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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIA Y DEL AMBIENTE
MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL 358010A_291
Autor
CARMEN JULIA PADILLA PEDROZA, MICROBIOL. M.SC
VALLEDUPAR 2011
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ÍNDICE
Pagina UNIDAD 1. PRINCIPIOS DE MICROBIOLOGÍA Y
METABOLISMO MICROBIANO Capítulo 1. Mundo microbiano
Lección 1. Etapas históricas de la microbiología 4
Lección 2. Microbiología 5
Lección 3. Microorganismos como células 6
Lección 4. Importancia de los microorganismos para el hombre 7 Lección 5. Los microorganismos y sus ambientes naturales 8
Capítulo 2. Perspectiva general de la vida microbiana
Lección 6. Estructura celular en procariotas 9 Lección 7. Estructura celular en eucariotas 15
Lección 8. Estructura vírica 19
Lección 9. Morfología de bacterias 22
Lección 10. Microscopía óptica y electrónica 23
Capítulo 3. Metabolismo microbiano
Lección 11. Reacciones metabólicas y conservación de la energía 27
Lección 12. Glucólisis 29
Lección 13. Ciclo del ácido cítrico 32
Lección 14. Fotosíntesis en microorganismos 34
Lección 15.Alternativas catabólicas 37
UNIDAD 2. DIVERSIDAD MICROBIANA Capítulo 4. Crecimiento microbiano
Lección 16. Crecimiento celular y fisión binaria 38
Lección 17. Curva de crecimiento 40
Lección 18. Medidas directas del crecimiento microbiano 41 Lección 19. Factores físicos en el crecimiento microbiano 44 Lección 20. Oxígeno y el crecimiento microbiano 46
Capítulo 5. Eucariota y procariota
Lección 21. Archea 48
Lección 22. Hongos 51
Lección 23. Hongos mucosos 55
Lección 24. Protozoos 56
Lección 25. Algas 60
Capítulo 6. Sistema de vida anaerobio
Lección 26. Respiración anaerobia 63
Lección 27.Reducción del nitrato y proceso de desnitrificación 65
Lección 28. Reducción de sulfatos 66
Lección 29. Metanogénesis 69
3 UNIDAD 3. ECOLOGÍA Y MICROBIOLOGÍA
Capítulo 7. Métodos para estudiar microorganismos
Lección 31. Análisis de las comunidades microbianas basado en
técnicas de cultivo 73
Lección 32. Aislamiento de cultivo axénico 75 Lección 33. Análisis molecular de las comunidades microbianas 73 Lección 34. Técnicas moleculares usadas en la microbiología y
biotecnología 81
Lección 35. Medición de la actividad microbiana en la naturaleza 85
Capítulo 8. Relaciones microbianas, comunicación celular y ciclo de nutrientes
Lección 36. Ecosistemas microbianos 86
Lección 37. Comunicación celular 89
Lección 38. Ciclo del carbono y del oxígeno 91
Lección 39. Ciclo del nitrógeno 93
Lección 40. Ciclo del azufre 96
Capítulo 9. Aplicaciones de la microbiología ambiental
Lección 41. Tratamiento de residuos sólidos 98 Lección 42. Tratamiento de agua potable 101
Lección 43. Biorremediación 104
Lección 44. Biodegradabilidad y efectos ecológicos 108 Lección 45. Biorremediación de petróleo y otros contaminantes 111
4 UNIDAD 1. PRINCIPIOS DE MICROBIOLOGÍA Y METABOLISMO MICROBIANO
Capítulo 1. Mundo microbiano
Lección 1. Etapas históricas de la microbiología
Durante muchos siglos el hombre desconoció la existencia de microorganismos, su ecología e interacciones con otros seres vivos y mucho menos su relación con las enfermedades, la mayoría de ellas asociadas a castigos divinos individuales o colectivos por causa de pecados, crímenes y delitos. La historia de la microbiología inició en 1665 cuando Robert Hooke descubrió con la ayuda de un microscopio rudimentario la existencia de pequeñas celdas en una rodaja de corcho “celdillas” y la presencia de cuerpos fructíferos de mohos en un objeto de cuero. Aunque es posible que el primero en observar bacterias haya sido el reservado comerciante telas y científico aficionado, el holandés Anton Van Leeuwenhoek quien con microscopios fabricados por él pudo observar pequeños organismos “animálculos”, obtenidos de heces y raspado de dientes, espermatozoides y microorganismos que hoy conocemos como algas y protozoos; todas sus anotaciones y descubrimientos fueron escritas y enviadas a la Royal Society de Londres la cual también recibió varios microscopios fabricados por este científico aficionado.
La teoría de la generación espontánea era la más aceptada por la mayoría de los científicos de la época, muchos creían que sapos podían nacer del suelo húmedo y gusanos de materia en descomposición. Pero otros, como los italianos Francesco Redi (1668) y Lazzaro Spallanzani (1765) respectivamente, afirmaban que los gusanos aparecían porque eran depositados por moscas y que los caldos nutritivos se contaminaban por acción de microorganismos presentes en el aire. Sólo hasta 1861 el científico francés Louis Pasteur desaprobó la generación espontánea y demostró a través de una serie de experimentos empleando matraces que contenían caldo de carne a los que les dobló el cuello en forma de S y posteriormente hirvió, probó que al transcurrir del tiempo en la solución fría y estéril no aparecían microorganismos, mientras que el matraz sin cuello doblado estaba lleno de microorganismos. Con esto demostró que a pesar de tener contacto con el aire el matraz del cuello doblado los microorganismos quedaban atrapados en éste y por lo tanto los microorganismos están presentes en el aire pero que el aire per se no creaba los microbios. Pasteur tuvo otros descubrimientos como la fermentación de levaduras, modo en que actúan las vacunas, la pasteurización, proceso muy empleado actualmente para la esterilización o disminución de carga microbiana en muchos tipos de alimentos y la relación de microorganismos en la causa de enfermedades(Tortora, Funke y Case, 2007).
Aunque en 1796 el físico inglés Edward Jenner desarrolló la primera vacuna contra la viruela y el médico inglés Joseph Lister en 1860 practicó técnicas asépticas en cirugías para contrarrestar las enfermedades causadas por los microorganismos, sólo hasta 1876 el físico alemán Robert Koch demostró pasos experimentales que relacionaban
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enfermedades con microorganismos específicos, conocidos como postulados de Koch (Tortora et al. 2007). Desde los años de observaciones de Hooke y descubrimientos al azar como el de los antibióticos por el escocés Alexander Fleming en 1928, la microbiología sigue teniendo vertiginosos avances para contrarrestar no sólo enfermedades en el hombre si no también patógenos en plantas y animales; además de aprovechar todos aquellos microorganismos benéficos los cuales superan número en la población microbiana.
NOTA:
Favor ver los videos sobre historia de la microbiología en los siguientes enlaces: http://www.youtube.com/watch?v=vPGcszfMZjM&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=GBIw1qAOBjA&feature=related
Lección 2. Microbiología
Es la ciencia que trata el estudio de los microorganismos. La palabra microbiología deriva de las voces griegas mikros, pequeño; bios, vida y logos, estudio, es decir etimológicamente estudia organismos demasiado pequeños para ser observados a simple vista. También llamados microbios. El objeto de estudio de la microbiología incluye bacterias, hongos, protozoos y virus, estos últimos a pesar de no ser entidades celulares definidas pueden afectar a su huésped (Llop, Valdés-Dapena y Zuazo, 2001; Tortora et al. 2007).
La microbiología ambiental es una su disciplina que estudia la función, diversidad de los microorganismos y su papel en la realización de procesos tanto en sistemas naturales como artificiales. Esta área de la microbiología es especialmente interdisciplinaria (Madsen, 2008).
Todos los seres vivos tienen características estructurales en común que permite a los taxónomos agruparlos y clasificarlos para poder asignarles un nombre científico. La sistemática o filogenia estudia la clasificación de las especies considerando su historia evolutiva.
