Download HISTORIA DE LA MICROBIOLOGÍA

INTRODUCCIÓN A LA
MICROBIOLOGÍA
M. Paz
UMG-2014
¿Qué es la microbiología?
Estudio de los organismos microscópicos
3 palabras griegas: mikros (pequeño), bios
(vida) y logos (ciencia)
estudio de la vida microscópica
Surgió como ciencia tras el descubrimiento y
perfeccionamiento del microscopio.
¿Qué son los microorganismos?
Organismos que no pueden ser observados a
simple vista, al menos en parte de su ciclo.
Organismos que viven como células aisladas o
entidades que contienen ácidos nucleicos
capaces de replicarse, por lo menos en parte de
su ciclo.
Incluidos: algas, hongos, protozoarios y
bacterias
Ramas de la Microbiología
¿Cómo afectan nuestra vida?
En la industria: más de cien especies
microbianas son usadas en la producción
de sustancias que no pueden ser
obtenidas de forma más fácil o más barata
por otros medios.
Ventajas: tamaño, alta tasa metabólica,
posibilidad de cultivarse a gran escala,
estabilidad genética, etc.
¿Cómo afectan nuestra vida?
En la producción de alimentos: lácteos
Biotecnología
– alcohol
– tintes y colorantes.
– plásticos.
– alimentos
– endulcorantes
– Industria farmacéutica: antibióticos,
hormonas (insulina y GH), factores de
crecimiento, interferón, eritropoyetina, etc.
Pero también son una
amenaza…
Diversos tipos de microorganismos son
causantes de enfermedades y abundan
casi en cualquier lugar por lo que
permanentemente estamos expuestos a
un contagio.
Causan impacto económico cuando
enferman animales y plantas que nos
sirven como fuente de alimento.
Epidemias
Descritas a lo largo de toda la historia de
la humanidad.
Atribuidas en la antigüedad a hechizos o
magia.
SIN EXPLICACIÓN HASTA EL SIGLO
XVII.
Anton van Leeuwenhoek
(1632-1723)
Sus primeros dibujos fueron publicados en 1684
Robert Hooke (1635-1702)
Lazzaro Spallanzani (1729-1799)
Robert Koch (1843-1910)
Iniciador de la bacteriología médica moderna. Estudió
botánica, física y matemáticas y MEDICINA.
Otros intereses: arqueología, antropología, las
enfermedades ocupacionales, como el envenenamiento
por plomo, y la bacteriología.
Postulados de Koch
Louis Pasteur (1822-1895)
Químico y biólogo francés
fundador de la microbiología.
Comenzó investigando los
procesos de fermentación del
vino y la cerveza y descubrió la
existencia de las bacterias que
interferían en este proceso.
En 1861 introdujo los términos de
aeróbico y anaeróbico.
Introdujo el término “virus” sin
hacer distinción y “vacuna” en
honor a Jenner
Desarrolló vacunas que
consiguieron salvar miles de
vidas: cólera aviar, antrax y rabia
Ferdinand Julius Cohn (1828-1898)
Considerado fundador de la microbiología
moderna y padre de la bacteriología.
En 1872 propuso la clasificación de las
bacterias: género, especie y variedades.
Describió otros microorganismos
patógenos transmitidos por agua
contaminada, distintos al V. cholerae
Otros eventos importantes del siglo
XIX
1878: Joseph Lister publica sus estudios
sobre la fermentación de la leche
Bacterium lactis
1879: Albert Neisser identifica al agente
causal de la gonorrea
1880: Alphonse Laverin encuentra al
parásito de la malaria en glóbulos rojos.
1881: Paul Erlich utiliza el azul de
metileno
Siglo XX
Aerobiosis y anaerobiosis
En 1938: invención del microscopio electrónico:
virus
Técnicas moleculares: secuenciación del ácido
desoxirribonucleico (ADN).
Descubrimiento de los priones por Stanley
Prusiner y su equipo en 1982 ha abierto una vía
de estudio dentro de la microbiología (simples
proteínas desprovistas de material genético)
En 1988 Kary Mullis utiliza la enzima de
Thermus aquaticus para estabilizar la PCR
(premio Nobel en 1993)
Alexander Fleming (1881-1955)
Descubrió que algunas
colonias crecidas de S.
aureus eran destruidas
por el crecimiento del
hongo Penicillium
Realizó la extracción del
compuesto activo:
penicilina
Karl Woese (1928-
Por análisis de rARN 16S
Stanley B. Prusiner 1997
California, EEUU
Descubrimiento de los “priones”
Enfermedad de las “vacas locas”
y enf. Creutzfeldt-Jakob.
