta aproximadamente unas dos semanas). Tras esta fermentación 'principal' en la industria del vino se suele hacer referencia a una fermentación secundaria que se produce en otros contenedores empleados en el trasiego del vino joven (tal y como puede ser en las botellas de vino). Los vinos blancos fermentan a temperaturas relativamente bajas de 10º-15 °C y los vinos tintos a temperaturas mayores de 20º-30 °C. A veces se interrumpe voluntariamente la fermentación etílica en el vino por diversas causas, una de las más habituales es que haya alcanzado la densidad alcohólica establecida por la ley. En otros casos por el contrario se activa de forma voluntaria el proceso de fermentado mediante la adición de materiales azucarados, este fenómeno recibe el nombre de chaptalización y está muy regulado en los países productores de vino.

FERMENTACIÓN DE LA CERVEZA: (Imagen: cocción del mosto antigua en Holsten-

Brauerei Hamburgo)

La cerveza es una bebida alcohólica producida por la fermentación alcohólica mezcla de algunos cereales (en forma de malta) mezclados con agua. Los cereales empleados son por regla general: cebada, centeno, trigo, etc. El contenido de la cerveza ya se reglamentó en Europa en la famosa ley alemana de la Reinheitsgebot que data del año 1516. Las levaduras empleadas en el proceso de fermentación de la cerveza se dedican a trabajar contra la maltosa y por regla general suelen depender de las características del producto cervecero final que se desee obtener, por ejemplo se suele emplear la Saccharomyces cerevisiae para elaborar cervezas de tipo ale (de color pálido) y la Saccharomyces carlsbergensis que sirve para la elaboración de la cerveza tipo lager (Generalmente de color rubio) y la Stout (Cerveza oscura de alto contenido alcohólico generalmente más dulce, un ejemplo: Guinness). El

proceso de fermentación en la cerveza en las cubas de fermentación ronda entre los 5 y 9 días.

La industria cervecera ha seleccionado durante siglos las cepas de levaduras para que se adaptaran al proceso de elaboración de cerveza, logrando una gran variedad de las mismas. Durante el proceso se le añade lúpulo (Humulus lupulus) con el objeto de saborizar, aromatizar y controlar las reacciones enzimáticas durante el proceso de elaboración de la cerveza. El proceso de fermentación de la cerveza se produce en un medio ácido que suele oscilar entre los pH 3,5 y 5,6. Por regla general la fermentación de la cerveza se regula mediante la regulación de la temperatura de la fermentación del mosto de malta.

Existen en la elaboración de la cerveza dos tipos fundamentales de fermentación etílica, dependiendo del lugar físico donde se realiza la fermentación en la cuba madre, la razón de esta fermentación se debe a la estructura química de la capa celular de la levadura y a la propiedad floculante de las levaduras de la cerveza:

• Baja fermentación: Estas cervezas son fermentadas con levaduras específicas (Saccharomyces uvarum y la Saccharomyces carlsbergensis) que se hunden en la parte inferior de la cuba (de ahí su nombre de fermentación baja). Las fermentaciones de este tipo se producen a temperaturas relativamente bajas 4–9 °C. Las cervezas de este tipo corresponden a las del tipo Pilsen, Bockbier, la Doppelbock (doble Bock), la Export, Lager, Zwickel, Zoigl

• Alta fermentación: Son cervezas elaboradas con levaduras del tipo Saccharomyces cerevisiae, las fermentaciones de este tipo se producen a temperaturas relativamente altas 15–20 °C. Estas levaduras tienden a flotar y por eso se denominan "fermentación alta". Algunas cervezas típicas de esta categoría son las alemanas: Kölsch, la Weißbier, la Weizenbier o cerveza de trigo típica de Baviera, la Gose, la Berliner Weiße, las cervezas de tipo Ale, etc.

FERMENTACIÓN DEL ARROZ: En los países asiáticos la abundancia natural del arroz debido a las características climáticas permite que se pueda emplear en la elaboración de fermentaciones alcohólicas en forma de bebida como es el sake (conocida en Japón como nihonshu (alcohol japonés), así como el vino de arroz.

