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COMPLEMENTO TEÓRICO DE
MICROBIOLOGÍA AGRÍCOLA
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA
ÍNDICE
UNIDAD TEMA
Página
I
Grupos microbianos
1
II
Metabolismo microbiano
41
III
Taxonomía y crecimiento bacteriano
67
IV
Ecología microbiana
79
V
Degradación de compuestos orgánicos en el suelo
93
VI
Disponibilidad de nutrientes para las plantas
113
VII
Fijación biológica de N2
129
VIII
Fertilizantes biológicos
143
IX
Degradación de residuos orgánicos
155
X
Microbiología del agua
163
XI
Procesos microbianos de la conservación y producción de alimentos
179
XII
Microbiología ruminal
203
Personal de la Asignatura que participó en la elaboración y corrección de este
Complemento Teórico
Ing. Agr. Dr. Enrique Iván Lucini
Dra. Carolina Merlo
Dra. Laura Belén Noé
Dra. Marina Bruno
Biol. Carolina Vázquez
Ing. Agr. Lucas Dubini
Ing. Agr. Aylen Ocampo
Ing. Agr. Boris Camiletti
Bioq. María Paula Martín
Ing. Agr. Soraya Salloum
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 1
UNIDAD I: GRUPOS MICROBIANOS
Importancia del estudio de la microbiología
La microbiología es una ciencia que trata el estudio de los microorganismos,
un extenso y variado grupo de organismos microscópicos que existen como
células aisladas o que viven formando agrupaciones celulares que se pueden
observar a simple vista. La microbiología también incluye el estudio de los
virus, ya que son organismos microscópicos, pero que no son considerados
células. Por lo tanto, la microbiología como ciencia se centra en dos temas
principales: a) la comprensión de los procesos vitales básicos que ocurren en
los microorganismos (metabolismos) y b) la aplicación de ese conocimiento
para beneficio de la humanidad.
El estudio de la microbiología es importante debido a que los
microorganismos están implicados en numerosos procesos y conflictos que
son importantes en la industria, la medicina y la agricultura. Los
microorganismos constituyen en conjunto la biomasa mayor del planeta y
realizan numerosos procesos que son necesarios para el desarrollo de otros
organismos. En ausencia de microorganismos nunca podrían haber surgido
otras formas de vida ni podrían mantenerse en la actualidad. Incluso el
oxígeno que respiramos actualmente es consecuencia de la actividad
microbiana del pasado.
Los microorganismos pueden ser benéficos o perjudiciales para el
hombre. Es importante destacar, que algunas de las enfermedades más
importantes
de
humanos,
animales
y
plantas
son
causadas
por
microorganismos, pero por otro lado, los microorganismos desempeñan
importantes funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal.
Además, muchos procesos industriales a gran escala se basan en el uso de
microorganismos.
Como el estudio de los microorganismos abarca una gran cantidad de
tipos, morfologías, usos y características, la microbiología se encuentra
dividida en numerosas subdisciplinas. Particularmente, la Microbiología
Agrícola es una subdisciplina de la Microbiología que tiene como objetivo el
estudio de los procesos microbiológicos que se producen en el suelo, agua,
alimentos, etc. y que involucran a la producción agropecuaria.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 2
Los microorganismos contribuyen de manera global al funcionamiento
de los ecosistemas del planeta y ayudan al desarrollo sostenible de la biósfera.
En este sentido, desde un punto de vista ecológico, los microorganismos que
habitan el suelo (microorganismos edáficos) constituyen el estamento de los
descomponedores, que junto a los productores (plantas) y consumidores
(herbívoros y carnívoros) son la base del funcionamiento de los ecosistemas.
Los organismos descomponedores son los responsables de la degradación de
los restos orgánicos muertos y la liberación de nutrientes que servirán de base
para la productividad primaria del sistema, cerrando el ciclo de los elementos
(Figura 1).
Fig. 1: Cadena trófica en ecosistemas naturales
La actividad de los microorganismos edáficos es de suma importancia
en los sistemas agropecuarios, debido a que existe una elevada extracción de
nutrientes provocada por las cosechas y el pastoreo (Figura 2). En la
actualidad, el estudio de los microorganismos edáficos cobra especial
relevancia teniendo en cuenta que se persigue una productividad agrícola
sustentable, la preservación del ambiente y la producción de alimentos
orgánicos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 3
Fig. 2: Cadena trófica en agroecosistemas
Desde el punto de vista industrial, los microorganismos son cultivados
a gran escala, para obtener productos comerciales o realizar importantes
transformaciones químicas. La industria pretende potenciar las reacciones
metabólicas que pueden realizar los microorganismos para producir en mayor
cantidad (alto rendimiento) el producto de interés. De esta forma, se pueden
producir biofertilizantes (inoculantes), productos farmacéuticos (antibióticos),
aditivos alimenticios (aminoácidos y vinagre), enzimas, productos químicos
(alcohol o ácido cítrico), y bebidas como el vino y la cerveza entre otras.
Características de los microorganismos
Se denomina microorganismo a la forma de vida que se desarrolla en una sola
célula. Aunque el organismo esté compuesto por más de una célula
(pluricelular), cada célula es funcionalmente autónoma en sí misma. Los
microorganismos no poseen tejidos ni órganos, es decir que no presentan
células especializadas en cumplir una única función como sucede en los
organismos superiores, por ejemplo células especializadas en el transporte
(xilema de las plantas), células especializadas en la absorción de nutrientes en
animales (células intestinales), etc.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 4
Hay una serie de características propias de los microorganismos que
les confieren particularidades de carácter funcional muy importantes:
 Tamaño reducido: en general, las células microbianas son muy pequeñas
particularmente las procariotas. Cada célula microbiana varía en general entre
1 y 15 m (entre 10 y 100 veces menor que una célula vegetal).
 Superficie de intercambio muy grande: tener mucha superficie en relación al
volumen corporal le otorga a las células alta capacidad de intercambio con el
medio. Esto significa que los organismos tienen una alta tasa de absorción (de
agua, gases, alimentos) y de excreción. Ser una célula de tamaño pequeño
tiene sus ventajas. Las células pequeñas poseen más área superficial en
relación al volumen celular que las células más grandes; es decir, tienen una
relación
superficie/volumen
mayor.
Además,
el
hecho
que
muchos
microorganismos presentan células de formas esféricas o cilíndricas les
confieren mayor superficie en relación al volumen del cuerpo.