La mayor categoría taxonómica que divide a los organismos vivos es el Dominio, propuesta por el científico estadounidense Carl Woese, existen tres dominios: Eukarya, Bacteria y Archaea. En Eukarya se encuentran los hongos, plantas, animales y protistas. En Bacteria, las procariotas patógenas y no patógenas presentes en aire, suelo y agua, las procariotas fotoautótrofos. Y por último en el dominio Arquea se agrupan todas
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las células procariotas que no tienen peptidoglicano en su pared celular, las cuales en su mayoría viven en ambientes extremos o tienen actividades metabólicas poco comunes (Tortora et al. 2007).
La unidad fundamental de la clasificación es la especie, son el grupo más estrechamente relacionado que tiene la capacidad de reproducirse entre si. Las especie pueden agruparse y formar géneros, los géneros relacionados forman una familia y las familias similares un orden y el grupo de órdenes constituyen una clase y las clases relacionadas forman un filo y éstos un reino y los reinos relacionados se agrupan en dominios (Tortora et al. 2007).
Los virus no están considerados como seres vivos por lo tanto no se ubican en ninguno de los dominios descritos anteriormente.
NOTA:
Leer la sección 1.1 Microbiología en: Madigan, M., Martinko, J & Parker, J. (2003). Brock biología de los microorganismos. (10 Ed). Madrid: Pearson Prentice Hall.
Para descargar este libro usar este enlace:
http://www.4shared.com/get/YS071GWm/Biologa_de_los_Microorganismos.html
Dar click en descargar ahora. Esperar el tiempo estipulado en el cronómetro y dar click en descargar archivo ahora, así obtendrá el libro en formato pdf. Debe guardarlo, se usará con frecuencia en el desarrollo del módulo. Sería ideal revisar la tabla del contenido del libro para reforzar todas las lecciones.
Lección 3. Microorganismos como células
La célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos. Existen microorganismos unicelulares, es decir, aquellos que constan de una sola célula como es el caso de las bacterias, levaduras, protozoos y muchas algas; y los multicelulares, que están constituidos por muchas células como la mayoría de los hongos. Las células como entidades estructurales poseen una membrana celular o plasmática que las separa del entorno, algunas también tienen pared celular, la cual siempre está al exterior de la membrana celular, un citoplasma que es donde se realizan la mayoría de las actividades funcionales y un núcleo o nucleoide (procarión), para las que no tienen un núcleo definido que contiene la información genética.
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La célula es un sistema abierto que intercambia materia y energía con el entorno para realizar todas sus reacciones bioquímicas y físico-químicas, es decir, su metabolismo, éste le permite el crecimiento o reproducción donde a partir de una célula se genera otra célula hija gracias a las actividades de síntesis celular, el movimiento le permite desplazamiento y la comunicación celular capacidad para interactuar con otras células y activar así ciertos genes indispensables en la supervivencia de la especie, todos ellos importantes en la continuidad de la misma (Madigan, Martinko y Parker, 2003).
NOTA:
Leer la sección 1.2 en: Madigan, M., Martinko, J & Parker, J. (2003).Brock
biología de los microorganismos. (10 Ed). Madrid: Pearson Prentice Hall.
Lección 4. Importancia de los microorganismos para el hombre
Si le diéramos la opción a un grupo de personas para mencionar una palabra que asocie con microorganismos posiblemente la mayoría diría enfermedad, porque desconocen que sólo unos pocos respecto a la población son patógenos (producen enfermedades); la mayoría de los ellos cumplen un papel fundamental e irremplazable en el ecosistema como veremos en la próxima lección. Aunque gracias a la aparición de enfermedades y pestes en tiempos atrás se desarrollaron las primeras teorías de la microbiología, hoy después de muchos avances científicos los microorganismos son utilizados en diferentes áreas que benefician al ser humano. Entre ellas tenemos:
La industria alimentaria, no sólo se han diseñado nuevas estrategias para combatir a los microorganismos que contaminan los alimentos y causan enfermedades alimentarias sino que muchos de ellos son básicos en la producción de alimentos como los lácteos (quesos, yogur, mantequilla), carnes (carnes maduradas), vegetales enlatados o encurtidos (coles, pepinillos, pimentones, cebollas, zanahorias etc), bebidas alcohólicas (vinos, cerveza, sidra, etc), vinagre, o en la producción del pan donde se usan cepas microbianas que ayudan al proceso de fermentación, acidificación y/o maduración; e incluso el consumo de hongos como es el caso de los champiñones que tienen alto valor nutricional.
En la industria farmacéutica y biotecnológica los microorganismos son clave para la obtención a bajo costo y en grandes cantidades de metabolitos (aminoácidos, vitaminas, enzimas, antibióticos, compuestos orgánicos, promotores de crecimiento vegetal), producción de organismos transgénicos y en el desarrollo de técnicas con DNA recombinante e ingeniería genética.
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En la agricultura no sólo causan enfermedades en plantas (fitopatógenos) sino que también a través de las interacciones procariota-eucariota o procariota-procariota pueden beneficiar a las plantas gracias a procesos simbióticos que le permiten a éstas tomar los nutrientes presentes en el medio con mayor facilidad o el control de plagas gracias al uso de bacterias. También gracias a los microorganismos se han desarrollado a través de ingeniería genética plantas transgénicas resistentes a enfermedades y con niveles de producción elevados respecto a las plantas silvestres (esto todavía requiere muchos estudios de efectos secundarios y tiene implicaciones éticas).
Con el aumento de la población y el desarrollo tecnológico también se elevan los niveles de contaminación en fuentes de aguas y suelos, derrames de crudo y compuestos recalcitrantes o metales pesados los cuales son muy difíciles de remover y degradar pero gracias a la amplia actividad metabólica microbiana muchos microorganismos usan esos compuestos como sustrato ofreciéndole al hombre otra aplicación vital para la conservación y restauración del medio ambiente, la biorremediación.
NOTA:Por favor leer los siguientes
artículos:http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/43/html/sec_8.ht ml http://www.musalit.org/pdf/IN060651_es.pdf
Leccción 5. Los microorganismos y sus ambientes naturales
La ecología microbiana estudia las relaciones entre el microorganismo y su ambiente natural. Estos organismos viven en ambientes competitivos y en ocasiones extremos (agua de termales) pero gracias a las asociaciones de células o individuos se forman conjuntos llamados poblaciones, donde éstas a su vez pueden agruparse para establecer comunidades microbianas e interactuar dentro de un lugar determinado llamado nicho. Dentro de un ecosistema se establecen relaciones simbióticas, es decir, las interacciones entre organismos y poblaciones coexistentes donde se puede o no obtener beneficios, por ejemplo, las micorrizas (myco = hongo; rhiza = raíz) participan en el desarrollo de las plantas ya que sirven como pelos de las raíces y absorben nutrientes que a la planta sola le sería dificultoso y luego los libera de forma gradual para que los pueda asimilar, otro ejemplo sería la producción de vitamina K por bacterias intestinales en los seres humanos.
Además de este tipo de asociaciones gracias a los microorganismos se puede mantener el equilibrio entre lo biótico y abiótico, por ejemplo, las bacterias que participan en el ciclo de nitrógeno ayudan a degradar residuos e incorporan el nitrógeno presente del aire en compuestos orgánicos. También participan en los ciclos biogeoquímicos del carbono y azufre.
NOTA:Leer la sección 1.3 en: Madigan, M., Martinko, J & Parker, J. (2003). Brock
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Capítulo 2. Perspectiva general de la vida microbiana
Lección 6. Estructura celular en procariotas
Aunque las células eucariotas y procariotas tienen una complejidad que les permite realizar todas las funciones metabólicas para su mantenimiento y supervivencia existen características estructurales que ayudan a diferenciarlas, a continuación describiremos la composición estructural y funcional de células procariotas, eucariotas y la de los virus. Células procariotas
Son organismos unicelulares que carecen de un núcleo definido, su nombre se deriva del griego pro = antes de; karion = núcleo. El material genético de estas células, al contrario de las eucariotas se encuentra en el citoplasma y no en el núcleo. Este es un grupo muy diverso y con diferencias estructurales que nos permiten su clasificación. Está conformado por bacterias y archaea, dividas en base a la composición de la pared celular (figura 1).