Los principales microorganismos empleados en la elaboración de estas bebidas alcohólicas a base de arroz son el Aspergillus oryzae, el Lactobacillus sakei, el Leuconostoc mesenteroides var. sake y la Saccharomyces sake. La fermentación se toma un periodo que va desde los 30 a los 40 días. El sake tiene tres fases de elaboración: la koji, la motto y la moromi que se realiza en la denominada fermentación de estado sólido.

En el sake, aparte de una concentración de entre 15 y 20% de etanol producto de la fermentación, los principales componentes responsables de su sabor característico son: ácido succínico (500 a 700 mg/L), ácido málico (200 a 400 mg/L), ácido cítrico (100 a 500 mg/L), ácido acético (50 a 200 mg/L), isoamil alcohol (70 a 250 mg/L), n-propanol (120 mg/L), 2-fenil etanol (75 mg/L), isobutanol (65 mg/L), etilacetato (50 a 120 mg/L), etilcaproato (10 mg/L) e isoamil acetato (10 mg/L). Estos metabolitos también pueden encontrarse en cervezas y la mayoría de vinos ya que provienen de la fermentación

alcohólica. También hay que añadir a estos componentes el eti-lleucinato, que es el que contribuye en mayor medida al aroma del saké. No obstante, la concentración de todos estos compuestos en el Saké es significantemente mayor. No hay que olvidar la presencia de ácido láctico (0,3 a 0,5 mg/L) que es casi enteramente fruto de la actividad de las bacterias fermentadoras acidolácticas presentes durante la etapa del moto (etapa inicial en la cuba de fermentación). También se detecta, aunque en concentraciones menores, una variedad de aminoácidos. La presencia de estos tiende a ser la mínima posible, ya que le dan al Saké un sabor desagradable.

Se han llevado a cabo gran cantidad de mejoras genéticas de las cepas de Saccharomyces sake con tal de incrementar la presencia de algunos de estos metabolitos (como es el caso del fenil etanol, el isoamil alcohol o el etilcaproato), al igual que reducir la de otros (aminoácidos, etilcarbamato, urea). También se han dado el caso de cepas diseñadas para mejorar la productividad, ya sea disminuyendo la formación de espuma, el incremento de tolerancia al etanol o la no proliferación de cepas productoras de toxinas. Los productos fermentados de arroz no son exclusivos de Japón, se puede encontrar en diversas culturas del mundo como puede ser: el binburán (Filipinas), el pachwai (en la India se denomina como 'cerveza de arroz'), el arrack (el denominado عرق, ‛araq es muy popular en Oriente Medio frecuentemente destilado), el rakshi (bebida elaborada con arroz y mijo en el Nepal), etc. siendo algunas de estas bebidas destiladas.

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA DE LA LECHE: La leche por regla general sufre una fermentación láctica (la mayoría de los productos lácteos) que produce algunas bebidas alcohólicas. El proceso es alimentado por la lactosa (azúcar natural de la leche) y por la enzima lactasa que segregan algunas levaduras específicas (véase cultivos lácticos). La fermentación láctica y etílica es muy sensible a la temperatura y suele denominarse fermentación heteroláctica. Entre las bebidas lácteas que han sufrido una fermentación etílica se encuentra una bebida denominada koumiss (muy popular en países de Asia Central como en Kazajistán) que se elabora mediante la adicción de sacarosa (azúcar de caña) a la leche pasteurizada y suele proporcionar bebidas de bajo contenido alcohólico, oscila entre un 1% y un 3%, el microorganismo responsable de este proceso es Lactobacillus bulgaricus. Se denomina a veces como: "vino de leche" y posee un aspecto grisáceo. En estas bebidas lácteas la fermentación láctica se produce al mismo tiempo que la alcohólica, cooperando ambas en un complejo proceso interrelacionado. Otra de las bebidas es el kéfir, muy popular en los países del Cáucaso y Asia Central, que contiene una cierta cantidad de etanol, que puede oscilar entre un 0.040% y un 0.300%, su bajo contenido se debe a los relativamente altos niveles de pH que paran el proceso fermentativo alcohólico.