 Alto metabolismo: es conocido que todos los organismos vivos muestran
alguna forma de metabolismo. Dentro del entramado del compartimiento físico
que define a una célula, se toman nutrientes del medio externo y se los
transforma químicamente. Durante este proceso se produce energía y se
eliminan productos de desecho. Una alta tasa de absorción determina una alta
disponibilidad de nutrientes, lo que favorece un metabolismo muy activo. Por
esta causa, se sabe que los organismos de tamaño reducido tienen una tasa
metabólica más elevada que los de mayor tamaño.
 Reducido tiempo de generación: todo organismo con alta tasa metabólica
tiende a tener también una alta tasa reproductiva. Este hecho, sumado a que
los microorganismos se reproducen generalmente de manera asexual (por
fisión binaria), hace que las divisiones celulares sean muy frecuentes (algunos
se dividen cada 15 minutos) y que el aumento de la población sea exponencial.
Esto se aprecia muy bien en la aparición y rápida difusión de enfermedades
provocadas por los agentes microbianos.
 Alta diversidad genética: cuando el ADN se duplica frecuentemente, tiene
altas probabilidades de sufrir mutaciones. Los microorganismos presentan altas
tasas de mutaciones lo cual provoca que la variabilidad genética sea muy alta y
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que la variación genotípica en bacterias sea evidente en cortos períodos de
tiempo.
 Distribución muy amplia: el hecho de tener alta variabilidad genética confiere
a los microorganismos la posibilidad de adaptarse a ambientes muy diferentes
(ubicuidad). Prácticamente no existe ningún lugar en el planeta que no esté
habitado por microorganismos (salvo la sangre y órganos de animales sanos).
 Variabilidad metabólica: esta alta capacidad de adaptación lleva implícito
que los microorganismos puedan tener una enorme variedad de metabolismos
totalmente diferentes del resto de los organismos vivos. Esa particularidad hace
que sean los únicos responsables de procesos clave en los ecosistemas como:
la liberación y disponibilidad nutrientes para las plantas, la descomposición y
detoxificación de elementos contaminantes, etc. Además, esta amplia
variabilidad metabólica permite la utilización de muchos procesos metabólicos
microbianos en la industria.
Microorganismos: grupos microbianos
Desde el punto de vista morfológico-funcional se pueden diferenciar tres
grandes grupos de microorganismos: procariotas, eucariotas y virus.
Microorganismos procariotas
Son microorganismos que poseen células procarióticas. Dentro de este gran
grupo se encuentran las eubacterias (bacterias verdaderas), los actinomycetes,
las cianobacterias, y otros grupos de menor importancia para la microbiología
agrícola (por ejemplo: arqueas, rickettsias, mixobacterias, etc.).
Eubacterias
Las eubacterias pertenecen al dominio Bacteria y constituyen más del 90% de
la biomasa activa del suelo. Las eubacterias son microorganismos unicelulares,
Gram positivos o Gram negativos, aeróbicos o anaeróbicos, que pueden
presentar forma de cocos, bacilos o espirilos. El grupo de las eubacterias
contiene una enorme variedad de procariotas, algunos patógenos y otros no.
Muchos son descomponedores de la materia orgánica y responsables de la
liberación de nutrientes. Además, muchas especies de eubacterias son
patógenas de gran importancia en sanidad animal, humana y vegetal.
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Actinomycetes
Los actinomycetes forman un grupo de bacterias Gram positivas filamentosas
aeróbicas o anaeróbicas. Estas bacterias al crecer y ramificarse forman
estructuras en forma de redes semejantes a las de los micelios de los hongos
filamentosos pero mucho más pequeños (Figura 3). Son bacterias que forman
esporas asexuadas que suelen denominarse conidios y que no son análogas a
las de las endosporas (estructuras reproductivas de resistencia) de las
bacterias Gram positivas. Si bien pueden existir algunos actinomycetes
acuáticos, la mayoría son terrestres y tienen enorme importancia en los suelos,
ya que algunos pueden producir enzimas hidrolíticas extracelulares lo cual les
permite utilizar grandes moléculas orgánicas como polisacáridos (almidón,
celulosa y hemicelulosa), proteínas y lípidos. Algunos pueden descomponer
hidrocarburos, lignina y taninos. Causan habitualmente un olor semejante a
tierra mojada debido a un compuesto que presentan: la geosmina. Algunas
especies de actinomycetes son parásitos de plantas, como el agente de la
sarna de la papa (Streptomyces spp.) o de animales, por ej., el causante de la
tuberculosis y la lepra (Mycobacterium spp.). Además, pueden producir más de
60 tipos de antibióticos que son habitualmente utilizados en la medicina
humana y veterinaria.
Fig.3: Actinomycetes.
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Cianobacterias
Las cianobacterias son microorganismos fotosintéticos uni o pluricelulares
(filamentosos) que viven en ambientes terrestres y acuáticos (agua dulce o
marinos). La estructura de la pared bacteriana de cianobacterias es similar a la
de bacterias Gram negativas. Muchas cianobacterias producen cubiertas
mucilaginosas denominadas vainas, que unen entre sí grupos de células o de
filamentos (Figura 4). Filogenéticamente, las cianobacterias representan la
transición entre las bacterias y las plantas superiores, ya que los orgánulos
fotosintéticos de los eucariotas (cloroplastos), están relacionados con las
cianobacterias. Las cianobacterias han sido muy importantes para el desarrollo
de la vida en la tierra ya que fueron los primeros organismos con fotosíntesis
oxigénica (con producción de oxígeno) que aparecieron en la tierra. La
producción de oxígeno en la tierra primitiva permitió el posterior desarrollo de
organismos superiores como las plantas, animales y el hombre.
Las cianobacterias tienen pigmentos fotosintéticos como la clorofila a,
ficocianinas y ficobilinas que les otorgan un típico color azul-verdoso. La
importancia de las cianobacterias radica en que constituyen un componente
muy importante de la productividad primaria en ambientes acuáticos. En la
actualidad, estas bacterias tienen relevancia por su desarrollo masivo (sufren
explosiones poblacionales de gran magnitud) en ambientes lacustres ricos en
nutrientes (eutroficados), como es el caso del Lago San Roque (Córdoba). Las
cianobacterias pueden producir toxinas en estos sistemas que afecten al
hombre o animales, pero además, generan mal olor en el agua y su desarrollo
masivo muchas veces dificulta los procesos de potabilización.
