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TEMA 14
MICROBIOLOGÍA
”Un mar calmado no hace buenos marineros”
Proverbio Inglés
BIOLOGÍA
2º BACHILLERATO
Microbiología-Biotecnología
Los microorganismos son un conjunto de seres vivos con una gran
sencillez estructural y organizativa y que, debido a su reducido
tamaño, sólo son visibles con el microscopio.
Tipos de microorganismos:
ORGANIZACIÓN MICROORGANISMOS ACELULAR: VIRUS
PROCARIOTA Y ANAEROBIOS (LA GRAN MAYORÍA):
ARQUEOBACTERIAS
AEROBIOS Y ANAEROBIOS: EUBACTERIAS
EUCARIOTA, CON PARED CELULAR Y CON CLOROFILA: ALGAS
SIN CLOROFILA : HONGOS
SIN PARED CELULAR : PROTOZOOS
Clasificación seres vivos
Clasificación Eucaria
Microorganismos-clasificación
Arqueobacterias
-Es el grupo más antiguo de bacterias.
-Tienen una membrana plasmática cuyos lípidos carecen de
ácidos grasos y, en su lugar, poseen hidrocarburos
- Su pared carece de mureína
-Su genoma está formado por una sola molécula de ADN
circular, más pequeña que la de eubacterias.
-Hay especies autótrofas, aunque la mayoría son heterótrofas.
-Son capaces de vivir en ambientes de condiciones extremas
de temperatura, salinidad, pH y anaerobiosis.
Halobacterium salinarum
Eubacterias
-También denominadas, simplemente, bacterias
-Actualmente están representadas por más de
2.000 especies diferentes, haciéndose
extremadamente complicada su clasificación.
-Desde el punto de vista estructural, poseen (o
pueden poseer):
• Doble membrana plasmática que limita al
sencillo protoplasma con ribosomas
• Pared celular
• Cápsula mucilaginosa
• Flagelos
• Fimbrias o pili
Estructura-Bacteria
Eubacterias
Mureína-Peptidoglucano
Protistas: Algas-Protozoos
Eucariotas – Algas unicelulares
• Con este nombre queremos designar a microorganismos eucariotas, con
nutrición fotoautótrofa y acuáticos.
• Su estructura celular es la que corresponde a una célula eucariota vegetal (con
pared celular, salvo alguna excepción, y plastos).
• Unas especies se reproducen
asexualmente (por bipartición,
gemación o esporulación) y otras
sexualmente;
• Poseen clorofila y realizan la
fotosíntesis, por tanto son autótrofos.
Se encuentran tanto en aguas saladas
como dulces y realizan alrededor del
70% de la actividad fotosintética del
planeta.
Eucariotas – Protozoos
•
Organismos unicelulares eucariotas que carecen de pared celular y que son
móviles, generalmente heterótrofos.
•
Muchos tienen cilios como órganos de locomoción, otros flagelos y algunos
emiten pseudópodos.
•
Se reproducen asexualmente por
escisión binaria aunque también
pueden reproducirse sexualmente
(conjugación).
•
Incluyen formas de vida libre y
parásita.
Hongos
•
Constituyen un grupo amplio y diverso de organismos eucariotas, unicelulares o
multicelulares.
•
Los hongos microscópicos son los mohos y las levaduras; los primeros son
multifilamentosos y pluricelulares, y las segundas son unicelulares.
•
Los mohos se reproducen
asexualmente por esporas haploides y
sexualmente por conjugación. Están
constituidos por hifas que forman en
conjunto el micelio.
•
Son individuos de nutrición
heterótrofa, y los hay saprofíticos,
parásitos y simbiontes.
Hongos
• Las levaduras se reproducen asexualmente por gemación y
sexualmente por fusión de dos células haploides de distinta sexualidad.
o Se desarrollan sobre frutas, flores, cortezas de árboles y en todos
aquellos hábitat ricos en azúcar.
o Pueden vivir de forma simbiótica con animales o también ser
patógenos de animales y ser humano.
Levadura
Virus: concepto y estructura
✓Los virus no son células, son agentes
infecciosos que infectan células, todo tipo
de células.
✓En general, los virus tienen un tamaño
a p r o x i m a d o d e e n t r e 2 0-3 0 0
nanómetros. El virus de la polio, por
ejemplo, es uno de los más pequeños y
tiene tan solo 20 nm de diámetro.
✓En un espacio tan pequeño como el punto
que hay al final de esta frase pueden caber
más de 50.000 virus de la polio.