Prion = proteína + infección
Barry J. Marshall & J. Robin
Warren (2005)
La úlcera péptica:
proceso infeccioso
Helicobacter pylori
Autoinoculación (1984)
Demostraron el
tratamiento exitoso
con antimicrobianos.
Harald zur Hausen (2008)
Descubrimiento en la causa
de cáncer cervical por el
Virus del Papiloma Humano
Francoise Barré-Sinnousi &
Luc Montagnier(2008)
Descubrimiento del Virus de
Inmunodeficiencia Humana
(VIH)
Cultivo de VLA en 1983 en el
Instituto Pasteur después
llamado VIH.
1987
Microscopios
Ojo humano 0.2 mm.
Microscopio óptico,
resolución máxima 0.2
micras (1 µm = 0.001 mm
= 10-6 m).
Microscopio electrónico,
resolución máxima 0.5nm
(1 nm = 10-9 m)
Microscopios
Microscopios
Ejemplo: Staphylococcus aureus
Datos de Guatemala
Tasa de mortalidad: 4,8 por 1.000 hab.
Causas principales de mortalidad (ambos
sexos): neumonía y diarrea.
Seis grandes grupos de causas:
•
•
•
•
•
•
enfermedades transmisibles 13%
tumores 7%
enfermedades del aparato circulatorio 12%
afecciones perinatales 8%
causas externas 13%
Datos INE
otras 47%.
Guatemala
Mortalidad en Guatemala
En 2013 se reportó una tasa de 34
(la tercera más alta en
Latinoamérica
Mortalidad en Guatemala
Causas bacterianas
importantes de mortalidad
Tuberculosis
Tétanos
Cólera
Tos ferina
Taxonomía Microbiana:
Las Bacterias
Siglo XIX
Reino Plantae:
– algas (inmóviles y fotosintéticas)
– hongos (inmóviles y no fotosintéticos),
Reino Animalia
– Infusorios (microorganismos móviles)
organismos perfectos: dotados de todos los
sistemas orgánicos presentes en seres superiores.
Divididos en metazoos, protozoos y bacterias
Cambios históricos
Haeckel (1866): introdujo reino Protista
– Seres vivos sencillos, fotosintéticos y/o móviles
– Protozoos, algas, hongos y bacterias.
Copeland (1938): introdujo reino Monera
– Separa a las bacterias.
Margulis (1969): introdujo reino Fungi y reino
Protoctista (m.o. eucariotas y parientes
macroscópicos: mohos mucosos no hongos).
Woese (1977): ARQUEOBACTERIAS Y
EUBACTERIAS
El árbol filogenético universal
Árbol filogenético
procariotas
Las bacterias forman el conjunto de los procariotas:
ADN libre en el citoplasma y no incluido en un
núcleo. Reino Monera.
LUCA: “last universal common ancestor”
Procariotas
organización celular
material genético (cromosoma circular de
ADN de doble hebra) inmerso en el
citoplasma
Replicación: fisión binaria
carecen de orgánulos rodeados de
membrana
Ribosomas: coeficiente de sedimentación
de 70S
Citoplasma envuelto por una membrana
celular
Pared celular de peptidoglicano, excepto
las arqueas.
TAMAÑO: célula eucariota vrs célula
procariota
Tamaños
FORMAS DE LAS BACTERIAS
cocos
bacilos
espiroquetas
Formas
1. Cocos: (células más o menos esféricas);
2. Bacilos: (en forma de bastón, alargados), que a su vez pueden tener
varios aspectos:
cilíndricos
fusiformes
en forma de mazo, etc.
Según los tipos de extremos, éstos pueden ser:
redondeados (lo más frecuente), cuadrados, biselados, afilados.
3. Espirilos: al igual que los bacilos, tienen un eje más largo que otro,
pero dicho eje no es recto, sino que sigue una forma de espiral, con
una o más de una vuelta de hélice.
4. Vibrios: proyectada su imagen sobre el plano tienen forma de coma,
pero en el espacio suelen corresponder a una forma espiral con
menos de una vuelta de hélice.
Otros tipos de formas:
filamentos, ramificados o no anillos casi cerrados formas con
prolongaciones (con prostecas)
Formas
cocos
bacilos
vibrios
espiroquetas
filamentosas
Superficie vs. volumen
• En una célula esférica: cuanto menor sea el radio (r) mayor
será la razón S/V lo que significa que el pequeño tamaño de
las bacterias permite mayor contacto directo con el medio
ambiente inmediato que las rodea
• reciben las influencias ambientales de forma inmediata.
• condiciona una alta tasa de crecimiento.
• La velocidad de entrada de nutrientes y la de salida de
productos de desecho es inversamente proporcional al
tamaño de la célula, y a su vez, estas tasas de transporte
afectan directamente a la tasa metabólica.