OTRAS FERMENTACIONES ALCOHÓLICAS: Algunos alimentos fermentados poseen

ciertas cantidades de etanol debido a pequeñas reacciones de fermentación etílica que se realizan durante la fermentación del alimento, las diferentes culturas del mundo emplean de una forma u otra esta fermentación como identificación cultural, debido quizás a que se suele emplear alguna fruta o verdura propia de la región. Uno de los ejemplos es el nattō de la culinaria japonesa. Una de las bebidas más populares en los pueblos de Europa del Norte es la hidromiel elaborada con agua y miel fermentadas cuya solera se remonta a la época de los vikingos, de la misma forma se elabora el tej etiope.

Las fermentaciones realizadas con azúcar de caña en los vinos azucarados como puede ser el basi filipino, el japonés shoto sake. Los vinos de palma elaborados con la hoja de la palmera, algunos como puede ser el ogogoro de Nigeria, el tuba de Filipinas, el kalu de la India. El pulque de México elaborado con la fermentación alcohólica del zumo de la agave tequilana (en la que participa la levadura Zymomonas mobilis), algunas bebidas similares son el colonche (o el nochoctli) elaborados de la fermentación de cactus. En México son conocidas también el tesgüino elaborado con la fermentación del maíz, el tibicos, la tuba. Una bebida que se hace a partir de la panela es una variante del guarapo que es una bebida alcohólica producto de la fermentación alcohólica del agua de panela, muy popular en Colombia. El kenyan urwaga que es una bebida efervescente elaborado de bananas típico en Ruanda, similar es el mwenge de Uganda elaborado similarmente con sorgo y bananas. Las fermentaciones de maíz que elaboran la Chicha, a veces denominada tepache, en Colombia. De la misma forma ocurre con la fermentación de la manzana en la sidra (muy popular en países como España, Francia, Gran Bretaña) y en el apfelwein alemán, bebida muy popular en los países del norte de Europa, así como en algunas zonas del Cantábrico.

FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA CASERA: (Uso de un cierre hidráulico para la fermentación casera)

Una de las actividades lucrativas de algunas personas es la fermentación etílica casera, se trata de un proceso químico de baja eficiencia y del que se obtiene etanol en cantidades relativamente altas. El equipo básico para realizar la fermentación de forma casera puede consistir en las siguientes piezas:

Fermentador o Cuba madre: Suele ser un recipiente de gran volumen de 30 L (es preferible que tenga escala graduada en sus paredes). Este recipiente (generalmente de polietileno) se puede llenar de agua con sacarosa o cualquier zumo de fruta (pudiendo poner incluso fruta madura en su interior). El recipiente debe ser amplio en su boca superior para que el dióxido de carbono pueda liberarse y facilitar su limpieza posterior. Se denomina a veces a este recipiente como simplemente 'fermentador' y es el espacio en el que se realiza la fermentación. Debe ser de un tamaño tal que permita ser removido de vez en cuando.

Tapón de fermentación: El recipiente, o fermentador, debe tener un calibre de 'boca' suficiente para que pueda enroscarse un tapón de fermentación con un agujero sobre el que se pueda introducir un airlock. Este tapón debe garantizar la estanqueidad del proceso, permitiendo tan sólo acceso a través del airlock.

Cubierta de goma para el tapón: Se debe hacer notar que el tapón debe ser cubierto con una funda de goma para que garantice la estanqueidad del fermentador durante el proceso. Este accesorio no es realmente necesario y su función es la de garantizar la estanqueidad que debe proporcionar el tapón.

Airlock: La misión de este dispositivo es la de permitir la salida del dióxido de carbono generado mientras que al mismo tiempo se evita la entrada de aire en el 'fermentador' y evitar así la contaminación del proceso (que oxidaría el alcohol etílico en ácido acético). El bloqueo de este aparato se hace mediante el empleo de agua introducida en unas ampolletas comunicadas, estas ampolletas permiten la salida del CO2 pero no la entrada del aire (O2). Este dispositivo puede encontrarse elaborado en vidrio o en plástico.