Ébola
Tamaño
Estructura
Virus
❖ Ácido Nucleico
❖ Cubierta proteica
▪ La cápside que rodea al ácido
nucleico, formando ambos la
nucleocápside. La cápside está
formada por unidades proteicas
muy pequeñas, los capsómeros.
❖ Envoltura o cubierta
▪ Algunos virus poseen la
nucleocápside envuelta por una
membrana constituída por una
bicapa lipídica que procede de la
célula hospedadora. Los virus sin
cubierta se denominan
desnudos.
Estructura
HIV
Ébola
TMV
Mosaico del tabaco
Virus: Clasificación
Replicación en bacteriófagos: Lisis y Lisogenia
Ciclos Biogeoquímicos
Procesos de transformación de los elementos químicos por la actividad de los seres
vivos, y su intercambio entre los componentes bióticos y abióticos de la biosfera.
Ciclos Biogeoquímicos
El papel de los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos es vital puesto que sólo
ellos son capaces de realizar las dos funciones siguientes:
❖ Descomposición de la materia orgánica compleja procedente de restos
vegetales y cadáveres animales en materia orgánica sencilla
(descomponedores o desintegradores).
❖ Transformación (mineralización) de esta materia orgánica sencilla en
materia inorgánica (transformadores).
La mineralización permite:
• incorporar materia inerte a la biosfera impidiendo que ésta se vaya agotando.
• pone a disposición de los organismos vegetales materia inorgánica utilizable.
Los microorganismos cierran el ciclo del N a través de tres procesos:
1) Fijación biológica del N
•Es un proceso quimiosintético que permite incorporar el N atmosférico
como radical NH2 (nitrógeno reducido).
•Se puede realizar, según tipos de bacterias, en aerobiosis o anaerobiosis.
2) Nitrificación
•Consiste en la oxidación del N reducido que procede de la
descomposición de las proteínas (detritos orgánicos), convirtiéndolo de
nuevo en N asimilable (nitritos y nitratos) por los vegetales.
3) Desnitrificación
Consiste en la transformación (reducción) de los nitratos en N molecular,
en un medio anaerobio
Rhizobium
Leguminosas
Microorganismos útiles
Biotecnología
Fabricación del pan
Proceso llevado a cabo por la levadura
Sacharomyces cerevisiae, mediante fermentación
alcohólica.
Fabricación de vino y cerveza
Proceso llevado a cabo por la levadura Sacharomyces
cerevisiae, mediante un proceso parecido al anterior.
En la cerveza se realiza el malteado y se añaden flores
de lúpulo, que le confiere el carácter amargo.
Microorganismos útiles
Fabricación de queso y yogur
Proceso llevado a cabo por las las bacterias lácticas,
como Lactobacillus y Lactococcus. Se realiza la
fermentación láctica.
La fabricación del QUESO se realiza en 3 etapas:
• Formación de cuajada – uso de renina
• Filtración
• Maduración
Microorganismos útiles
En medicina
• Elaboración de antibióticos – Penicilina
• 1929 – Alexander Fleming estudiando Staphylococcus
aureus observó que una sustancia producida por el hongo
Penicillium
impedía el crecimiento de la bacteria
patógena.
• Once años más tarde, dos químicos británicos, Howard
Florey y Ernst Chain, lograron aislarla.
• Obtención de vacunas – viruela, Sarampión, tétanos, …
• Edward Jenner y Louis Pasteur sentaron las bases de la
práctica de la vacunación como medida preventiva
• En 1924, se obtuvo por primera vez un procedimiento
eficaz y seguro para inactivar los patógenos, o las toxinas
producidas por ellos, que promovió la producción
industrial de vacunas
• Actualmente, la obtención de vacunas se realiza por
medio de técnicas de ingeniería genética
Microorganismos útiles
En la lucha biológica
• Plagas de insectos - La bacteria Bacillus
thuringiensis produce una proteína, no tóxica
para los seres humanos, que se acumula en sus
esporas y actúa como un insecticida natural.
• Mareas negras – microorganismos que
degradan el petróleo
• Contaminación
Microorganismos útiles
En la flora intestinal
La flora intestinal produce una amplia variedad de reacciones metabólicas,
digestión de ácidos biliares, producción de vitaminas (tiamina, B12, K, ...), y gas
(metano, CO2, H2, y N2), una persona puede expeler unos 400-650 ml de flato
por día.
Microorganismos patógenos
Teoría microbiana de la enfermedad. Postulados de Koch
En 1876, Koch estudió el carbunco o ántrax, una enfermedad del ganado que infectaba
al hombre, y sobre la base de sus estudios formuló los siguientes postulados:
1) el organismo debe encontrarse siempre en animales que padecen la enfermedad
2) el organismo debe cultivarse en cultivo puro fuera del animal
3) al inocularse dicho cultivo en animales susceptibles, deben iniciarse los síntomas
característicos de la enfermedad
4) el mismo organismo debe ser aislado de nuevo de los animales experimentales
Infección no es sinónimo de enfermedad, ya que la infección no siempre produce
daños al hospedador.