• Por lo tanto, en general, las bacterias crecen (se
multiplican) de forma rápida.
Superficie vs. volumen
Tamaño pequeño
intercambio
más eficiente,
permite mayor
velocidad
metabólica
Agrupaciones
Las bacterias normalmente se multiplican por
fisión transversal binaria. En muchas especies,
las células hijas resultantes de un evento de
división por fisión tienden a dispersarse por
separado al medio, debido a la actuación de
fuerzas físicas (movimiento browniano).
Esto hace que al observar al microscopio una
población de estas bacterias veamos
mayoritariamente células aisladas.
Diplococos y diplobacilos: agrupaciones pares
Agrupaciones
Si la tendencia a permanecer unidas es mayor y
por más tiempo, nos encontramos con varias
posibilidades, dependiendo del número de planos
de división y de la relación entre ellos:
– Estreptococos o estreptobacilos
Si existe más de un plano de división, en el caso
de cocos podemos encontrar tres posibilidades:
– dos planos perpendiculares: tétradas o múltiplos
– tres planos ortogonales: sarcinas (paquetes cúbicos)
– muchos planos de división: estafilococos (racimos
irregulares).
Bacilos: en empalizada, en V o L, “letras chinas”.
Estructura celular
Pared celular
Bacteria:
– Gram positivo
– Gram negativo
– Sin pared
Archaea:
– Diversas estructuras
– Sin pared
Funciones de la pared
Rigidez (mantener la forma, evitar la lisis).
Comunicación con el medio exterior.
Puede estar involucrada en patogenicidad
(LPS)
Barrera para algunas moléculas.
Espacio periplásmico (enzimas de
transporte, hidrolíticas, etc.)
Formación de protoplastos
Mediante procedimientos de laboratorio se
puede lograr eliminar total o parcialmente
la pared celular bacteriana.
Se denominan protoplastos las células
bacterianas a las que se ha desprovisto
totalmente de pared celular, mientras que
esferoplastos son aquellas células
bacterianas que poseen restos de pared.
Formación de Protoplastos
Baja
concentración de
solutos
Alta
concentración
de solutos
Lisozima -- proteína que rompe el enlace
glicosídico 1-4 en el peptidoglicano
Gram +
Bacteria
Gram-
Estructura del Peptidoglicano
Pared Celular Gram Positivo
Otros compuestos químicos
característicos de la pared de Gram+
Ácidos Teicoicos
– Polímero de alcohol (ribitol
o glicerol)
Ácidos Teicurónicos
Ácidos Lipoteicoicos
– Polímero de 16 a 40
unidades de glicerol unido
a un glicolípido
Ácidos Micólicos
Membrana Externa de Gram Negativos
Porinas - proteínas que permiten el pasaje de moléculas
pequeñas a través de la membrana
- específicas e inespecíficas
Lipopolisacárido (LPS)
•
•
•
•
•
Lípido A (NAG-P + grupos acilos)
Núcleo del polisacárido
– contiene KDO (cetodesoxioctonato) y otros
carbohidratos (ramnosa, ácido galacturónico)
– usualmente específico de especies
O-antígeno
– número de repeticiones variables
– también contiene carbohidratos
– específico de cepa
A menudo tóxico para animales - endotoxina
Crea superficies densamente hidrofílicas
Funciones del Periplasma
(E. coli)
•Proteínas de periplasma de E. coli
•Proteínas de unión para aminoácidos
• histidina, arginina
•Enzimas de biosíntesis
•Ensamblado de mureína
•Enzimas de degradación de polímeros
•proteasas
•Enzimas detoxificantes
•Beta-lactamasas: penicilinasa
Algunas bacterias no poseen pared
• Mycoplasma
• Membrana celular más gruesa
• pueden tener esteroles y
lipoglicanos.
• Pleomórficos
Pared celular de Archaea
No contiene peptidoglicano
Puede ser de
– pseudopeptidoglicano (pseudomureína) tiñe
G+
– pseudomureína cubierta de proteína, tiñe G+
– monocapa superficial de proteína o
glicoproteína, sin pseudomureína (halófilos,
metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G -
Existen Archaea sin pared
Pseudopeptidoglicano de
Archaea
Funciones de la pared
Rigidez y resistencia osmótica (mantener la
forma, evitar la lisis).
Comunicación con el medio exterior.
Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS)
Barrera para algunas moléculas (porinas en
gram negativos).
Espacio periplásmico (enzimas de transporte,
hidrolíticas, etc.)
La membrana celular
Estructura:

Bicapa fosfolipídica con proteínas
embebidas; puede contener también
hopanoides de estructura similar al
colesterol.