Figura 1. Estructuras celulares de una procariota (tomado de Tortora et al. 2007). Glicocálix
Es una capa gelatinosa de polisacáridos y/o polipéptidos secretados por las células al exterior de la pared celular que está relacionada con la virulencia (capacidad de producir enfermedad), adherencia a superficies, reservas de energía, protección a la deshidratación, lesiones y salida de nutrientes. Cuando la capa está firmemente unida y
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de manera organizada a la pared celular se le llama cápsula de lo contrario se considera una capa mucilaginosa (Tortora et al. 2007).
Flagelos
Son apéndices largos y finos que se proyectan hacia el exterior y propulsan a las bacterias permitiéndoles el movimiento y desplazamiento. El flagelo consta de tres partes: el filamento, que es la parte más larga y externa compuesto por una proteína globular llamada flagelina, el gancho y por último el cuerpo basal que está compuesto por anillos que lo fijan a la pared y membrana celular (figura 2).
No todas las bacterias tienen flagelos (átricas), peros las que los tienen pueden adoptar diferentes disposiciones alrededor de la célula. Entonces las bacterias pueden ser monotricas (un solo flagelo polar), lofotricas (dos o más flagelos en uno o ambos extremos de la célula), anfitricas (un flagelo en cada extremo de la célula) y perítricas (muchos falgelos alrededor de la celula). Los flagelos no pueden verse a simple vista en el microscopio óptico con la ayuda de tinciones o en el microscopio electrónico.
Figura 2. Estructura flagelar en bacterias. (a) Bacterias gramnegativas, (b) bacterias grampositivas (tomado de Tortora et al. 2007).
Fimbrias y pili
Son apéndices más cortos, rectos y finos que los flagelos compuestos por subunidades proteicas de pilina. Las fimbrias pueden estar en los polos o distribuidas en toda la
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superficie celular y cumple funciones de fijación, mientras que el pili que es más largo que las fimbrias y sólo se encuentran uno o dos por célula; cumple funciones de transferencia intercelular de ADN en el proceso de conjugación, también es llamado pili sexual.
Pared celular
Es una estructura compleja y rígida que delimita, da forma y brinda protección ante la lisis celular dada la fragilidad de la membrana citoplasmática y la presión osmótica a la que está sometida por el entorno extracelular, también juega un papel importante en la
división celular y en su propia biosíntesis. Está compuesta
por peptidoglucano (mureína) un heteropolímero constituido por N-acetilmurámico (NAM) y N-acetilglucosamina (NAG), aminoácidos de cadena lateral y puentes transversales de aminoácidos.
Las bacterias se clasifican según la composición de la pared celular en grampositivas y gramnegativas (figura 3); las grampositivas además de una capa gruesa de peptidoglucano tienen elevadas concentraciones de ácidos teicoicos mientras que las gramnegativas no, pero éstas en cambio están formadas por una capa más delgada de peptidoglucano que a su vez está cubierta por una membrana externa de lipopolisacáridos (LPS), lipoproteínas, porinas y fosfolípidos (Llop et al. 2001; Madigan et al. 2003; Tortora et al. 2007).
Figura 3. Pared celular bacteriana. Arriba se muestra la estructura de células grampositivas y debajo de células gramnegativas (tomado de Tortora et al. 2007).
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Existen células procariotas que no tienen pared celular o algunas son muy escasas como es el caso del género Mycoplasma pero en cambio tienen una membrana plasmática con esteroles. Las procariotas del dominio archaea no constan de pared celular con peptidoglucano, siendo esta la principal característica de este dominio (Tortora et al 2007).
Membrana plasmática, citoplasmática o celular
Es una estructura delgada que rodea al citoplasma y actúa como una barrera semipermeable y selectiva entre el interior y exterior de la célula controlando así el ingreso y salida de sustancias; también gracias a la presencia de diferentes enzimas participa en la degradación de nutrientes, la generación de energía (ATP) y fotosíntesis. Está compuesta por una bicapa lipídica constituida en su mayoría por fosfolípidos y proteínas, éstas últimas pueden ser de superficie (periféricas) o transmembranales (integrales) que facilitan la catálisis y transporte de sustancias. Los iones divalentes de calcio y magnesio contribuyen a la estabilidad iónica de la membrana celular. A diferencia de las células eucariotas y con excepción de los Mycoplasmas la membrana de las procariotas no contiene esteroles (Tortora et al 2007).
Citoplasma
Es la sustancia semifluida (citosol) al interior de la célula donde se encuentra el cromosoma (material genético), ribosomas y depósitos de reserva o inclusiones. Está constituido es su mayoría por agua y otras sustancias (carbohidratos, iones, lípidos, enzimas y compuestos de bajo peso molecular) A diferencia de las células eucariotas no tiene citoesqueleto ni flujo citoplasmático (Llop et al. 2001; Tortora et al 2007).
Nucleoide o procarión
Es la zona que contiene el material genético conformado por un cromosoma (molécula de ADN bicatenario), unido a la membrana celular pero que a diferencia de las células eucariotas no está delimitado por una envoltura o membrana nuclear. Muchas bacterias contienen pequeñas moléculas de ADN circular que no están unidas al cromosoma bacteriano y que se replican independientemente de éste, llamados plásmidos (muy útiles en la biotecnología); los cuales le otorgan propiedades especiales como resistencia a antibióticos, tolerancia a sustancias tóxicas, entre otras (Llop et al. 2001; Madigan et al. 2003; Tortora et al. 2007).
Ribosomas
Son estructuras celulares que constan de dos subunidades compuestas por acido ribonucleico ribosomal (ARNr o rRNA por siglas en inglés) y proteínas, se encuentran por millares en el citoplasma dada su función vital en la síntesis de proteínas. Cuando se están agrupados en cadenas se les llama polirribosomas. Los ribosomas procariotas son más pequeños que los eucariotas y se les conoce como ribosomas 70S.
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Inclusiones
El citoplasma de las células procariotas contiene diversas estructuras de almacenamiento, reserva o depósito de nutrientes llamadas inclusiones,que pueden ser utilizados cuando está expuesta a medios adversos o en condiciones de inanición. Entre ellas tenemos:
Gránulos metacromáticos o volutina
Son estructuras conformadas por reservas de fosfato inorgánico utilizados para la síntesis de ATP, se les llama así por el color rojo que toman cuando son expuestos a colorantes azules como es el caso del azul de metileno o azul de toluidina. Además de las bacterias. las algas, hongos o protozoos los pueden tener (Tortora et al. 2007).
Gránulos polisacáridos
Son reservas de almidón y glucógeno que la bacteria almacena cuando crece en un medio pobre en nitrógeno pero rico en carbono; al exponerse al yoduro de potasio el glucógeno toma un color rojo y el almidón azul.
Inclusiones lipídicas
Son acúmulos de poli-beta hidroxibutíricos (PHB) que en especies como Bacillus constituyen reservas de carbono y energía durante la esporulación. También hay bacterias que reservan poli-beta-hidroxialcanoatos (PHA), los cuales hoy son utilizados para fabricar plásticos bacterianos biodegradables y disminuir a la contaminación ambiental. Se tiñen con colorantes como el Negro-Sudán.
Gránulos de azufre
Se forman cuando en el medio hay compuestos de azufre reducido para usarlos como reservas de energía. Aparece en las bacterias que utilizan sulfuro de hidrógeno (SH2)
como el género de Thiobacillus. Carboxisomas
Son inclusiones compuestas por una monocapa proteínica que contiene la enzima ribulosa-bifosfato carboxilasa; utilizada por las bacterias fotosintéticas y nitrificantes.
Vacuolas de gas
Son vesículas con una monocapa proteínica impermeable al agua pero que acumulan gas dependiendo de la concentración de éste en el exterior. Estas estructuras confieren
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la flotabilidad óptima que les permite alcanzar luz, oxígeno u otros elementos. Están presentes en cianobacterias, halobacterias y anoxigénicas.