Heterocisto
Fig. 4: Cianobacterias
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Arqueas
Son microorganismos extremófilos, siendo capaces de crecer a valores
extremos de pH, mayores temperaturas y salinidades que cualquier otro
organismo conocido (Figura 5). Las arqueas son microorganismos constituidos
por células procarióticas que presentan varias modificaciones morfológicas,
principalmente la membrana celular, lo cual les otorgar mayor resistencia para
tolerar las condiciones ambientales extremas. Son organismos dominantes en
lugares de alta salinidad (salares), alta temperaturas (cráteres de volcanes),
baja cantidad de oxígeno (fondos marinos), etc. Algunas arqueas son muy
relevantes porque son metanógenas (producen metano) como parte integral de
su metabolismo.
Fig. 5: Arqueas
Microorganismos eucariotas
Son microorganismos constituidos por células eucariotas e incluyen a grupos
como las algas, protozoos y hongos.
Algas
Las algas son los típicos organismos eucariotas que realizan fotosíntesis
oxigénica y que habitan generalmente en ambientes acuáticos (de agua dulce y
marinos). Las algas pueden ser unicelulares microscópicas (constituyendo el
fitoplancton) o pluricelulares (filamentosas) y de gran tamaño viviendo fijas o
flotantes en el agua (Figura 6). Existen varios tipos y morfologías de algas, sin
embargo, las más conocidas son las algas verdes y las rojas. Las algas verdes
(clorófitas) crecen principalmente en agua dulce y tienen clorofila a y b pero
carecen de ficobilinas. Otras como las algas rojas (rodófitas) tienen clorofila a y
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un pigmento llamado ficoeritrina que les otorga el color rojo característico.
Estas algas viven predominantemente en hábitats marinos. La importancia de
las algas radica en que son productores primarios en ecosistemas acuáticos.
Volvox
Micrasterias
Scenedesmus
Rodophyta: Gracilaria
Fig. 6: Fotomicrografía de algas verdes unicelulares típicas.
Protozoos
Los protozoos son microorganismos unicelulares que no presentan pared
celular. Pueden ser ameboidales, móviles (ciliados o flagelados) o inmóviles.
Pueden ser acuáticos (marinos o de agua dulce) y terrestres (Figura 7).
Muchos pueden ser predadores de bacterias, otros son saprofitos y también
pueden ser parásitos. Muchos juegan un importante rol en la salud humana ya
que son los responsables de importantes enfermedades como la enfermedad
de Chagas, donde el protozoo (Trypanosoma cruzi) es transmitido a través de
la vinchuca; o la malaria, donde el protozoo (Plasmodium spp.) es transmitido
por los mosquitos.
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Stentor
Vorticella
Paramecium
Sin pared
celular
Móviles o
inmóviles
Ameba
Predadores
Saprófitos
Parásitos
Didinium
Fig. 7: Protozoos más comunes en suelo y agua
Hongos
Los hongos constituyen un gran grupo de organismos, diversos y muy
extendido que incluye a los mohos, setas y levaduras. La mayoría de los
hongos son pluricelulares y forman un entramado de filamentos denominados
hifas. Las hifas a menudo crecen juntas formando unos ovillos compactos
denominados colectivamente micelios. Las hifas pueden ser septadas (con
paredes que la dividen en células separadas) o cenocíticas (muchos núcleos
sin formación de septos) (Figura 8). Los hongos forman esporas asexuadas
(conidios) a partir de hifas que se extienden desde el micelio. No obstante,
algunos hongos pueden formar estructuras reproductivas macroscópicas
denominadas setas (cuerpos de fructificación) que también producen esporas.
Sin embargo, hay hongos como las levaduras que son unicelulares y
microscópicos (Figura 9).
Los hongos tienen hábitats muy diversos, sin embargo la mayoría son
terrestres. Estos organismos habitan el suelo o sobre la materia vegetal muerta
y cumplen una importante función en la degradación de la materia orgánica.
Una función ecológica importante de los hongos es la descomposición de la
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lignina (constituyente importante de plantas leñosas) y de la celulosa. Algunas
especies de hongos establecen simbiosis con algas superiores o con
cianobacterias, formando los organismos llamados líquenes.
Hifas: a) cenocítica, b) tabicada mononucleada, c) tabicada binucleada
Fig. 8: Tipos de hifas de hongos
Fig. 9: Hongos uni y pluricelulares. Levaduras y Aspergillus (derecha)
Muchos hongos son responsables de enfermedades con relevancia
económica de plantas cultivadas. Otros pueden causar enfermedades en
animales o en el hombre (micosis). Pero también algunos son importantes para
el hombre ya que son utilizados para la síntesis de antibióticos y para algunos
procesos fermentativos.
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Virus
Los virus representan una clase importante de microorganismos, sin embargo,
no son considerados células, debido a que carecen de muchos atributos
presentes en ellas. Por ejemplo, un virus sólo adquiere el atributo clave de
todos los sistemas vivos (reproducción), cuando infecta a una célula. Además,
a diferencia de las células, los virus no tienen capacidad metabólica propia. Por
lo tanto son considerados parásitos intracelulares obligados de células vivas.
Esta característica provoca que sean causantes de importantes enfermedades
en plantas, animales y el hombre. Sin embargo, también pueden infectar
bacterias (bacteriófagos) (Figura 9) y arqueas.
Los virus presentan una amplia diversidad de formas y tamaños y son
unas 100 veces más pequeños que las bacterias. Una partícula vírica
completa, conocida como virión, consiste en un ácido nucleico rodeado por una
capa proteica protectora llamada cápside. Las cápsides pueden tener forma
helicoidal o icosaédrica. Además, los virus pueden estar rodeados de una
envoltura que es una capa lipídica externa que rodea al virus (Figura 10).
Fig. 10: Estructura de bacteriófago
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Fig. 10: Diferentes tipos de virus
Células microbianas
Un análisis detallado de la estructura celular interna de las células microbianas
y de otras propiedades permite diferenciar dos tipos de células: las procariotas
y las eucariotas.
Las células procariotas son las más simples estructuralmente (no
presentan orgánulos celulares) y también en general son las más pequeñas.
Como toda célula, están delimitadas por una membrana plasmática que
contiene pliegues hacia el interior (invaginaciones) que están relacionados con
diversas funciones. La célula procariota por fuera de la membrana plasmática
está rodeada por una pared celular. En el interior de la célula es posible hallar
una región más densa, llamada nucleoide, donde se encuentra el material
genético (ADN). Es decir que el ADN no está separado del resto del citoplasma
por una membrana nuclear como ocurre en eucariotas. Las células procariotas
pueden tener distintas estructuras que le permiten la locomoción y el
movimiento (Figura 11).