Microorganismos patógenos
Enfermedad
Microorganismo
Sintomatología
Retrovirus
Infección de epitelios nasales y faringe.
Congestión nasal, descarga masal, estornudos, tos y febrícula.
Retrovirus
Infección de vías respiratorias superiores y, a veces, pulmonar. Fiebre alta, dolor de cabeza, escalofríos y fatiga. En casos graves, neumonía. Hay vacuna.
Sarampión
Retrovirus
Enfermedad infantil. Infección de vías respiratorias y de otros tejidos en casos graves. Tos, fiebre, ronchas en la piel, enrojecimiento de ojos. Hay vacuna.
Hepatitis B
Adenovirus
Debilidad general, náuseas, vómitos frecuentes, fiebre y amarilleamiento de la piel. Hay vacuna.
Sida
Retrovirus
Destrucción de linfocitos T. No hay vacuna.
Resfriado común
Gripe
Microorganismos patógenos
Enfermedad
Microorganismo
Sintomatología
Tuberculosis
Bacteria (Mycobacterium Infección pulmón y otros órganos. tuberculosis)
Neumonía
Bacteria
Infección pulmonar. Fiebre, escalofríos y dolor en el pecho. Hay antibióticos.
Tétanos
Bacteria (Clostridium tetani)
Afecta al sistema nervioso y provoca parálisis muscular del cuello y mandíbulas. Hay vacuna.
Sífilis
Lesiones en piel de genitales. Erupción cutánea B a c t e r i a ( T r e p o n e m a generalizada. En casos graves, afecta al sistema pallidum)
nervioso y vasos sanguíneos. Hay antibióticos.
Salmonelosis
Bacteria
Gastroenteritis, diarreas, vómitos, fiebre, dolores de cabeza y abdominales. Hay antibióticos.
Cólera
Bacteria (Vibrio cholerae)
Infección digestiva, diarreas graves que pueden ser mortales. Hay vacuna.
Microorganismos patógenos
Enfermedad
Microorganismo
Sintomatología
Dermatomicosis
Hongo (Tinea pedis)
Lesiones circulares en la piel y dermis. Hay fungicidas.
Candidiasis
H o n g o ( C a n d i d a Inflamación pared vaginal (vaginitis) y uretritis albicans)
(ambos sexos). Hay quimioterapia (fungicidas).
Vaginitis, dolor al orinar; infección uretra (ambos sexos), próstata y vesicula seminal (hombre). Hay quimioterapia.
Tricomoniasis
Protozoo
Malaria
Fiebre, escalofríos, sudoración y dolor de cabeza. Además se pueden presentar náuseas, vómitos, tos, P r o t o z o o heces con sangre, dolores musculares, ictericia, (Plasmodium)
defectos de la coagulación sanguínea, shock, insuficiencia renal o hepática, trastornos del sistema nervioso central y coma.
Microorganismos patógenos
Aparecen en el mundo microscópico otras formas acelulares de menor tamaño,
capaces de causar enfermedades. Estas formas son los viroides y los priones.
Microorganismos patógenos
• Los priones son partículas infecciosas proteicas que provocan encefalopatías
espongiformes transmisibles.
Encefalopatía espongiforme bovina
Enfermedad de Creutzfeldt-­‐Jakob
• Las células normales del cerebro tienen una proteína de membrana llamada PrPC.
Los tejidos afectados por estas patologías presentan una proteína con la misma
secuencia de aminoácidos pero con una estructura terciaria diferente, denominada
PrPSC. Este cambio de forma provoca la acumulación de la proteína anómala en el
tejido nervioso y provoca su muerte.
Biotecnología. Ingeniería genética
La ingeniería genética puede definirse como un conjunto de
técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular
el genoma de un ser vivo.
Esta manipulación consiste básicamente en:
• Introducir nuevos genes en un genoma.
• Eliminar los genes ya existentes en un genoma.
• Modificar la información contenida en un gen determinado.
Biotecnología. Clonación
1. Obtención del fragmento de ADN que contiene el gen
2. Inserción del gen en un vector de clonación
3. Introducción del vector de clonación en la célula hospedadora
4. Detección de las células hospedadoras que portan el gen clonado
Biotecnología. Clonación
1. Obtención del fragmento de ADN que contiene el gen
• Se aísla y purifica el ARN mensajero (que ya no contiene intrones) de la
proteína buscada.