Magnetosomas
Son partículas cristalinas de hierro magnetita (Fe3O4), sensores del campo magnético
terrestre ya que permiten la orientación de las bacterias magnetotácticas (Aquaspirillum
magnetotacticum y Magnetospurillum magnetotacticum); en el campo industrial se
desarrollan métodos para obtener magnetita para la fabricación de cintas magnéticas para audio y datos.
Endosporas
Son células en “reposo” que se forman intracelularmente por la carencia de nutrientes en ciertas bacterias (Bacillus, Clostridium, Sporosarcina). Estas estructuras pueden vivir en ambientes adversos como calor extremo, falta de nutrientes, radiaciones, desecación, presencia de agentes químicos o bactericidas etc. El proceso de formación de endosporas se conoce como esporulación o esporogénesis e implica la invaginación de la membrana celular junto con material genético en una célula vegetativa o progenitora que después de lisarse libera la endospora y puede permanecer en latencia por millones de años, hasta que por un estímulo químico o físico se desencadena la germinación (recuperación del estado vegetativo). Este no es considerado un proceso de reproducción.
NOTA:
En este enlace encontrará un video sobre bacterias:
http://www.youtube.com/watch?v=KcFjXYzGh20
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Lección 7. Estructura celular en eucariotas Célula eucariota
Está conformada por células unicelulares y pluricelulares de mayor tamaño y complejidad que tienen un núcleo definido; comprende algas, protozoos, plantas y animales. A continuación se describirá de una forma general de las estructuras en las eucariotas (figura 4).
Figura 4. Estructura celular eucariota (tomado de Tortora et al. 2007). Flagelos y cilios
Al igual que en las procariotas sirven para la locomoción y desplazamiento, pueden estar recubiertas de citoplasma y membrana plasmática; están conformados por microtúbulos compuestos de tubulina y dideína. Si son largos se les llama flagelos y si son escasos y numerosos cilios. Son frecuentes en protozoos y algas.
Pared celular y glicocálix
Son una estructura más simple que en las células procariotas está compuesta por celulosa (en plantas y algunos hongos) y quitina, glucano y manano en la mayoría de los
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hongos. No todas las eucariotas tienen pared, las células animales están desprovistas de ella pero en cambio constan de una cubierta de carbohidratos llamada glicocálix.
Membrana celular
Está conformada por una bicapa lipídica, pero a diferencia de las procariotas contiene carbohidratos (actúan como receptores), esteroles (colesterol en animales) y ergosterol (en hongos).
Citoplasma
Al contrario de las procariotas tiene un citoesqueleto que le da soporte y contribuye al transporte de las sustancias gracias al flujo citoplasmático, las enzimas no están disueltas en el citosol sino que están confinadas en las organelas.
Ribosomas
Son estructuras más grandes y densas que en procariotas, conocidas como 80S, compuestos por ARNr y proteínas, se encuentran en el retículo endoplasmático rugoso y libres en el citoplasma. Los cloroplastos y mitocondrias contienen ribosomas de 70S. Pueden formar polirribosomas y su función es la síntesis de proteínas para todas las actividades celulares (Tortora et al. 2007).
Núcleo
Es el orgánulo más grande de la célula, con forma esférica u ovalada rodeado por una doble membrana nuclear con poros nucleares que controlan el intercambio de sustancias (ARNr, ARNmensajero y enzimas) entre el núcleo y el citoplasma. El nucleolo está inmerso en la membrana nuclear y se encarga de sintetizar ARNr. El núcleo contiene el material genético (ADN y ARN). El ADN está rodeado por proteínas llamadas histonas y contiene múltiples cromosomas.
Retículo endoplasmático
Existen dos tipos: el retículo endoplasmático rugoso que es una red de canales o sacos membranosos (cisternas) que se extiende desde la membrana nuclear y están recubiertos de ribosomas; su función es sintetizar proteínas y catalizar las unión entre éstas y otros compuestos como carbohidratos o lípidos que luego son secretados a la membrana.
El retículo endoplasmático liso, no tiene ribosomas (de allí su nombre) pero tiene enzimas que sintetizan fosfolípidos, grasas, esteroides (estrógenos, tetosterona y colesterol), además de fagocitar sustancias tóxicas como el alcohol y drogas (figura 5).
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Figura 5. Estructura del retículo endoplasmático. Se observa el retículo endoplasmático liso (RE liso) y el retículo endoplasmático rugoso (RE rugoso) con ribosomas en su interior (tomado de Tortora et al. 2007). Aparato de golgi
Es una red de canales o cisternas que recibe vesículas (con proteínas) que vienen del retículo endoplasmático rugoso y después de reacciones enzimáticas las proteinas sufren modificaciones para generar glicoproteínas, glucolípidos y lipoproteínas las cuales pueden ser secretadas y transportadas hasta la membrana celular (figura 6).
Lisosomas
Son estructuras esféricas rodeadas de membrana, formados a partir del aparato de golgi, contienen enzimas capaces de degradar diversas sustancias e incluso bacterias.
Vacuolas
Son cavidades derivadas del aparato de golgi rodeadas de una membrana llamada tonoplasto, presentes en su mayoría en células vegetales. Sus funciones están relacionadas con almacenamiento de nutrientes, desechos y agua.
18 Figura 6. Aparato de golgi. Se observan vesículas que llegan desde el RE rugoso (tomado de Tortora et al. 2007).
Mitocondrias
Son organelas esféricas o bastoniformes compuestas por una doble membrana (interna y externa) que forma pliegues llamadas crestas y con un interior semilíquido conocido como matriz. Las mitocondrias contienen ADN y ribosomas 70S indispensables para la producción de enzimas que participan en varias actividades metabólicas exclusivas de esta organela. Sus funciones están relacionadas con la respiración celular y producción de ATP. También pueden dividirse para generar nuevas mitocondrias en la misma célula. Cloroplastos
Son estructuras grandes de doble membrana que contienen la clorofila necesaria para la fotosíntesis. También contienen ADN, ribosomas 70S y enzimas que participan en la síntesis de proteínas; además de poder “reproducirse” dentro de la misma célula. Los cloroplastos contienen granas, las cuales son agrupaciones de sacos aplanados llamados tilacoides donde se encuentra el pigmento de la clorofila. Están presentes en algas y plantas.
Peroxisomas
Son orgánulos pequeños rodeados de membranas con enzimas que oxidan sustancias orgánicas (aminoácidos, ácidos grasos) y tóxicas (alcohol, peróxido de hidrógeno). La catalasa se encuentra en esta organela.
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Centrosomas
Está formado por material pericentriolar (zona del densa citosol de fibras proteínicas) y centriolos (nueve tripletes de microtúbulos). Sus funciones están relacionadas con la división celular en la formación del huso mitótico.
Lección 8. Estructura vírica
Los virus (del latín virus = veneno) son entidades infecciosas o elementos genéticos de ADN o ARN que se replican indispensablemente dentro de una célula huésped utilizando su maquinaría celular y enzimática; pero tienen formas extracelulares que facilitan su transmisión entre células. Muchos autores no los consideran seres vivos porque sin la célula huésped que infectan éstos no podrían replicarse y por lo tanto no existirían. A diferencia de las células eucariotas y procariotas los virus no tienen estructuras celulares (membrana celular, pared celular, citoplasma, núcleo) y pocas o ninguna enzima que le permita realizar actividades metabólicas.
Los virus son entidades muy pequeñas (20 - 1000 nm) que sólo pueden observarse con la ayuda de microscopios electrónicos y tienen la capacidad de atravesar filtros bacteriológicos. Su espectro de células huésped es amplio (plantas, animales) y los que infectan a bacterias conocidos comobacteriófagos. Cuando los virus están libres de manera extracelular se le conoce como virión, están compuestos por ácidos nucleicos (ADN o ARN pero nunca ambos) y una cubierta o cápside. Los virus no son susceptibles a antibióticos por lo tanto su empleo en enfermedades virales es inocuo es innecesario, sólo aumenta la posibilidad de resistencia bacteriana (cuadro 1). Entre las partes víricas están:
Acido nucleico
Está constituido por ADN o RNA y éstos pueden ser monocatenario (una cadena o cadena sencilla) o bicatenario (dos cadenas o cadena doble) o dividido en varios segmentos. Por lo general el material genético viral es mucho más pequeño que en bacterias (5000 bases – 230.000 pared de bases). Los ácidos nucleicos tienen la
NOTA:En este enlace encontrará un video sobre estructura y función celular:
http://www.youtube.com/watch?v=395B4JZg6I0&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=f9TA7-sypXs&feature=related
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información necesaria para sintetizar proteínas y enzimas virales indispensables para la replicación viral.