En cambio, las células eucariotas tienen un modelo de organización
mucho más complejo que las procariotas (Tabla 1). Su tamaño es mucho
mayor y en el citoplasma es posible encontrar un conjunto de estructuras
celulares rodeadas por membranas que cumplen diversas funciones y que en
conjunto se denominan organelas u orgánulos celulares. Entre las células
eucariotas podemos distinguir dos tipos de células que presentan algunas
diferencias: células animales y vegetales. Las células animales (Figura 13) no
poseen pared celular y las células vegetales presentan por fuera de la
membrana plasmática, una pared celular que les brinda protección y que tiene
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una composición distinta (celulosa) (Figura 12) a las paredes que se
encuentran en las células procariotas (peptidoglicano).
Fig. 11: Estructura de una célula procariota típica
Fig. 12: Estructura de una célula eucariota vegetal
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Fig. 13: Estructura de una célula eucariota animal
Tabla 1. Principales diferencias entre células procariotas y eucariotas
CELULA PROCARIOTA
Núcleo
CÉLULA EUCARIOTA
no envuelto por membrana
envuelto por membrana
un cromosoma circular
varios cromosomas
fisión binaria
mitosis
Aparato fotosintético
en membranas (tilacoides)
en cloroplastos
Aparato respiratorio
en membranas
en mitocondrias
70s
80s
Cromosomas
División celular
Tipo de ribosomas
Pared celular
Tamaño
Orgánulos
peptidoglicano
sin pared o con pared de
celulosa
<1 y 15 m
10-100 µm
no posee
si posee
Relaciones evolutivas entre los microorganismos
Aunque las células se puedan diferenciar entre procariotas y eucariotas, la
estructura celular no implica necesariamente una relación evolutiva. Sin
embargo, en la actualidad se pueden determinar relaciones filogenéticas
(evolutivas) entre los microorganismos a través de técnicas de la biología
molecular. Estos métodos se basan en comparaciones de la secuencia de
ácidos nucleicos, particularmente la secuencia del ARN ribosomal. Por lo tanto,
los cambios en la secuencia del ARN ribosomal pueden ser usados como una
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medida para establecer relaciones evolutivas entre los organismos. En el caso
de los microorganismos, a partir de los estudios hechos sobre las secuencias
del ARN ribosomal 16S (para células procariotas) y 18S (para células
eucariotas), se pueden definir tres dominios o linajes celulares evolutivamente
diferentes. Dos de estos linajes presentan células procariotas y uno de ellos
presenta células eucariotas (Figura 14). Los grupos o linajes son:
- Dominio Bacteria: comprende a organismos unicelulares con células
procariotas y pared celular compuesta por peptidoglicano.
- Dominio Archaea: organismos procariotas unicelulares y cuya pared
celular no presenta peptidoglicano.
- Dominio Eukarya: comprende todos los organismos que presentan
células eucariotas (entre los Eukarya que son microorganismos encontramos a
los hongos, protozoos y algas).
Se piensa que estos tres linajes evolutivos se originaron muy pronto en
la historia de la vida sobre la tierra por divergencias a través un organismo
ancestral en común.
Fig. 14: Árbol filogenético de los seres vivos deducido a través de la secuenciación
comparativa del gen del ARN ribosomal. El árbol está formado por los tres
dominios: Bacteria y Archaea (organismos procariotas) y Eukarya (organismos
eucariotas). Solamente se muestran algunos organismos representativos dentro de
cada dominio.
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Morfología de los procariotas
En microbiología, el término morfología hace referencia a la forma de las
células. Las células procariotas presentan morfologías variadas. La mayor
parte de las bacterias tienen una forma característica, que permanece más o
menos constante, aunque puede estar influenciada por las condiciones
ambientales. Dentro de las morfologías más comunes encontramos bacterias
con formas esféricas u ovoides que se denominan cocos. Cuando las bacterias
presentan una forma cilíndrica se denominan bacilos. Algunos bacilos se
curvan en forma espiral y entonces se denominan espirilos (Figura 15). Sin
embargo, muchas veces, las células de los procariotas se mantienen juntas
después de la división celular formando grupos, y estas asociaciones
frecuentemente son características de los diversos géneros. En algunos casos,
los cocos forman cadenas como resultado de haberse dividido siempre en el
mismo plano. La longitud de tales cadenas puede ser corta (2 células) y en ese
caso se llaman diplococos o largas (estreptococos). Además, algunos cocos
pueden formar conjuntos parecidos a racimos de uva (estafilococos) y otros se
disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales llamadas sarcinas (Figura
15).
Cocos
Bacilos
Apendices bacterianos
Fig. 15: Morfología Bacteriana
Otros
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Estructuras celulares de las células procarióticas
Los componentes estructurales de las células procariotas pueden dividirse en
dos grupos: elementos comunes (invariables), es decir, que se encuentran en
todos los procariotas y que son absolutamente esenciales para la vida, y
elementos no comunes (variables), que se encuentran en algunas células (no
en todas) y que están asociadas a funciones específicas (Tabla 2).
Tabla 2: Estructuras celulares de las células procariotas.
ELEMENTOS COMUNES
ELEMENTOS NO COMUNES
Pared celular
Plásmidos
Membranas
Flagelos
Mesosomas
Pilis
Tilacoides
Cápsulas
Vesículas
Pedúnculos
Zona nuclear
Vainas
Cromosoma
Ribosomas
Sustancias de reserva
Vacuolas
Pigmentos
Endosporas
Elementos comunes: Estructuras invariables
Pared celular: Mureína (Peptidoglicano)
Dada la gran concentración de solutos que se alcanza en el interior de la célula
bacteriana (gran presión de turgencia), las células bacterianas desarrollan
paredes celulares. Las paredes celulares de procariotas presentan una capa
rígida que es la que le otorga resistencia a la pared celular. La pared celular es
químicamente diferente a la de células eucariotas, siendo uno de los caracteres
distintivos entre los organismos procariotas y eucariotas.
La función de la pared, aparte de dar rigidez a la célula, también es
brindar protección ya que protege a las membranas de los detergentes y
tóxicos que pueden dañar a la células, es sitio diana (donde actúan) además de
los antibióticos. La capa que le confiere rigidez a la pared celular se denomina
peptidoglicano o mureína. La mureína es un heteropolímero que está formado
por dos derivados de azúcares: la N-acetilglucosamina (G) y el ácido N-
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acetilmurámico
(M)
y
un
pequeño
grupo
de
aminoácidos.