Se suele comercializar para poder hacer la mezcla inicial diferentes productos con levaduras deshidratadas en su interior, la elección del producto dependerá fundamentalmente del tipo de azúcar empleado. Las levaduras deshidratadas deben pasar un periodo de hidratación de unas horas antes de ser añadido al substrato. Se debe considerar que la fermentación debe empezar aproximadamente a las 10 horas de componer el sistema y suele durar entre dos y cuatro días. A veces se incluyen además esencias diversas que se añaden en la elaboración final de estas bebidas caseras con el objeto de aromatizar o proporcionar diferentes sabores. En el kit de desarrollo debe incluirse un termómetro y un densímetro.

Este proceso es normalmente asociado el proceso de destilación casera para aumentar la pureza del alcohol resultante, permitiendo de esta manera producir aguardientes y otras bebidas de alto contenido alcohólico.

2.1.8 EFECTOS DE LA FERMENTACIÓN ETÍLICA

Los efectos de la fermentación etílica se derivan de los productos resultantes del proceso que son liberados de una forma u otra al medio ambiente: el etanol y el dióxido de carbono. Los efectos de la fermentación dependerán de como se trate cada uno de estos subproductos. Uno de los efectos más sorprendentes se encuentra en la contaminación etílica existente en algunos insectos que se alimentan de frutas y del néctar de las flores, un ejemplo claro son las abejas. De la misma forma puede intoxicar a los pájaros que se alimentan de algunas bayas maduras ya parcialmente fermentadas. La fermentación alcohólica en pequeña escala se produce de la misma forma en las raíces de algunas plantas que son regadas de manera muy frecuente, la falta de aireación del terreno hace que las condiciones anaeróbicas que necesitan las levaduras actúen pudiendo envenenar el suelo mediante un aumento de la concentración de etanol lo que se traduce en una disminución de la capacidad de producción de las mismas. Otro aspecto importante es el efecto que produce en el cuerpo humano el consumo reiterado en los humanos de bebidas alcohólicas procedentes de la fermentación etílica ya que el etanol es una potente droga psicoactiva con un nivel de efectos secundarios además de la adicción que genera su consumo habitual. Los lugares donde se realiza la fermentación de algunas bebidas alcohólicas (generalmente sótanos) suelen ser peligrosos ya que el dióxido de carbono 'desplaza' al oxígeno pudiendo causar asfixia a las personas que se encuentren en estos lugares.

FERMENTACIÓN LÁCTICA

La fermentación láctica es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.

Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.

2.2.1 APLICACIONES

Un ejemplo de este tipo de fermentación es la acidificación de la leche. Ciertas bacterias (Lactobacillus, Streptococcus), al desarrollarse en la leche utilizan la lactosa (azúcar de leche) como fuente de energía. La lactosa, al fermentar, produce energía que es aprovechada por las bacterias y el ácido láctico es eliminado. La coagulación de la leche (cuajada) resulta de la precipitación de las proteínas de la leche, y ocurre por el descenso de pH debido a la presencia de ácido láctico. Este proceso es la base para la obtención del yogur. El ácido láctico, dado que otorga acidez al medio, tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos. Ejemplos de esto último son el chucrut y el ensilado de granos para forraje.

2.3 FERMENTACIÓN ACÉTICA

La fermentación acética es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético. La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la cimología.

La formación de ácido acético (CH3COOH) resulta de la oxidación de un alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Estas bacterias, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requieren un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuación:

C2H5OH + O2 → Acetobacter aceti → CH3COOH + H2O

2.4 FERMENTACIÓN MALOLÁCTICA

Oenococcus sp.

La fermentación maloláctica (a veces en la literatura aparece abreviadamente como: fermentación ML o incluso como conversión maloláctica) es el proceso por el cual el ácido málico (presente en la pulpa de muchas frutas) se transforma químicamente en ácido láctico; por medio de bacterias de origen láctico existentes de forma natural en el entorno, o en el interior de la fruta misma.

En el caso del proceso de vinificación la fermentación maloláctica es objeto de interés. El principal efecto de la fermentación maloláctica en la elaboración de vinos es la reducción de la acidez (por regla general, con un pH menor que 3.5). En los vinos con mucha acidez, la fermentación maloláctica es deseable. Este proceso, si se controla, puede aumentar la calidad del vino (hoy en día es objeto de controversia), en especial en los vinos tintos, proporcionándole un sabor característico que "llena la boca". La conversión maloláctica se produce en otras bebidas fermentadas basadas en la fruta (siempre que posea cantidades razonables de a. málico) tales como la sidra (manzanas). El proceso de fermentación maloláctica no fue estudiado hasta después de Pasteur.