Cápside y envoltura
La cápside es la cubierta proteínica que envuelve al material genético y está constituido por subunidades estructurales proteicas llamados capsómeros, la composición química de éstos puede ser de una o varias proteínas y varía de acuerdo al virus. La cápside es la que determina la forma del virus.
La envoltura es una membrana constituida por lípidos, proteínas y carbohidratos, se forma durante la maduración viral mediante un proceso de gemación a través de la membrana celular de la célula huésped. Algunos virus tienen prolongaciones por fuera de la envoltura conocidas como peplómeros; usualmente están conformados por glucoproteínas virales. También tienen proteínas no glucosiladas por debajo de la envoltura. Es importante aclarar que el carbohidrato que se añade a las proteínas no es de origen viral si no que es aportado por la célula huésped mientras que la proteína si es codificada por el virus (Llop et al. 2001).
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Existen virus sin envoltura o virus desnudos, en este tipo de virus la cápside protege al material genético de la degradación por parte de nucleadas (DNasa y RNasa).
Los virus se clasifican morfológicamente con base a la simetría o arquitectura de su cápside mediante estudios de microscopía electrónica, crioelectrónica y cristalografía de rayos X. Los principales grupos son: virus helicoidales (virus de la rabia, virus mosaico del tabaco, TMV), virus poliédricos (virus del papiloma humano, HPV), virus con envoltura (virus de la gripe, VIH) y virus complejos como el caso de los bacteriófagos (Fago T4), ver algunos en la figura 7.
Figura 7. Tipos de virus (tomado de Tortora et al. 2007).
NOTA:
En este enlace encontrará un video sobre virus :
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Lección 9. Morfología de bacterias
Las bacterias tienen diversidad de formas y tamaños y se clasifican de acuerdo a su forma en varios grupos (figura 8):
Cocos: Bacterias de forma esférica, redonda u ovalada. Cuando se dividen pueden agruparse entre si de varias formas: diplococos (cocos en pares), tetracocos (grupos de cuatro), estreptococos (cocos unidos en forma de cadena) y estafilococos (en agrupaciones amplias semejantes a racimos).
Bacilos: Bacterias en forma cilíndrica o de bastón. Después de la división celular pueden agruparse de diversas formas: diplobacilos (bacilos unidos en pares), estreptobacilos (unidos en cadenas) y cocobacilos (bacilos ovalados).
Espirilos: Bacterias en forma helicoidal o de espiral, son relativamente rígidos. Espiroquetas: Bacterias en forma de espiral, sacacorchos o helicoidal pero flexibles.
Otras formas menos comunes como las bacterias en forma de estrella, rectangular y triangular.
Figura 8. Morfología de células bacterianas (tomado de www.oocities.org).
NOTA:
En este enlace un documento para ampliar esta lección y las anteriores: http://www.higiene.edu.uy/cefa/2008/MorfologiayEstructuraBacteriana.pdf
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Lección 10. Microscopía óptica y electrónica
La gran mayoría de los microorganismos no se pueden observar a simple vista y por lo tanto se requiere el uso de un equipo o instrumento muy conocido, el microscopio (micro = pequeño; scopio = observar) el cual permite visualizar objetos de estudios que a simple vista sería imposibles de percibir por el ojo humano.
El primer microscopio simple fue diseñado por Anton Van Leeuwenhoek e inicialmente tenía una sola lente; al transcurrir de los años muchos investigadores mejoraron las técnicas hasta llegar a la microscopía moderna.
Microscopía óptica (MO)
Se refiere al uso de microscopios que usen luz visible con el fin de visualizar u observar muestras. Existen varios tipos de microscopía óptica:
Microscopio óptico compuesto
Tiene varias lentes y usan luz visible como fuente de iluminación. Con sus lentes talladas permite aumentar muchas veces el tamaño de la muestra real gracias a los rayos luminosos que vienen de la fuente de luz y pasan por el condensador hasta llegar a la muestra, luego los rayos pasan a través de la lente del objetivo (lentes de 10X, 40 X y 100X) y puede finalmente observarse la muestra en el ocular (monocular o binocular), mirar la figura 9. Es usado para observar microorganismos vivos o teñidos.
Microscopio de campo oscuro
El condensador tiene un disco que bloquea los rayos de luz directa que llegaría a los objetivos, al no tener una luz de fondo directa, la muestra se observa iluminada en los bordes pero con un fondo o campo oscuro; es una técnica muy usada para observar estructuras muy pequeñas como flagelos y espiroquetas por la alta resolución (capacidad de distinguir entre dos puntos) de este tipo de microscopio. Ver figura 10.
24 Figura 9. Microscopio óptico compuesto. A la izquierda partes y funciones del microscopio. A la derecha trayecto de la luz de abajo hacia arriba hasta el ojo humano.
Microscopio de contraste de fase
Con la ayuda de un diafragma anular los rayos de luz de una fuente se reflejan o se difractan en la muestra, mientras que otros rayos la atraviesan, cuando ambos rayos se unen en los oculares se pueden detectar muestras con mayor diferenciación de estructuras internas de células vivas. (Figura 10)
Microscopio de fluorescencia
Se utilizan en muestras que fluorescen al exponerse a la luz ultravioleta. Algunas células lo hacen de forma natural como las que contienen clorofila; en las que no fluorescen naturalmente se puede usar fluorocromos (colorantes fluorescentes que tiñen las células) que absorben la longitud de onda corta (luz U.V) y emiten luz visible, que es de mayor longitud de onda. Con este tipo de microscopio la muestra se observa brillante o fluorescente contra un fondo oscuro (figura 10). Usado para diagnóstico de microorganismos, ecología microbiana o técnicas de inmunofluorescencia (se tiñen anticuerpos para reaccionar con antígenos).
25 Figura 10. Imágenes de Paramecium por microscopia óptica (MO). A la izquierda fotografía con microscopio de campo claro, en el centro con MO de campo oscuro y a la derecha con MO de contraste de fase (Tomado de Tortora et al. 2007).
Microscopía electrónica (ME)
El microscopio electrónico se ha convertido en una valiosa herramienta para el estudio detallado de estructuras muy pequeñas, virus e incluso moléculas que serían imposibles de ver con microscopía óptica. Aunque la finalidad es la misma existen varias diferencias entre ambos microscopios; los microscopios electrónicos no usa una fuente de luz o fotones sino un haz de electrones que viajan en forma ondulatoria en longitudes de onda mucho menores que la luz blanca lo que aumenta notablemente el poder de resolución. También se diferencia en el uso de lentes electromagnéticas para enforcar la luz en la muestra deshidratada en lugar de lentes de vidrio; no se usan portaobjetos de vidrio sino una rejilla de cobre (Tortora et al. 2007). Las imágenes obtenidas son a blanco y negro pero se les puede dar color desde el ordenador. No se puede trabajar con organismos vivos. Hay dos tipos de microscopía electrónica:
Microscopio electrónico de transmisión (MET)
Un haz o rayo de electrones enfocado por un lente condensador electromagnético se dirige sobre una muestra ultra delgada que es atravesada por los electrones dirigidos hacia lentes electromagnéticas del objetivo, éste se encarga de ampliar la imagen y por último enfocarlos en las lentes electromagnéticas proyectoras sobre una pantalla que fluoresce cuando recibe el impacto de los electrones (figuras 11 y 12). Se pueden usar sales de metales pesados para “teñir” las muestras (Llop et al. 2001; Tortora et al. 2007). Como desventajas se destaca que los cortes deben ser ultradelgados, fijados y deshidratados en vacío. No genera imágenes tridimensionales. Las microfotografías por ME son a blanco y negro pero son coloreadas desde un ordenador.