La
N-
acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico están conectados por uniones
glicosídicas β-1,4; pero además el ácido N-acetilmurámico se une mediante
uniones peptídicas a una cadena de 4 aminoácidos llamada tetrapéptido del
glicano: L-alanina, D-alanina, D-glutámico y lisina o ácido diaminopimélico
(DAP) (Figura 16).
Durante la síntesis de peptidoglicano se generan largas cadenas que
forman una lámina que rodea a la célula. Las cadenas se conectan entre sí por
enlaces peptídicos que se establecen entre los aminoácidos del tetrapéptido. El
tetrapéptido puede variar en un aminoácido (varía en lisina o alternativamente
en DAP).
La mureína (peptidoglicano) es un compuesto que solo se encuentra en
procariotas pertenecientes al dominio Bacteria. Sin embargo, no todos los
organismos procariotas tienen DAP en su tetrapéptido. Otro rasgo peculiar es
la presencia de dos aminoácidos de configuración D (D-alanina y D-glutámico)
ya que en las proteínas los mismos aminoácidos presentan siempre
configuración L.
Fig. 16: Estructura de la mureína
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Pared celular de Gram positivas y Gram negativas
Las bacterias suelen dividirse en dos grandes grupos en relación a la estructura
y composición química de sus paredes celulares: las bacterias Gram positivas y
las bacterias Gram negativas. Es importante destacar que la distinción inicial
entre estos dos tipos se basa en una tinción diferencial: la tinción de Gram.
Gram positivas
La pared de las bacterias Gram positivas es estructuralmente más gruesa y
químicamente menos compleja que en Gram negativas. En las bacterias Gram
positivas hasta un 90% de la pared celular está constituida por mureina. Estas
bacterias pueden tener hasta 25 capas de mureina apiladas unas sobre otras.
Muchas bacterias Gram positivas presentan embebidos en su pared celular,
polisacáridos ácidos denominados ácidos teicoicos (Figura 17). El término
ácido teicoico hace referencia a toda la pared, membrana o polímeros
capsulares que contienen glicerolfosfato o residuos de fosfato de ribitol. Estos
polialcoholes están unidos por ésteres de fosfato y generalmente se les unen
otros azúcares. Algunos ácidos que contienen glicerol están unidos a los lípidos
de la membrana de bacterias Gram positivas: la íntima asociación de los ácidos
teicoicos con los lípidos justifica la denominación de ácidos lipoteicoicos. Los
ácidos teicoicos están cargados negativamente y por lo tanto contribuyen a la
carga negativa de la pared celular de las bacterias Gram positivas. También
pueden proporcionar soporte estructural a la pared celular.
Fig. 17: Diagrama global de la pared celular Gram positiva
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Gram negativas
En las bacterias Gram negativas la pared celular está compuesta por mureína y
una membrana externa.
Sólo cerca del 10 % de la pared celular está
constituida por mureína y el resto consiste en lípidos, polisacáridos y proteínas
que forman una capa exterior que se denomina membrana externa. La
membrana externa es una segunda bicapa lipídica pero que además de
fosfolípidos y proteínas presenta polisacáridos en su constitución química.
Debido a que los lípidos y los polisacáridos se unen formando un complejo se
conoce también como capa de lipopolisacárido (LPS) (Figura 18). En la
membrana externa la capa de lipopolisacárido se asocia a varias proteínas
para formar la hemicapa externa de la misma, mientras que en la hemicapa
interna se encuentra el complejo de lipoproteína. Este complejo, son pequeñas
proteínas asociadas a lípidos, cuya función es la de anclaje entre la membrana
externa y la mureína. En la hemicapa externa de la membrana externa, el LPS
sustituye a los fosfolípidos, los que predominan en la hemicapa interna.
Fig. 18: Diagrama global de la pared celular Gram negativa
Aunque la función de la membrana externa es estructural, una
importante propiedad biológica es que resulta tóxica para animales y el hombre
debido a que en ella se localizan endotoxinas (toxina no liberada por la célula:
puede estar unida a la superficie celular o ser intracelular). Algunos de los
efectos tóxicos que provocan algunas de las bacterias patógenas Gram
negativas más conocidas (especies de los géneros Escherichia, Salmonella y
Shigella) se deben a las toxinas presentes en las membranas externas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 22
Tinción de Gram: Es un tipo de tinción o coloración diferencial
empleada comúnmente en la microbiología para la visualización microscópica
de bacterias. Debe su nombre al microbiólogo Danés Christian Gram, que
desarrolló la técnica en 1884. Básicamente, la tinción de Gram (se desarrollará
completamente en los trabajos prácticos) es una tinción doble ya que se utilizan
dos colorantes (cristal violeta y fucsina). El fundamento de la tinción se basa en
las diferencias existentes en las paredes celulares de las bacterias Gram
positivas y Gram negativas. Las bacterias Gram positivas tienen pared celular
muy gruesa con muchas capas de peptidoglicano y las Gram negativas poseen
paredes delgadas con menos capas de peptidoglicano.
Durante la coloración, primero se agrega el colorante cristal violeta que
penetra en todas las células tiñendo a todas las células bacterianas (tanto
Gram positivas como Gram negativas) de color azul/violáceo. Luego se agrega
lugol que actúa como un mordiente haciendo que el cristal violeta se fije con
mayor intensidad a la pared de la célula bacteriana. El yodo penetra dentro de
las células y forma un complejo insoluble en solución acuosa con el cristal
violeta. Posteriormente el alcohol que se agrega sirve para realizar una
decoloración, ya que el complejo cristal violeta/lugol es soluble en alcohol. Los
organismos Gram positivos no se decoloran, pero sí los Gram negativos. Para
poner de manifiesto las células Gram negativas (ya que quedaron decoloradas)
se utiliza la fucsina como colorante de contraste. Después de esta decoloración
de contraste las células Gram positivas siguen de color azul/violáceo y las
Gram negativas adquieren un color rosado.
