Introducción a la Microbiología y Estructura Celular

Definición y Objeto de Estudio de la Microbiología

• Concepto Etimológico: Procede del griego $mikros$ (pequeño), $bios$ (vida) y $logos$ (tratado o ciencia).

• Definición: Rama de la biología que se encarga del estudio de los microorganismos, incluyendo organismos procariotas, virus y eucariotas simples (tanto unicelulares como pluricelulares).

• Alcance: Se enfoca en organismos que solo son visibles mediante el uso del microscopio.

• Organismos estudiados:

  • Bacterias.

  • Hongos.

  • Protozoarios.

  • Algas.

  • Virus.

Características de los Grupos de Microorganismos

• Bacterias:

  • Organismos unicelulares procariotas (carecen de membrana nuclear).

  • Incluyen bacterias y arqueas.

  • Formas comunes: Bacilos, cocos y espirilos.

  • Pared celular: Compuesta de peptidoglicano.

  • Reproducción: Se reproducen por fisión binaria.

  • Nutrición: Requieren generalmente compuestos orgánicos, aunque algunas pueden producir su propio alimento o utilizar compuestos inorgánicos.

  • Movilidad: Algunas utilizan flagelos para desplazarse.

• Arqueas (Archaea):

  • Células procariotas con pared celular (distinta a la de las bacterias).

  • No se ha descrito que causen enfermedades en humanos hasta el momento.

  • Clasificación por ambiente extremo:

    1. Metanógenas: Producen metano como producto de su respiración.

    2. Halófilas extremas: Habitan ambientes extremadamente salinos (ej. Mar Muerto, $Great\,Salt\,Lake$).

    3. Termófilas extremas: Habitan aguas calientes sulfurosas (ej. Parque $Yellowstone$).

• Hongos:

  • Organismos eucariotas con membrana nuclear.

  • Pueden ser unicelulares (levaduras) o multicelulares (mohos).

  • Pared celular: Compuesta de quitina.

  • Estructura de mohos: Forman masas visibles llamadas micelio.

  • Reproducción: Sexual o asexual.

  • Nutrición: Se alimentan de materia orgánica (suelo, mar, plantas, animales).

• Protozoarios:

  • Eucariotas unicelulares con formas variadas.

  • Movilidad: Se desplazan mediante seudópodos, flagelos o cilios.

  • Estilo de vida: Vida libre o parásitos.

  • Ejemplo fotosintético: $Euglena$ (utiliza luz como fuente de energía y $CO_{2}$ para producir azúcares).

  • Reproducción: Sexual o asexual.

• Algas:

  • Eucariotas fotosintéticos con pared celular de celulosa.

  • Abundantes en agua dulce, ambientes marinos, suelo y plantas.

  • Requerimientos: Luz, agua y $CO_{2}$ para el crecimiento.

  • Función ecológica: Producen oxígeno ($O_{2}$) y carbohidratos, esenciales para el equilibrio de la naturaleza.

• Virus:

  • Entidades muy pequeñas visibles solo con microscopio electrónico.

  • No poseen núcleo ni estructura celular completa (no son células).

  • Estructura: Simples, contienen solo ADN o ARN.

  • Reproducción: Parásitos obligados que requieren la maquinaria celular de otros organismos.

Alcance y Aplicaciones de la Microbiología

• Aspectos de estudio: Morfología, nutrición, reproducción, evolución e interacción con el medio ambiente.

• Importancia científica: Ayuda a comprender la biología de los seres superiores.

• Microorganismos Beneficiosos (Ejemplos):

  • $Acetobacterias$: Producción de vinagre de vino.

  • $Lactobacilos$: Producción de yogur.

  • $Penicillium\,notatum$: Producción del antibiótico penicilina.

  • Levaduras: Fermentación.

• Microorganismos Patógenos (Ejemplos):

  • $Candida\,albicans$.

  • $Vibrio\,cholerae$ (agente del cólera).

  • $Staphylococcus\,aureus$.

• Relación con otras ciencias: Química, Física, Matemáticas, Medicina, Bioquímica, Genética, Biotecnología y Ecología.

• Campo Laboral: Agricultura, Alimentos, Biocombustibles, Clínica, Farmacia e Investigación.

Historia de la Microbiología: La Primera Edad de Oro

• Louis Pasteur (1822-1895):

  • $1857$: Estudios sobre la fermentación.

  • $1861$: Desmintió la generación espontánea demostrando que la vida no surge de materia no viva.

  • $1864$: Desarrollo de la pasteurización.

• Robert Koch (1843-1910):

  • $1876$: Teoría germinal de las enfermedades.