Figura11. Microscopios electrónicos. A la izquierda microscopio electrónico de transmisión (MET) y a la derecha microscopio electrónico de barrido (MEB) (tomado de Tortora et al. 2007).
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Microscopio electrónico de barrido (MEB)
Un haz de electrones (haz primario) producido por un cañón pasa las lentes electromagnéticas y la muestra que a su vez libera electrones secundarios de la superficie de ésta que pueden ser capturados, detectados y ampliados para producir una imagen tridimensional en una pantalla. A pesar de tener menor resolución que el MET es muy útil para producir imágenes tridimensionales de superficies de células o virus (Llop et al. 2001) ver las figuras 11 y 12.
Figura 12. Microfotografías de Paramecium con microscopía electrónica. A la derecha imagen desde un microscopio electrónico de transmisión (MET) y a la derecha desde un microscopio electrónico de barrido (MEB).
NOTA:
En este enlace encontrará un video de microscopía:
http://www.youtube.com/watch?v=gA3V7N6E6LA&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=fgnkdgHXK_Y&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=9-qps2KU7WM&feature=related
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Capítulo 3. Metabolismo microbiano
Lección 11. Reacciones metabólicas y conservación de la energía
Para que un organismo pueda cumplir con todas las funciones celulares y crecimiento realiza un conjunto de reacciones y transformaciones bioquímicas que liberan o consumen energía, proceso conocido como metabolismo. Cuando la célula degrada compuestos orgánicos en moléculas más simples y lleva a cabo reacciones químicas que producen energía (exergónicas) se le conoce como catabolismo o metabolismo degradativo; un ejemplo de ésto es la glucólisis donde se degrada el azúcar para obtener o liberar energía y otros compuestos. Esta energía liberada se usa en el anabolismo o biosíntesis, el cual tiene como finalidad la construcción de macromoléculas a partir de moléculas simples, éste es un proceso endergónico; por ejemplo la construcción de proteínas a partir de sus monómeros (aminoácidos). Todas las reacciones catabólicas y anabólicas están mediadas por enzimas y ambas se complementan, es decir, para la supervivencia de una célula deben presentarse ambos procesos acoplados.
La forma química más usual de energía es la molécula de adenosín-trifosfato (ATP) conocida como la moneda energética del metabolismo, éste se forma en procesos de fotosíntesis o en la degradación de compuestos orgánicos o inorgánicos. Las reacciones catabólicas están acopladas a liberar o sintetizar ATP mientras que las anabólicas lo degradan o consumen. Es importante mencionar que aunque las células mantienen el equilibrio metabólico para todas sus funciones celulares con el ATP, la mayor proporción de energía aportada por esa molécula es liberada en forma de calor. Ejemplo, la mayor cantidad de energía en el ser humano es liberada en forma de calor para mantener la temperatura corporal y la restante para las actividades metabólicas.
Dentro del metabolismo generador de ATP existen dos mecanismos a nivel de membrana para sintetizarlo, la fosforilación a nivel de sustrato y el transporte de electrones (también conocido como fosforilación oxidativa) y dentro de esos mecanismos hay dos modos para generar ATP: la oxidación biológica (fermentación o respiración) y la fotosíntesis. La fermentación y la respiración son dos mecanismos para la conservación de la energía, la cual establece que la energía no puede crearse ni destruirse, solo se transforma (cuadro 2).
28 Cuadro 2. Reacciones de óxido reducción para obtención de energía por bacterias (tomado de Llop et al. 2001).
Fermentación
Es un proceso catabólico generador de ATP a partir de compuestos orgánicos en el que éstos sirven como donadores y aceptores de electrones. Aquí no existe un aceptor final de electrones como lo es el O2 en la respiración. Los microorganismos pueden usar como
sustrato en la fermentación carbohidratos, ácidos orgánicos, aminoácidos y nucleótidos. La fermentación es un proceso anaeróbico que sólo puede generar ATP a través de la fosforilación a nivel sustrato. Por ejemplo la producción de ácido láctico a partir de glucosa por Streptococcus. Este proceso es propio de microorganismos anaerobios estrictos, facultativos y anaerobios aerotolerantes.
Respiración
Es un proceso metabólico generador de ATP a través de la fosforilación oxidativa donde el oxígeno u otro aceptor de electrones pueden actuar como aceptor final de electrones. En la respiración compuestos orgánicos (en heterótrofos) e inorgánicos (bacterias litótrofas) pueden donar y aceptar electrones. La respiración puede ser aerobia, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y anaerobia, donde el aceptor final de electrones puede ser sulfatos, nitratos y carbonatos (Llop et al 2001) ver cuadro 2. La respiración aerobia produce mucha más energía que la fermentación.
La respiración aerobia consta de tres pasos: formación de piruvato a partir de sustancias orgánicas, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones. La respiración aerobia produce mucha más energía que la anaerobia.
Fotosíntesis
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Lección 12. Glucólisis
Es un proceso metabólico catalizado por enzimas que oxidan una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato y 2 NADH+. Este proceso de degradación de azúcares se da en el citosol de las células y el
destino de los productos finales varía de acuerdo a las necesidades fisiológicas del organismo (figura 13).
En presencia de oxígeno el piruvato puede pasar al ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico o tricarboxílico) en las mitocontrias, el ATP puede usarse como fuente de energía y el NADH puede pasar a la cadena transportadora de electrones en las mitocondrias para generar más ATP (figura 13).
En ausencia de oxígeno el piruvato puede usarse como sustrato para la fermentación y producir lactato, etanol y CO2. El NADH se usa en la reducción del piruvato en la
fermentación (figura 14).
Figura 13. Oxidación global de la glucosa (tomado del
enlace: http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/Seccion%202/2%20-%20Capitulo%208.htm)
30 Figura 14. Fermentación para la producción de etanol y lactato (tomado del enlace: http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/Seccion%202/2%20-%20Capitulo%208.htm).
En honor a sus descubridores la glucólisis (figura 15) también es conocida como la vía de Embden-Meyerhof. La glucólisis se divide en dos etapas, algunos autores la dividen en tres cuando se refieren a la fermentación del piruvato en ausencia de oxígeno.
31 Figura 15. Glucólisis
En la primera etapa preparatoria no se incluyen reacciones de oxido-reducción, se invierten dos moléculas de ATP pero no se genera energía, al terminar esta fase a partir de una molécula de glucosa se forman dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato. Una de ellas obtenida por la catálisis de una aldolasa y la otra para la actividad enzimática de una triosa fosfato isomerasa. Por lo tanto en lo sucesivo ocurre el mismo proceso degradativo para ambas moléculas de gliceraldehido 3-fosfato.
La segunda etapa es la fase de oxido reducción o conversión de energía, en ella por la acción de la gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa de forman dos equivalentes reductores (NADH + H+) y por la fosfoglicerato quinasa se generan las dos primeras
moléculas de ATP. Luego por la actividad de la enzima piruvato quinasa sobre el fosfoenolpiruvato se forman los dos ATP restantes y dos piruvatos.
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En la glucólisis se generan 4 moléculas de ATP, pero el valor neto es de 2 ATP dada a inversión de ATP que se hizo en la primera etapa.
La etapa fermentativa de la glucólisis en ausencia de oxígeno no genera energía, sino etanol, lactato, acetato o CO2 dependiendo de la enzima que realice la actividad
degradativa, aunque estos productos son muy útiles en la industria alimentaria no se tiene claro la importancia de estos metabolitos en los microorganismos que los producen (bacterias, levaduras). La fermentación que forma el lactato también se da en células humanas (células musculares y eritrocitos).
NOTA:
Favor ver el siguiente enlace para profundizar en la lección: http://comunidad.uach.mx/carzola/apuntesglucolisis.pdf
Lección 13. Ciclo del ácido cítrico
También conocido como ciclo de Krebs o ciclo de ácidos tricarboxílicos, es una serie de reacciones bioquímicas de óxido reducción de gran energía que hacen parte de la respiración de células aerobias, en las procariotas este proceso se realiza en el citosol mientras que en la células eucariotas en las mitocondrias.