La diferencia en la tinción se observa en la resistencia a la
decoloración, esto se debe a que la membrana externa de las Gram negativas
es soluble en solventes orgánicos, como por ejemplo alcohol. La capa de
peptidoglicano que posee es demasiado delgada como para poder retener el
complejo cristal violeta/lugol que se formó previamente, y por lo tanto el
complejo se escapa de la célula, perdiéndose la coloración azul/violácea. Pero
por el contrario, en las Gram positivas, al poseer una pared celular más
resistente y con mayor proporción de peptidoglicanos, la célula no es
susceptible a la acción del solvente orgánico (alcohol), sino que este actúa
deshidratando los poros cerrándolos, lo que impide que pueda escaparse el
complejo cristal violeta/lugol y mantener de esta forma la coloración
azul/violácea.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 23
Células bacterianas que no presentan paredes celulares
Si bien la mayoría de las bacterias no pueden sobrevivir sin sus paredes
celulares, unos pocos organismos pueden hacerlo: son los micoplasmas. Los
micoplasmas constituyen un grupo de bacterias patógenas que causan
diversas enfermedades infecciosas en el hombre y otros animales. Estos
microorganismos son capaces de vivir sin paredes celulares porque viven como
parásitos en hábitats osmóticamente protegidos como el cuerpo humano.
Membranas bacterianas
La membrana celular o plasmática es una estructura delgada que rodea por
completo a la célula. Esta estructura vital es la barrera que separa el interior
celular (citoplasma) del exterior y actúa como una barrera selectiva que
capacita a la célula para concentrar metabolitos específicos en el citoplasma y
para poder excretar sus productos de desecho. Si se destruye la membrana se
rompe la integridad de la célula lo cual provoca su muerte. La membrana
celular tiene capacidad para sintetizar la pared celular y las cápsulas.
La estructura general de las membranas biológicas es la de una bicapa
lipídica. La bicapa está compuesta por fosfolípidos y proteínas embutidas
dentro de la bicapa. Los fosfolípidos están compuestos por componentes
hidrofóbicos (ácidos grasos) e hidrofílicos (glicerol-fosfato). Los fosfolípidos se
agregan en bicapas con los ácidos grasos orientados hacia el interior
(formando un ambiente hidrofóbico) y las porciones hidrofílicas expuestas a la
fase acuosa exterior o al citoplasma. La estructura de la membrana queda
estabilizada
mediante
enlaces
puentes de
hidrógeno
e interacciones
hidrofóbicas (Figura 19).
Las
proteínas
de
la
membrana
plasmática
presentan
zonas
hidrofóbicas en regiones que se incluyen en la membrana y zonas hidrofílicas
en las regiones que toman contacto con el medio exterior o con el citoplasma.
Las proteínas que se encuentran firmemente asociadas y embutidas a la
membrana se denominan proteínas integrales de membrana, mientras que las
que se asocian a ella en su superficie se denominan proteínas periféricas de
membrana (Figura 19). Por lo general, estas proteínas interaccionan con
proteínas integrales de membrana que son importantes en procesos
relacionados con el metabolismo energético y el transporte.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 24
Fig. 19: Membrana plasmática
Membranas de arqueas
Los lípidos de las membranas de los dominios Bacteria y Eukarya son
diferentes a los de Archaea. En Bacteria y Eukarya los lípidos presentan
enlaces de tipo éster entre el glicerol y los ácidos grasos mientras que los
lípidos de Archaea poseen enlaces éter entre el glicerol y las cadenas laterales
hidrofóbicas. Además, carecen de ácidos grasos y en su lugar tienen cadenas
laterales
compuestas de unidades repetidas de isopreno. Pese a estas
diferencias en la composición química, las membranas de estos grupos tienen
regiones hidrofóbicas internas y regiones hidrofílicas externas. Sin embargo,
debido a diferencias químicas en los lípidos que forman las membranas de
arqueas, en este grupo las membranas forman una monocapa en vez de una
bicapa lipídica (Figura 20). Estas monocapas son muy resistentes a la
disgregación razón por la cual por ejemplo las arqueas hipertermófilas pueden
soportar elevadas temperaturas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 25
Fig. 20: Diferencias entre las membranas celulares de los dominios Bacteria y
Archaea.
Membranas internas
Además de la membrana situada en la periferia de la célula, la mayoría de los
procariotas poseen membranas internas. Estas membranas internas pueden
ser simplemente extensiones o invaginaciones de la membrana celular, o
pueden ser estructuras más complejas como por ejemplo:

Mesosomas: los mesosomas son invaginaciones de la membrana
plasmática asociadas con la replicación del ADN. Los mesosomas son los sitios
de anclaje del nucleoide bacteriano para empezar la duplicación del ADN y la
formación de del septo bacteriano (tabique que separa a las células que se
dividieron) en el proceso de fisión binaria o división celular.

Vesículas: son estructuras donde se localizan enzimas y pigmentos para la
realización de diferentes procesos metabólicos como respiración, fotosíntesis y
oxidaciones especiales.

Tilacoides: son estructuras en forma de sacos aplanados o vesículas donde
se asientan los pigmentos fotosintéticos. Se considera que los tilacoides
bacterianos fueron los precursores de los cloroplastos de las células
eucarióticas (Figura 21).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 26
Tilacoides
Membrana plasmática
Fig. 21: Microscopía electrónica de una cianobacteria. Se destacan las
membranas tilacoidales dispuestas en forma concéntrica alrededor del
citoplasma celular.
Citoplasma bacteriano
El citoplasma bacteriano es un sistema coloidal formado por un 85% de agua
que además contiene minerales y enzimas. En el citoplasma se pueden
observar inclusiones, gránulos, vacuolas, etc.
Zona nuclear
Los genomas (conjuntos de genes de un organismo) presentan una
organización diferente en organismos procariotas que en eucariotas. En las
células procariotas no hay un núcleo definido (no hay membrana nuclear) por lo
cual el ADN de doble cadena se presenta como una larga molécula llamada
cromosoma. Los procariotas presentan un único cromosoma circular que se
encuentra altamente plegado (superenrollado) conformando una estructura que
se denomina nucleoide (Figura 11). La composición química del ADN
bacteriano es la misma de las células eucarióticas, salvo que la carga negativa
de los grupos fosfatos es neutralizada por magnesio, mientras que en los
eucariotas es neutralizada por proteínas básicas llamadas histonas. El ADN
posee la información genética de la célula, es sitio diana para la acción de
antibióticos, permite establecer relaciones taxonómicas y permite el diagnostico
directo a través de técnicas moleculares.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 27
La replicación del ADN en las bacterias también es básicamente muy
parecida a la que sucede en células eucariotas. Debido a que el cromosoma es
circular, el proceso se inicia en un punto donde se localiza el mesosoma y se
desplaza alrededor del anillo. Después de replicado el ADN, el nuevo anillo se
traslada hacia una de las células en desarrollo y comienza la formación del
septo trasversal que separa las células. La división celular de las bacterias se
denomina fisión binaria porque da como resultado dos células hijas idénticas
entre sí e idénticas a la célula que les dio origen (Figura 22). En algunos casos
la velocidad de duplicación es muy alta y no se completa la separación de las
células por lo que se forman cadenas de células y otros agrupamientos
celulares.