  • $1881$: Cultivos puros.

  • $1882$: Identificación de $Mycobacterium\,tuberculosis$.

  • $1883$: Identificación de $Vibrio\,cholerae$.

• Otros hitos importantes:

  • $1867$: Joseph Lister - Cirugía aséptica usando fenol.

  • $1879$: Neisser - $Neisseria\,gonorrhoeae$.

  • $1882$: Carlos Finlay - Fiebre amarilla; Hess - Uso del agar como medio sólido.

  • $1884$: Metchnikoff - Fagocitosis; Hans Christian Gram - Técnica de tinción de Gram.

  • $1887$: Escherich - $Escherichia\,coli$; Petri - Placa de Petri.

  • $1889$: Kitasato - $Clostridium\,tetani$.

  • $1890$: Von Behring - Antitoxina de la difteria; Ehrlich - Teoría de la inmunidad.

  • $1892$: Winogradsky - Ciclo del azufre.

  • $1898$: Shiga - $Shigella\,dysenteriae$.

  • $1910$: Chagas - $Trypanosoma\,cruzi$.

  • $1911$: Peyton Rous - Virus causante de tumores.

Evolución de la Microbiología: Segunda y Tercera Edad de Oro

• Hitos clave (Siglo XX y XXI):

  • Década de 1940: Fleming, Chain y Florey - Uso clínico de la penicilina.

  • H. Krebs: Pasos químicos del ciclo de Krebs.

  • Kary Mullis: Reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar ADN.

  • César Milstein (1927): Técnica para producir anticuerpos monoclonales mediante la fusión de células cancerosas con células productoras de anticuerpos.

  • Françoise Barré-Sinoussi (1947): Descubrimiento del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).

  • Youyou Tu (1930): Extracción de artemisinina de la planta de salvia china para el tratamiento de la malaria.

  • Marshall y Warren: Descubrimiento de $Helicobacter\,pylori$ como causa de úlceras pépticas.

Clasificación y Árbol de la Vida

• Carl Woese: Revolucionó la comprensión de la evolución microbiana al utilizar secuencias de ARN ribosómico ($ARNr$).

• El Árbol Filogenético de la Vida: Divide a los organismos en tres dominios:

  1. Bacteria

  2. Archaea

  3. Eukarya

• Tecnología de Filogenia del ARNr:

  1. Aislar ADN de cada organismo.

  2. Hacer copas del gen de $ARNr$ mediante PCR.

  3. Secuenciar el ADN.

  4. Alinear y analizar secuencias.

  5. Generar el árbol filogenético.

• Norman Pace (1942): Amplificó muestras de $ARNr$ de muestras ambientales, permitiendo descubrir phyla no cultivables. Actualmente hay evidencia de más de $80$ phyla bacterianos.

Estructura y Función de la Célula Procariota

• Propiedades de todas las células:

  • Metabolismo: Captación, transformación y eliminación de nutrientes y desechos.

  • Crecimiento: Conversión de nutrientes en nuevo material celular para formar nuevas células.

  • Evolución: Las células evolucionan para mostrar nuevas propiedades.

• Propiedades de algunas células: Diferenciación (esporas), comunicación (mensajeros químicos), intercambio genético y movilidad.

• Tamaño Celular:

  • Varía de $0.2\,\mu m$ ($Mycoplasma$) a $700\,\mu m$ ($Epulopiscium$).

  • Ventaja de ser pequeño: Alta relación superficie/volumen, lo que permite un metabolismo activo, alta tasa de replicación y mayor competitividad.

La Membrana Plasmática

• Estructura: Modelo del mosaico fluido (bicapa lipídica de $8\,nm$ con proteínas).

• Composición:

  • Lípidos: Fosfolípidos de glicerol con ácidos grasos Unidos por enlaces ÉSTER en Bacterias y Eucarya.

  • Archaea: Enlaces ÉTER, carecen de ácidos grasos (tienen fitano derivado de isopreno) y pueden formar monocapas de tetraéter de glicerol (bifitano).

• Funciones:

  1. Barrera de permeabilidad: Transporte selectivo de nutrientes y desechos.

  2. Anclaje de proteínas: Para transporte y quimiotaxis.

  3. Conservación de energía: Generación de la fuerza protón-motriz mediante una distribución desigual de cargas ($H^{+}$).

La Pared Celular Bacteriana

• Funciones: Proporciona forma, rigidez y protege contra la lisis osmótica en soluciones hipotónicas.

• Peptidoglicano (Mureína):

  • Polímero de N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM) unidos por enlaces $\beta(1-4)$.