En este ciclo el piruvato proveniente de la glucólisis sufre una descarboxilación por la acción de la enzima piruvato deshidrogenasa para generar aceltil-CoA, NADH y CO2 antes
de ingresar al ciclo de Krebs en la mitocondria. Allí el grupo acetilo se integra con el oxalacetato para formar citrato (un compuesto de 6 carbonos), luego se dan una
serie de reacciones químicas
(deshidratación, hidratación,
descarboxilación, fosforilación, oxido-reducción, ect) donde a partir de una molécula de piruvato se forma: 1 molécula oxalacetato, 2 moléculas de CO2, 3
equivalentes reductores de NADH+, 1 FADH
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Cada equivalente reductor de NADH al ingresar a la cadena de fosforilación oxidativa genera 2.5 ó 3 moléculas de ATP; cada FADH produce 1.5 ó 2 moléculas de ATP. Ambas cantidades son usadas. Si usamos la primera entonces a partir de una molécula de glucosa en la respiración aerobia se pueden generar 38 moléculas de ATP o 32 ATP en la segunda (cuadro 3).
Figura 16. Ciclo de Krebs o del ácido cítrico (tomado del enlace: http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/Seccion%202/2% 20-%20Capitulo%208.htm).
En la cadena transportadora de electrones o fosforilación oxidativa, las moléculas transportadoras (flavoproteínas, citocromos, ubiquinona y coenzima Q) producen reacciones de oxido reducción que liberan energía para generar ATP. En las células eucariotas la cadena transportadora se encuentra en la membrana interna mitocondrial mientras que en las procariotas en la membrana celular (figura 17).
Figura 17. Cadena transportadora de electrones en (tomado del enlace:http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/Seccion%202/2%2 0-%20Capitulo%208.htm).
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Cuadro 3. Rendimiento energético por la oxidación de una molécula de glucosa. Tomado del enlace:( http://iescarin.educa.aragon.es/estatica/depart/biogeo/varios/BiologiaCurtis/Seccion%202/2%20-%20Capitulo%208.htm).
NOTA:
Favor ver este video en el siguiente enlace:
http://video.google.com/videoplay?docid=-4979202337380045677#
Lección 14. Fotosíntesis en microorganismos
La fotosíntesis es el proceso de conversión de energía lumínica en energía química, donde a partir de sustancias inorgánicas simples (CO2) se pueden obtener compuestos
orgánicos de mayor complejidad (azúcares) indispensables para la vida de los organismos heterótrofos. La molécula de ATP se produce por transferencia de energía de fotones de luz absorbidos por pigmentos fotosintéticos (clorofilas o bacterioclorofilas) donde los electrones se transfieren de átomos de hidrógeno a moléculas de azúcar. Este proceso es realizados por una diversidad de organismos: plantas, algas, cianobacterias, bacterias sulfurosas verdes y púrpuras.
En la fotosíntesis el CO2 sirve como fuente de carbono y el hidrógeno como aceptor final
de electrones, el cual se oxida y forma agua, las bacterias fotosintéticas usan compuestos inorgánicos como el hidrógeno o ácido sulfúrico como aceptor final de electrones.
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Las plantas, algas y cianobacterias usan el agua como fuente de hidrógeno y liberan el oxígeno:
6CO2 + 12H2O + Luz → C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Las bacterias rojas, sulfurosas y verdes usan el H2S como fuente de hidrógeno y
producen gránulos de azufre:
6CO2 + 12H2S → C6H12O6 + 6H2O + 12S
La fotosíntesis se da en dos fases. Fase lumínica (fotofosforilación) o reacciones dependientes de luz, donde la energía aportada por fotones es absorbida por la clorofila y excita sus electrones, éstos al excitarse pasan a una cadena transportadora de electrones donde bombean protones y el ADP se convierte en ATP, cuando la fotofosforilación es cíclica los electrones retornan a la clorofila pero cuando no lo es (no cíclica) reducen el NADP en NADPH y los electrones perdidos en este procesos son devueltos a las fotofosforilación cíclica por moléculas de agua (figura 18 y 19). En la fase lumínica de forma entonces: oxígeno, ATP y NADPH. En la fase oscura (ciclo de Calvin) o reacciones independientes de luz los electrones derivados de la fase lumínica, NADPH y el ATP son empleados para la reducir el CO2 a azúcar.
Figura 18. Fotofosforilación cíclica (tomado de Tortora et al. 2007).
Cuando las plantas, algas y cianobacterias utilizan protones (átomos de hidrógeno) provenientes del agua para reducir el CO2 y producir oxígeno molecular se dice que
hay una fotosíntesis oxigénica, pero existen bacterias (bacterias verdes y púrpuras) que no pueden usar el agua para reducir el dióxido de carbono y al no generar oxígeno se le conoce como fotosíntesis anoxigénica. Estas bacterias no utilizan la clorofila a sino bacterioclorofila, un pigmento que absorbe la luz en longitudes de onda superior a la clorofila a; la localización de la bacterioclorofila en los microorganismos es variable (en clorosomas, en la superficie, inmersas o en invaginaciones de la membrana celular). El cuadro 4 compara la fotosíntesis en procariotas y eucariotas.
36 Figura 19. Fotofosforilación no cíclica (tomado de Tortora et al. 2007).
Cuadro 4. Comparación de fotosíntesis en células eucariotas y procariotas (tomado de Tortora et al. 2007).
NOTA:
Leer en el siguiente enlace para mayor
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Lección 15.Alternativas catabólicas
Así como los microorganismos son diversos, de la misma manera su comportamiento nutricional donde las fuentes de carbono y energía varían, la figura 20 sintetiza de forma clara los tipos de nutriciones.
Según la fuente de energía que usen los microorganismos pueden ser fotótrofos o quimiótrofos. Los fotótrofos utilizan la luz como fuente de energía mientras que los otros usan compuestos orgánicos a través de reacciones de óxido reducción. Según la capacidad para producir alimento pueden ser: autótrofos, fabrican su propio alimento y usan el CO2 como fuente de carbono, los heterótrofos requieren una fuente de carbono
orgánica. Entonces si combinamos la fuente de energía y carbono los microorganismos se pueden clasificar en otras categorías: fotoautótrofos, fotoheterótrofos, quimioautótrofos y quimioheterótrofos.
38 UNIDAD 2. DIVERSIDAD MICROBIANA
Capítulo 4. Crecimiento microbiano
Lección 16. Crecimiento celular y fisión binaria
El crecimiento celular de las bacterias contrario a lo que podemos inferir no está relacionado con el aumento de tamaño de las bacterias si no con incremento del número de células, las cuales incluso pueden ser observadas a simple vista cuando éstas se agrupan y forman colonias. Pero para que una bacteria sea capaz de dividirse tiene requerimientos energéticos y nutricionales (disponibilidad de nutrientes, condiciones ambientales químicas y físicas) que le ayuden a realizar todas las actividades de síntesis que permitirán conformar su estructura física, es decir, pared celular, membrana, material genético, cuerpos de inclusión, etc.
La mayoría de las bacterias se reproducen asexualmente por fisión binaria (figura 21), donde una célula se divide para producir dos células hijas con la misma información genética (con altas tasas de mutaciones) que su progenitora. Durante el crecimiento celular se duplican los componentes que constituyen a la célula (macromoléculas, monómeros, sustancias orgánicas) e incluso el ADN donde éste en su origen de replicación (Ori) inicia la síntesis de una molécula de ADN a partir de una preexistente; permitiendo que la célula hija reciba todo el componente genético y estructural de manera que pueda realizar todas las funciones metabólicas.
Figura 21. Fisión binaria. Tomado del enlace: http://elprofedebiolo.blogspot.com/2010/01/la-celula-procariota.html
Además de las bacterias, también las levaduras, algas unicelulares, protozoos y archaeas se reproducen por fisión binaria.
Para el crecimiento celular se necesitan varias condiciones o requerimientos físicos (pH, temperatura, presión osmótica) y químicos (fuentes de carbono, nitrógeno, azufre, fósforo, elementos traza, oxígeno, vitaminas, etc). En esta lección describiremos los requerimientos químicos o nutricionales y en las próximas lecciones los físicos.