ADN
replicación ADN
Elongación celular
Formación del septo
Terminación del septo y
formación de paredes
Separación celular
Fig. 22: División celular en bacterias: fisión binaria
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 28
Ribosomas
Los ribosomas están constituidos aproximadamente por un 60% de ARN y un
40% de proteínas. A diferencia de la célula eucariota, los ribosomas no se
asientan sobre un retículo endoplásmico sino que están libres en el
citoplasma. La función de los ribosomas es la misma que en las células de
organismos superiores, es decir la síntesis de proteínas funcionales (enzimas)
y proteínas estructurales.
Cada ribosoma está formado por dos subunidades de diferente
tamaño. Los procariotas poseen subunidades ribosómicas 30S y 50S, que al
unirse forman ribosomas 70S, mientras que los eucariotas tienen ribosomas
80S. Los valores “S” se refieren a las constantes de sedimentación de las
subunidades ribosómicas (30S y 50S) o del ribosoma completo (70S) cuando
se someten a una gran fuerza de centrifugación en una ultracentrífuga. Cada
subunidad ribosómica es un complejo ribonucleoproteico formado por ARN
ribosómico de distinto tipo y proteínas específicas. La subunidad más
pequeña (30S) está compuesta por una molécula de ARNr 16S a la que están
unidas más de 20 proteínas. En cambio, la subunidad mayor (50S) se
compone de ARNr 23S, 5S y más de 30 proteínas específicas. Se cree que
las proteínas de cada partícula están unidas al ARN y que la unidad entera
está envuelta dentro de una estructura globular (Figura 23).
ARN r
Proteínas
Subunidades
ribosomales
Ribosomas
Ribosoma
Procariota
Ribosoma
Eucariota
Figura 23. Diferencias entre las constantes de sedimentación de los
ribosomas de células procariotas y eucariotas
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 29
Elementos no comunes: Estructuras variables
Plásmidos
Muchos procariotas contienen pequeños trozos de ADN extracromosómico
dispuestos en forma circular conocidos con el nombre de plásmidos. El número
de plásmidos puede variar, desde una sola copia hasta algunos cientos por
célula. Los plásmidos son ADN de doble cadena (igual al ADN del cromosoma)
que se replican independientemente del cromosoma bacteriano (Figura 24).
Los genes contenidos en los plásmidos codifican para funciones no vitales
(propiedades especiales) para la bacteria, como por ejemplo la fijación de
nitrógeno atmosférico, la resistencia a antibióticos, etc. Otra característica de
los plásmidos es que pueden transmitirse de una bacteria a la otra, esta
particularidad hace que sirvan como una importante herramienta en
laboratorios de genética e ingeniería genética, donde son comúnmente usados
para multiplicar (hacer muchas copias) un gen en particular. Además, pueden
ser utilizados para generar organismos resistentes o con alguna función
metabólica especial. Muchos plásmidos ya están disponibles comercialmente
para dichos usos.
ADN bacteriano
Plásmidos
Fig. 24: Bacteria con ADN extracromosómico (plásmidos) en su citoplasma
Flagelos
Los flagelos bacterianos son apéndices largos y finos que se encuentran fijos a
la célula por uno de sus extremos y libres por el otro extremo. Los flagelos
(flagellum= látigo) permiten la movilidad de las células en medio acuoso. Son
tan finos que no es posible visualizarlos con el microscopio óptico y es
necesario recurrir a tinciones o microscopios especiales para su visualización.
La disposición de los flagelos varía según las bacterias. En la distribución polar,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 30
los flagelos se localizan en un extremo (disposición monotrica) o en ambos
extremos de la célula (anfitrica). En ocasiones, de un extremo de la célula
puede surgir un penacho de flagelos, disposición que se denomina lofotrica
(lofos=penacho, tricos=pelo). En cambio, en la distribución peritrica, los flagelos
se insertan en varios lugares alrededor de la superficie celular (peri=alrededor)
(Figura 25 y 26).
Fig. 25: Disposición de los flagelos en células bacterianas
b
a
Fig. 26: a) Disposición monótrica en Vibrio cholerae. b) Disposición perítrica en
Escherichia coli
El crecimiento de los flagelos no se produce a partir de la base, sino a
partir de la punta. Los flagelos bacterianos están constituidos por una proteína
denominada flagelina. Cada flagelo es una estructura semirrígida incapaz de
flexionarse que se mueve mediante rotación de su base, como lo hace una
hélice. Los organismos de flagelación peritrica se mueven en línea recta y de
manera lenta, mientras que los organismos con flagelos polares, se mueven
dando giros periódicos (giran sobre sí mismos) y de una manera más rápida e
impetuosa.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 31
Como muchos procariotas son móviles aquellas células que puedan
desplazarse tienen una ventaja adaptativa en ciertas condiciones ambientales
frente a aquellas que no puedan hacerlo. Los procariotas entran en contacto en
la naturaleza con numerosos gradientes físico-químicos. El objetivo de las
células que presentan movilidad es responder a estos estímulos (en forma
positiva o negativa), es decir, dirigiendo el movimiento de la célula alejándose o
acercándose a estos gradientes.
Los movimientos dirigidos de las células se denominan taxias: la
quimiotaxia es la respuesta de los organismos frente a estímulos químicos y la
fototaxia es la respuesta de los organismos frente a la luz. En este sentido,
muchas bacterias presentan respuestas a diferencias en concentraciones de
diferentes sustancias químicas, otras bacterias fotosintéticas responden a la
diferencia de intensidad lumínica, pudiendo llegar a distinguir entre dos fuentes
de luz que difieran en solo un 5% de intensidad. Algunas veces la respuesta es
positiva (hacia las sustancia química o la fuente de luz) y otras veces es
negativa (alejamiento o repulsión). Asimismo, existen otras taxias como la
aerotaxia donde los organismos se mueven en relación a las diferentes
concentraciones de O2 en el medio (acercándose o alejándose).
Fimbrias
Las fimbrias presentan una estructura similar a los flagelos y son de naturaleza
proteica, pero no participan en la movilidad. Las fimbrias son bastante más
cortas que los flagelos y son mucho más numerosas (Figura 27). Su función es
favorecer la fijación a superficies (tejidos animales en el caso de algunas
bacterias patógenas), la formación de biopelículas (biofilms) o fijación a
superficies.