2.4.1 PROCESO

La fermentación maloláctica se lleva a cabo en las frutas con gran presencia de ácido málico (Malum - manzana en latín). El sabor ácido de algunas frutas tiene su origen en la presencia de ácido málico (como por ejemplo las manzanas verdes, o la uva). La misión del ácido en estas frutas es la de proteger o defenderse del consumo de los depredadores de fruta. La fermentación maloláctica la realizan bacterias (al contrario que la fermentación alcohólica que la realizan levaduras). Las bacterias que lanzan este proceso maloláctico pertenecen al género Leuconostoc, siendo las más populares en ciertos procesos (como la vinicultura): Leuconostoc oenos. La fermentación se produce gracias a las necesidades metabólicas de las bacterias que empelan el ácido málico en la generación de ATP. En el proceso requieren de nutrientes específicos, tales como la vitamina B, las purinas, piridinas, así como diversos aminoácidos.

Una de las características más notables de estas bacterias lactobacilares es la incapacidad de sintetizar moléculas del grupo hemo y es por esta razón por la que se inhiben en presencia de oxígeno. Por el contrario las bacterias lácticas son de las pocas dentro de su género capaces de crecer en entornos ácidos por debajo de un pH 5. Se alimentan del ácido málico (ácido dicarboxílico) y generan ácido láctico (un ácido monocarboxílico), el proceso es controlado por la enzima maloláctica. La reacción química maloláctica simplificada es:

HOOC-CH2-CHOH-COOH → CH3-CHOH-COOH + CO2

El efecto final de la fermentación es elevar el pH del entorno, haciendo que sea más alcalino: el ácido láctico es más débil que el málico. La reacción enzimática es compleja y necesita de otros compuestos que el ácido. La reacción libera al ambiente cantidades de CO2 en forma de gas.

2.4.2 FERMENTACIÓN MALOLÁCTICA EN EL VINO

La mayoría de los vinos tintos elaborados en el mundo han pasado por esta fermentación, bien sea de forma natural o artificial. La fermentación ML del vino es deseable en los vinos procedentes de regiones frías (son más ácidos), mientras que se evita en los vinos de regiones más cálidas (mayor pH). Se ha pensado beneficioso para los vinos tintos, pero de igual forma en la actualidad se empieza a pensar lo mismo para los vinos blancos. Los vinos ácidos poseen un carácter y potencia necesaria para soportar largos periodos de guarda y añejamiento en la barrica, con el fin de dar características especiales de notas lácteas (leche, queso, yogur, crema, mantequilla) así como de transformar la textura de cuerpo y densidad en el paladar. El ácido láctico está presente en estos ingredientes lácteos y forma parte esencial de los sabores ácidos de estos alimentos.

A veces se inoculan las bacterias malolácticas en el vino de forma artificial con el objeto de provocar la fermentación. Un ejemplo de uso extensivo de este tipo de fermentación se encuentra en los vinos de Chardonnay procedentes de California. En algunos casos se procura evitar la fermentación en la botella (tal y como ocurre en los vinos verdes de Portugal). Los vinos que han sufrido maceración carbónica pueden ver aumentado su sabor mediante la fermentación ML.

La fermentación maloláctica del Champagne es importante debido a la acidez de las uvas empleadas.

2.4.3 CATA DE VINOS

Se tiene el consenso en las catas que la fermentación malo-láctica reduce la acidez en los vinos (acidez titulable). Reduce las notas vegetales y refuerza el sabor afrutado (en especial de los vinos blancos). Según algunos autores, los vinos a los que se le ha favorecido la fermentación maloláctica poseen una mayor estabilidad bacteriana (influenciado por la subida del pH), así como una complejidad de sabores. También se han reportado cambios en el color, así como formación de aminas.