  • Cadenas unidas por tetrapéptidos.

• Diferenciación Gram:

  • Gram-positivas: Capa gruesa de peptidoglicano ($90\%$) y presencia de ácidos teicoicos/lipoteicoicos.

  • Gram-negativas: Capa delgada de peptidoglicano ($10\%$) rodeada por una membrana externa que contiene lipopolisacáridos (LPS) y porinas.

• El Lipopolisacárido (LPS):

  • Compuesto por Lípido A (endotoxina tóxica para animales), Núcleo del polisacárido (KDO) y Polisacárido O (específico, antigénico).

• Archaea: No tienen peptidoglicano; poseen Pseudomureína (uniones $\beta(1-3)$ y L-aminoácidos) o Capas S (capas superficiales paracristalinas de proteínas).

Estructuras Externas y Apéndices

• Cápsula (Glicocálix): Capa viscosa de polisacáridos. Facilita la adhesión (biofilms), protege contra la fagocitosis y mejora la resistencia a la desecación.

• Fimbrias: Filamentos proteicos cortos ($3-10\,nm$) para adhesión a superficies.

• Pili: Más largos y anchos ($9-10\,nm$), involucrados en la conjugación bacteriana (transferencia de ADN) y como receptores de fagos.

• Hami: Estructuras de unión únicas en arqueas del grupo SM1, con forma de "gancho de agarre" para fijar células en redes de biopelícula.

• Flagelos:

  • Estructuras helicoidales de flagelina para la movilidad.

  • Distribución: Monótricos (uno), lofótricos (penacho), anfítricos (ambos polos), perítricos (toda la superficie).

  • Energía: Utilizan la fuerza protón-motriz ($FPM$), consumiendo aproximadamente $1000\,H^{+}$ por vuelta.

Estructuras Internas y Citoplasma

• Nucleoide: Región que contiene el DNA circular cerrado y desnudo. Ejemplo: $E.\,coli$ posee $4.7 \times 10^{6}$ bases y aprox. $4500$ genes.

• Plásmidos: DNA extracromosómico circular que aporta ventajas adaptativas (resistencia a antibióticos, producción de toxinas).

• Inclusiones de reserva:

  • Carbono: Poli-$\beta$-hidroxibutirato (PHB) o Glucógeno.

  • Polifosfato (energía) y Azufre elemental ($S^{0}$).

  • Minerales: Gránulos de benstonita en cianobacterias.

• Magnetosomas: Partículas de magnetita ($Fe_{3}O_{4}$) para orientación magnética.

• Vesículas de Gas: Proporcionan flotabilidad en bacterias acuáticas.

Endosporas

• Definición: Formas de resistencia altamente especializadas producidas por géneros como $Bacillus$ y $Clostridium$.

• Características de la Endospora:

  • Bajo contenido en agua ($10-25\%$).

  • Presencia de Ácido Dipicolínico combinado con Calcio ($Ca^{2+}$).

  • Proteínas SASP (pequeñas proteínas ácido-solubles) que protegen el ADN de UV y calor.

  • Estructura: Núcleo, pared celular, córtex (peptidoglicano laxo), cutícula y exosporio.

• Ciclo de esporulación: Activación, germinación y crecimiento vegetativo cuando las condiciones son favorables.

Virología Avanzada

• Definición: Parásitos intracelulares obligados que solo se replican dentro de una célula huésped permisiva.

• Estructura del Virión: Genoma (ADN o ARN) rodeado por una cápside (proteínas llamadas capsómeros). Algunos poseen una envoltura fosfolipídica externa.

• Clasificación de Baltimore: Siete clases basadas en la relación del genoma con el ARNm:

  • Clase I: dsDNA.

  • Clase II: ssDNA(+).

  • Clase III: dsRNA.

  • Clase IV: ssRNA(+).

  • Clase V: ssRNA(-).

  • Clase VI: ssRNA(+) retrovirus.

  • Clase VII: dsDNA con transcriptasa inversa.

• Ciclo Viral:

  1. Fijación (adsorción).

  2. Penetración (inyección en bacterias, captación completa en animales).

  3. Síntesis de ácidos nucleicos y proteínas.

  4. Ensamblaje y empaquetamiento.

  5. Liberación por lisis celular.

• Curva de crecimiento en un paso: Incluye periodo de eclipse (no se detectan viriones) y periodo de maduración.

• Ensayo de Placa: Método para cuantificar virus. El título se expresa en Unidades Formadoras de Placa por ml ($UFP/ml$). La eficiencia de plaqueo es usualmente menor al $100\%$ debido a viriones defectuosos o condiciones subóptimas.