En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide,
algunas forman monocapas.
Estructura de la Membrana
Citoplasmática
Membrana citoplásmica
Los lípidos en Bacteria y Archaea
tienen diferentes enlaces químicos
Ester - Bacteria
Eter - Archaea
Isopreno
Funciones de Membrana
Citoplasmática
Barrera de Permeabilidad
– sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas,
pueden atravesar la membrana por difusión.
Ancla de Proteínas
– transporte, generación de energía, quimiotaxis
Generación de fuerza proton motriz
 En fotótrofas: Estructuras intracitoplasmáticas, soportan
el aparato fotosintético
(Vesículas y túbulos)
Síntesis de pared y estructuras extracelulares.
Membrana
citoplasmática de E. coli
Estructura celular procariota - ADN
No tiene núcleo. El ADN está en el citoplasma
– “nucleoide”: zona que ocupa el ADN
Es haploide.
– Genoma es una única molécula de ADN de doble cadena,
circular.
El genoma contiene 1 - 6 x 106 pares de bases (bp)
– procariotas de vida libre: 1000-5000 genes
No contiene histonas (proteínas para empaquetamiento de
ADN).
Puede contener otros elementos genéticos no genómicos:
plásmidos y genomas fágicos.
Procariotas
No tienen
membrana
nuclear
ADN Cromosómico
–ADN circular
cerrado
–Superenrrollado.
–No hay procesamiento
del ARNm
–La transcripción está
ligada a la traducción.
Citoplasma
Proteínas (enzimas, complejos
enzimáticos, estructurales)
Ribosomas (70S: 55 proteínas, rARN 5S, 16S,
23S)- polisomas
mARN, tARN
Otras macromoléculas, solutos
Sin estructura visible al microscopio
No tienen citoesqueleto.
Estructuras características
Estructuras con funciones específicas.
No todos los microorganismos las tienen.
Son características de género y especie
(taxonomía)
Ejemplos:
– fimbrias, flagelo, pili, endospora, cápsula, inclusiones
citoplasmáticas
Fimbrias – Pili-Pelos-Flecos L
Fimbria - filamento proteico corto,
involucrado en funciones de
adhesión a superficies.
Pelos ordinarios: adhesión
Pelo sexual - unión a célula
receptora durante la conjugación.
Flagelos
Más de 40 genes involucrados
La energía la proporciona la fuerza protomotriz
Flagelos
Sólo detectados por técnicas de tinción específicas
Anaerobaculum mobile sp.
Flagelo insertado lateralmente
Barra 0,5 micras
Endosporas
Resistencia al calor, radiación, desecación.
Producidas principalmente por los géneros Bacillus y
Clostridium
Permite la supervivencia en ambientes desfavorables
ADN protegido por ácido dipicolínico y proteínas.
Luego de la activación por stress, la disponibilidad de
nutrientes dispara la germinación y el crecimiento
La localización de la espora en la célula puede ser usada
para su identificación
Estructura de la espora
Formación de esporas
A- ADN se duplica y enrolla alrededor del eje central (filamento
axial)
B- Uno de los cromosomas se rodea de membrana plasmática.
C- el protoplasto es rodeado por la célula madre
D- se sintetizan las cubiertas de la espora.
E- se elimina agua, se forma estructura resistente al calor.
F- se libera la espora por lisis de la célula madre.
DIPICOLINATO DE CALCIO EN EL CENTRO DE LA ESPORA
Inclusiones
citoplasmáticas
Algunas bacterias tienen estructuras
internas
– gránulos de almacenamiento polifosfato,azufre, polihidroxibutirato
(PHBs)
– vesículas de gas – flotación
– Carboxisomas, clorosomas.
Gránulos de polihidroxibutirato (PHBs)
vesículas de gas
flotación
Cubiertas extracelulares
Glicocáliz: Material externo a la pared celular:
polímero de carbohidratos o péptidos
–
–
–
–
HOMO Y HETEROPOLÍMEROS
Cápsulas
Capas mucilaginosas
Capa S: Subunidades proteicas o glicoproteicas.
G+, G- y Archaea
Funciones
– Protección
– Adhesión
Glicocálix
Tinción
negativa
Microscopía
electrónica
Diferencia entre la estructura celular de
Bacteria, Archaea y Eucarya
Propiedad
Bacteria
Eucarya
Membrana
NO
SI
nuclear
Organelos
NO
SI
Tamaño
70S
80S
ribosoma
Peptidoglicano
SI
NO
en la pared
Esteroles en
NO
SI
membrana
(hopanoides)
Lípidos de
Ester unidos Ester unido a
membrana
a glicerol
glicerol
Archaea
NO
NO
70S
NO
SI
Eter,
ramificados