2.4.4 FERMENTACIÓN MALOLÁCTICA EN LA SIDRA

El manzano (Malus domestica Borkh) produce fruta con fuerte concentración de ácido málico. Es por esta razón por la que la elaboración de bebidas fermentadas como puede ser la sidra presente también este proceso fermentativo. Al contrario de lo que ocurre en la vinificación, el sidrero no controla el desarrollo de la fermentación maloláctica y ésta ocurre espontáneamente en los mostos junto con la fermentación alcohólica. En el caso de la sidra es fundamental este proceso maloláctico para establecer los sabores y al igual que en el vino, reduce la acidez final. Durante el proceso de sidrificación preocupa a los elaboradores que el resultado de la fermentación ML acabe provocando ácido

2.5 FERMENTACIÓN BUTÍRICA

La fermentación butírica (descubierta por Louis Pasteur) es la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores pútridos y desagradables.

Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5.

USOS DE LA FERMENTACIÓN

El empleo principal de los procesos de fermentación por parte del ser humano ha ido dirigido, desde muy antiguo, a la producción de etanol destinado a la elaboración de bebidas alcohólicas diversas. Esta situación cambió en el siglo XX ya que desde la crisis del petróleo de los '70 los estudios e investigaciones acerca de posibles combustibles alternativos han sido de gran interés para los gobiernos de todo mundo. Dentro de los estudios de biotecnología se ha intentado emplear el etanol resultante de la fermentación alcohólica de los desechos agrícolas (biomasa) en la obtención de biocombustibles (bioetanol) empleados en los motores de vehículos. Se ha intentado centrar los estudios en los reactores de fermentación continua con la esperanza de poder obtener no sólo grandes cantidades de etanol, sino que se aumente la eficiencia de los mismos. La investigación a cerca de los substratos más adecuados, así como el empleo de levaduras de alto rendimiento es objeto de constante estudio.

El etanol es una de las fuentes energéticas de combustible que más demanda mundial genera a comienzos del siglo XXI (con la excepción del petróleo), en el año 2004 los Estados Unidos produjeron más de 12.5 × 109 litros de etanol lo que supone un 17% de incremento sobre el año 2003. No obstante la generación de CO2 durante el proceso pone en alarma acerca de su uso, debido a las consecuencias que puede traer para el cambio climático.

Los usos del etanol en la industria son amplios y van desde la elaboración de productos cosméticos, productos de limpieza, etc. Se ha investigado la posibilidad de emplear la fermentación etílica en el tratamiento de los vertederos de basura logrando de esta forma biocombustible, los estudios no han arrojado aplicaciones concluyentes. No obstante el empleo de la fermentación alcohólica tiene un éxito potencial en el tratamiento de los residuos de la industria alimenticia. Un proceso industrial muy investigado a comienzos del siglo XXI es la fermentación en estado sólido empleada en la biorremediación y en la biodegradación de productos de desecho, la transformación biológica de residuos agroindustriales, en la producción de compuestos bioactivos, de enzimas, de ácidos orgánicos, biopesticidas, biocombustibles y compuestos aromáticos, entre otros.

El beneficio industrial primario de la fermentación es la conversión del mosto en vino, cebada en cerveza y carbohidratos en dióxido de carbono para hacer pan. De acuerdo con Steinkraus (1995), la fermentación de los alimentos sirve a 5 propósitos generales:

• Enriquecimiento de la dieta a través del desarrollo de una diversidad de sabores, aromas y texturas en los substratos de los alimentos.

• Preservación de cantidades substanciales de alimentos a través de ácido láctico, etanol, ácido acético y fermentaciones alcalinas.

• Enriquecimiento de substratos alimenticios con proteína, aminoácidos, ácidos grasos esenciales y vitaminas.

• Detoxificación durante el proceso de fermentación alimenticia.• Disminución de los tiempos de cocinado y de los requerimientos de combustible.

La fermentación tiene algunos usos exclusivos para los alimentos. Puede producir nutrientes importantes o eliminar antinutrientes. Los alimentos pueden preservarse por fermentación, la fermentación hace uso de energía de los alimentos y puede crear condiciones inadecuadas para organismos indeseables. Por ejemplo, avinagrando el ácido producido por la bacteria dominante, inhibe el crecimiento de todos los otros microorganismos.