39 Fuente de carbono
Es la principal fuente para la obtención de energía, y composición de elementos o estructuras celulares. Los organismos fotosintéticos (autótrofos) obtienen el carbono a partir del CO2 y lo convierten en glucosa, mientras que los heterótrofos lo obtienen de
fuentes orgánicas como carbohidratos, proteínas, y lípidos. El carbono constituye casi la mitad de peso seco de una célula.
Fuente de nitrógeno
Sirve para la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos (ADN, ARN) y enzimas. Los microorganismos lo pueden asimilar a partir de fuentes inorgánicas o de compuestos que lo contengan como es el caso de las proteínas. Unas bacterias utilizan el nitrógeno en la forma reducida proveniente del amonio (NH4+), otras a partir de nitratos (NO3-) o nitritos
(NO2-) y las fijadoras de nitrógeno o las simbióticas a parir de nitrógeno molecular o libre
(N2).
Fuentes de azufre y fósforo
El azufre es útil para la síntesis de ciertos aminoácidos, coenzimas y vitaminas que contienen este elemento es su composición estructural (indispensable para la formación de enlaces disulfuro en proteínas). Se puede obtener en la naturaleza partir del ión sulfato (SO4-2), sulfuro de hidrógeno (H2S) y aminoácidos que lo contengan.
El fósforo es un elemento indispensable para la síntesis de ATP, ácidos nucleicos y fosfolípidos y se encuentra principalmente en iones de fosfato inorgánico (PO43-).
Elementos traza y vitaminas
Existen otros elementos que si bien no se requieren en grandes cantidades son importantes para la actividad metabólica o composición celular, donde alguno de ellos actúa como cofactores o facilita la producción, degradación de ciertos sustratos o sustancias y en la formación de esporas, entre ellos tenemos al calcio, hierro, cobre, magnesio, manganeso, potasio, zinc, sodio y cloro. Estos últimos se requieren en grandes cantidades (NaCl) para el crecimiento de bacterias halófilas.
NOTA:Por favor ver el siguiente enlace las páginas 168 hasta 183 y 188 hasta 208:
http://books.google.com.sv/books?id=Nxb3iETuwpIC&printsec=frontcover&dq=introd ucci%C3%B3n+a+la+microbi%C3%
B3logia+tortora&hl=es&ei=15w9TuzyHuPX0QH3v7DDBw&sa=X&oi=book_result&ct= book-thumbnail&resnum=1&ved=0CCsQ6wEwAA#v=onepage&q&f=false
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Lección 17. Curva de crecimiento
Durante el ciclo de crecimiento el comportamiento de las poblaciones bacterianas puede estudiarse mediante el crecimiento de las células en función del tiempo. Cuando inoculamos bacterias en un medio de cultivo líquido y fresco se dan cuatro fases en las que se puede dividir el crecimiento microbiano (figura 22).
Figura 22. Curva de crecimiento microbiano. Ver detalle en el texto. (Tomado http://www.facmed.unam.mx/deptos/microbiologia/bacteriologia/generalidades.html).
Fase de adaptación, retraso o latencia
Es un periodo de adaptación al medio donde las bacterias comienzan a prepararse metabólicamente sintetizando enzimas y moléculas importantes para la reanimación del crecimiento. En esta fase la división celular es escasa o nula con velocidad de crecimiento Vc = 0. Este periodo puede durar entre 1 hora o varios días dependiendo del microorganismo, las condiciones de crecimiento y la edad del cultivo del que se tomó el inóculo.
Logarítmica o exponencial
Es la fase de máximo crecimiento celular y actividad metabólica donde las células comienzan a dividirse activamente a velocidad constante Vc = constante. En este periodo los microorganismos aprovechan al máximo los nutrientes presentes en el medio de
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cultivo y cuando se le aportan todas las condiciones óptimas puede generar productos de interés industrial; aunque es la fase de mayor sensibilidad a antimicrobianos.
Fase estacionaria
Cuando de agotan los nutrientes, aumentan las toxinas, cambia el pH y disminuye el oxígeno la velocidad de crecimiento comienza a decrecer hasta llegar a cero Vc = 0, ya que el número de células que se dividen es igual al número de células que mueren. Fase de declinación o muerte
En esta fase el número de células de células que se dividen comienzan a disminuir notablemente mientras que aumentan de una forma sostenida las que mueren, Vc = negativa, en esta etapa las células pierden casi completamente toda sus actividad metabólica y comienzan a lisarse mientras que unas pocas, las más resistentes pueden sobrevivir con los nutrientes de las que mueren.
NOTA:
Leer en el siguiente enlace para mayor información:
http://www.ucv.ve/fileadmin/user_upload/facultad_farmacia/catedraMicro/08_Tema_6_crecim iento.pdf
Lección 18. Medidas directas del crecimiento microbiano
Existen varios métodos para medir el crecimiento de las poblaciones microbianas: Recuentos en placa o de colonias
Es el método más usado para medir poblaciones bacterianas, ya que a diferencia de otros permite contabilizar el crecimiento de células viables, es decir células que pueden dar una descendencia. Su principal desventaja es que requiere mínimo 24 horas para conocer los resultados del recuento y en la industria a veces se requieren resultados más rápidos. Es muy usado en la microbiología de alimentos, pero puede ser impreciso cuando se toman muestras naturales, como por ejemplo el suelo; donde no todos los microorganismos a pesar de estar presentes en la misma muestra podrán crecer en el medio de cultivo seleccionado dado a la diferencia de requerimientos nutricionales.
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Esta técnica se fundamenta en que cada colonia está compuesta por un solo tipo de bacteria. Los recuentos se informan en unidades formadoras de colonias (UFC). Existen dos métodos para realizar el recuento en placa: el método de placa vertida o el método de extensión en placa (figura 23). Cuando el número de colonias en placa supera el de 300 UFC es recomendable realizar diluciones seriadas para diluir el inóculo original y facilitar el conteo.
Figura 23. Métodos de recuento en placa de células viables (tomado de Madigan et al. 2003).
Método de extensión en placa
Se coloca un volumen de inóculo no superior a 0.1 ml (100 µl) sobre la superficie de un medio de cultivo y se extiende uniformemente por toda la placa con un asa o varilla de vidrio estéril hasta que el medio lo absorba por completo, posteriormente se incuba a una temperatura determinada hasta que aparezcan las colonias y así realizar el recuento. Ver figura 23.
Método de placa vertida
Sobre una placa estéril sin medio de cultivo se agrega cierto volumen del inóculo (0.1 – 1.0 ml) al que se añade el medio de cultivo con una temperatura de 45 o 50 °C, luego se agita suavemente la placa para mezclar, después que el agar se solidifica y se incuba las colonias crecerán y en la superficie del agar. El principal inconveniente de este método es que ciertos microorganismos sensibles al calor pueden verse dañados por la temperatura del agar fundido. Ver figura 23.
Método de diluciones seriadas
Cuando una muestra contenga muchos microorganismos que superen las 300 UFC se recomienda realizar diluciones seriadas que faciliten el conteo y permita obtener
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resultados confiables; luego de las diluciones se siembran las placas y se procede a hacer el conteo del número de colonias que debe ser multiplicado por el factor de dilución para obtener las UFC por mililitro de muestra original (figura 24).
Filtración
Es un método muy usado en microbiología de aguas cuando la concentración de bacterias presentes en la muestra es muy baja. Para la filtración por membranas 100 ml de agua atraviesan un filtro con poros muy pequeños que no pueden pasar las bacterias, las cuales se quedan en la superficie del filtro, éste se transfiere a una almohadilla con medio de cultivo donde las colonias pueden crecer y con una incubación previa hacer el recuento. Es una técnica muy usada para detectar y cuantificar bacterias de contaminación fecal (coliformes fecales).
NOTA:
Leer las secciones 6.5, 28.1 y 20.3 en: Madigan, M., Martinko, J & Parker, J. (2003). Brock biología de los microorganismos. (10 Ed). Madrid: Pearson Prentice Hall
Figura 24. Método de diluciones seriadas para recuento en placa de colonias (tomado de Tortora et al. 2007).