• A continuación, y utilizando el ARNm como molde, se emplea la transcriptasa
inversa, enzima capaz de transcribir el ARN en ADN, para sintetizar
artificialmente el ADN complementario.
Biotecnología. Clonación
2. Inserción del gen en un vector de clonación
• Los vectores de clonación son pequeñas moléculas de ADN,
generalmente circulares, que tienen capacidad para
autorreplicarse dentro de las células hospedadoras,
independientemente del o de los cromosomas de éstas. Se
utilizan con frecuencia dos tipos de vectores de clonación:
Biotecnología. Clonación
2. Inserción del gen en un vector de clonación
•Plásmidos. Son moléculas de ADN circular, presentes en la mayoría de las
bacterias, con un tamaño más pequeño que el del cromosoma. Los plásmidos
pueden replicarse con independencia del cromosoma bacteriano, ya que
tienen su propio origen de replicación.
•Genomas de algunos virus. Se trata también de moléculas pequeñas de
ADN, que contienen su propio origen de replicación.
Biotecnología. Clonación
2. Inserción del gen en un vector de clonación
Además del origen de replicación, los vectores de clonación deben portar
también otros genes, denominados marcadores, que identifiquen rápida y
fácilmente las células que contienen el vector de clonación, (generalmente son
genes de resistencia a antibióticos o de luminiscencia).
En esta fase son necesarias las enzimas de restricción para que vector y ADNc
se unan, ya que estas rompen el ADN por secuencias fijas (palindrómicas) de
unos 6 pb, de manera que estos extremos idénticos (pegajosos o cohesivos) se
puedan unir mediante ADN ligasas.
Biotecnología. Clonación
Enzimas de restricción
•
Estas enzimas son endonucleasas presentes en muchas bacterias, y que tienen la propiedad de cortar el ADN extraño que penetra en ellas. •
Lo cortan por sitios específicos dentro de la secuencia de reconocimiento, formada por 4 pares de bases. En cada extremo queda un trozo de hebra monocatenaria formado por las bases de la secuencia de reconocimiento. •
Estos extremos se denominan cohesivos o "pegajosos", ya que es por ellos por donde se pueden unir otros fragmentos de ADN cortados por la misma enzima de restricción, al ser sus bases complementarias. Enzimas de restricción
Enzimas de restricción
3. Introducción del vector de clonación en la célula hospedadora
4. Detección de las células hospedadoras que portan el gen clonado
• Como ya se ha mencionado, además del gen clonado, el vector de
clonación lleva también otro gen, de fácil detección fenotípica, al que se
denomina gen marcador.
• En otros casos, el gen se detecta mediante una sonda, que consiste en una
cadena de ADN, complementaria de una de las hebras de ADN del gen
clonado, marcada radiactivamente. Esta cadena hibridará con el gen clonado,
revelando su presencia por autorradiografía.
PCR
• Como ya se ha Es la amplificación de DNA in vitro por medio de la
polimerización en cadena de DNA utilizando un termociclador.
• Es la amplificación de DNA in vitro por medio de la polimerización en
cadena de DNA utilizando un termociclador.
•El propósito del PCR es hacer muchas copias de un fragmento de DNA.
•Se realiza la amplificación de un segmento específico de DNA, teniendo
poco material disponible.
• Como ya se ha Es la amplificación de DNA in vitro por medio de la
polimerización en cadena de DNA utilizando un termociclador.
• Fue diseñada por el Dr. Kary Mullis en 1987.
• Ganó el premio Nóbel de Química en 1993 por su invento.
•Utilizó el PCR para amplificación del gen de β-hemoglobina humana, y el
diagnostico prenatal de anemia falciforme.
Requisitos para PCR
• DNA molde. El DNA a amplificar puede tener desde 50 a 2,000
nucleótidos de longitud.
• Dos primers específicos. Son secuencias cortas de nucleótidos,
complementarias a una región del DNA que se quiere amplificar.
• Enzima DNA polimerasa. Mezcla de las 4 bases nucleotídicas.
• Termociclador. Es una máquina que calienta y enfría la reacción en
periodos cortos de tiempo.
El PCR implica 3 pasos:
1. El DNA a clonar se desnaturaliza en cadenas sencillas. (90 a 95ºC)
2. APAREAMIENTO. (50º - 70ºC). Los oligonucleótidos o primers se unen al
DNA de cadena sencilla.
3. EXTENSIÓN. A la mezcla de reacción se le añade una DNA polimerasa
resistente al calor. (Taq. Polimerasa), extiende los primers añadiendo
nucleótidos en dirección 5’- 3’
GENES