Pilis
Son estructuralmente similares a fimbrias, pero por lo general son más largos y
solamente existen unos o pocos pilis sobre la superficie (Figura 27). Los pilis
también participan en la adhesión a superficies y tienen una función muy
importante en el proceso de conjugación en procariotas (intercambio genético
entre bacterias).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 32
Pili
Fimbrias
Fig 27: Fimbrias y pilis. Se observan dos bacterias intercambiando material
genético mediante un pili
Cápsulas, vainas y pedúnculos
Algunas bacterias y cianobacterias segregan materiales mucosos o gomosos
que les sirven para la adhesión y protección celular. Estas capas mucosas
están compuestas por polisacáridos, polipéptidos, o complejos de polisacáridos
y proteínas. Se denominan cápsulas (Figura 28) cuando la capa mucosa rodea
totalmente la célula de un modo compacto. En cambio, se llama vaina cuando
la capa mucosa engloba a varias células y se denomina pedúnculos cuando el
mucus se localiza en un extremo de la célula, lo que le permite adherirse a las
superficies como si tuviera un pie.
Las capas mucosas no son esenciales para la vida de los
microorganismos (cepas mutantes sin cápsula son capaces de crecer
normalmente), sin embargo les otorga gran poder adaptativo en el ambiente.
Las bacterias capsuladas tienen varias ventajas: son más difíciles de fagocitar
por los protozoos del suelo o por los leucocitos (glóbulos blancos) de un
huésped, tienen mayor resistencia a la desecación, mayor contacto con algún
sustrato específico (por ej. las bacterias que producen las caries en los
dientes), etc. Además, las cápsulas de las bacterias patógenas son asiento de
las toxinas que provocan la enfermedad en el huésped.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 33
Cápsula
Fig. 28: Cápsula viscosa de sustancias glucídicas que rodea a una bacteria
Sustancias de reserva
Muchos procariotas almacenan habitualmente diferentes sustancias en su
citoplasma (como gránulos o inclusiones) como mecanismo de reserva
energética o como reservorio para la construcción de macromoléculas. En
organismos procariotas, una de las sustancias de reserva (cuerpo de inclusión)
más frecuentes está compuesto por ácido poli-β-hidroxibutírico (PHB). El PHB
es un compuesto lipídico formado por monómeros de ácido β-hidroxibutírico
unidos por enlaces éster. La longitud de los monómeros varía entre 4 a 18 C.
Los polímeros de PHB se agrupan dentro del citoplasma celular formando
gránulos.
En menor medida las bacterias pueden acumular glucógeno. El
glucógeno es un polímero de subunidades de glucosa. Los gránulos de
glucógeno en general son más pequeños que los de PHB. Otras bacterias con
metabolismos especiales que utilizan otras fuentes de energía, pueden
acumular otras sustancias de reserva, como por ejemplo fósforo y azufre. En
este sentido, muchos organismos acumulan grandes reservas de fosfato
inorgánico en forma de gránulos de polifosfato. Por otra parte, algunos
procariotas son capaces de oxidar los compuestos de azufre reducido. En este
caso, estos microorganismos acumulan azufre elemental en el interior de la
célula en forma de gránulos.
La presencia de gránulos con sustancias de reserva tiene estrecha
relación con el estado nutricional de la célula. Cuando la bacteria absorbe más
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 34
de lo que metaboliza acumula compuestos químicos como reserva. Este
mecanismo es muy útil en condiciones naturales particularmente en el suelo,
donde la disponibilidad de recursos no es constante a lo largo del año.
Vesículas de gas
Las vesículas de gas son estructuras fusiformes, huecas pero rígidas. La
membrana de la vesícula gaseosa está compuesta exclusivamente de
proteínas que forman una estructura impermeable al agua y a los solutos, pero
permeable a los gases (Figura 29). La rigidez de la membrana es esencial para
que la estructura resista las presiones ejercidas desde el exterior. Una presión
hidrostática elevada puede hacer colapsar la membrana perdiendo la
capacidad de flotar.
Numerosos microorganismos que flotan en lagos y en el mar presentan
vesículas de gas que son responsables de la flotabilidad de las células en el
medio. Las vesículas de gas representan una forma de movilidad que permite
que las células floten a diferentes alturas en respuesta a diferentes condiciones
microambientales.
Vesículas de gas
Fig. 29: Fotomicrografía electrónica de una cianobacteria Microcystis sp. en
sección transversal mostrando las vesículas gaseosas en el interior celular.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 35
Particularmente, las cianobacterias, que son bacterias fotosintéticas
que viven en ambientes acuáticos presentan vesículas gaseosas que le
permiten ascender al a superficie de los lagos y con la ayuda del viento se
convierten en grandes acúmulos masivos (florescencias). En el caso de
organismos que realizan fotosíntesis, la presencia de vesículas es esencial ya
que les permite ajustar rápidamente su posición en el agua, hacia regiones
donde la intensidad de la luz es óptima.
Pigmentos
En general las bacterias carecen de pigmentos y son transparentes. Las
excepciones son las bacterias fotosintéticas que poseen diferentes tipos de
pigmentos para la realización de la fotosíntesis (carotenos, bacterioclorofila,
ficocianina, ficobilinas, etc.) y algunas bacterias que viven sobre la superficie de
las plantas expuestas a la radiación ultravioleta que tienen pigmentos
especiales que utilizan como mecanismo protector contra la radiación
(melaninas).
Endosporas
Ciertas bacterias pueden producir en su interior estructuras de resistencia
especiales llamadas endosporas o esporas bacterianas. Las endosporas son
células
diferenciadas
(formadas
dentro
de
una
célula
bacteriana)
extraordinariamente resistentes al calor y difíciles de destruir con productos
químicos incluso con aquellos extremadamente agresivos. Las endosporas
bacterianas son diferentes en su estructura y formación a las esporas
producidas por los hongos.
El descubrimiento de las endosporas fue trascendental para la
microbiología ya que el conocimiento de estas formas bacterianas de alta
resistencia al calor fue decisivo para el desarrollo de los métodos de
esterilización (eliminación total de los microorganismos). Las bacterias que
forman esporas se encuentran habitualmente en el suelo y se puede decir que
cualquier muestra de suelo seguramente contiene endosporas.
La estructura de la endospora es mucho más compleja que la de una
célula vegetativa porque posee varias capas. La capa más externa llamada
exosporium, es una cubierta fina y delicada de naturaleza proteica. Por debajo
se encuentra la cúticula formada por proteínas específicas. Por debajo de esta
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 36
se encuentra el cortex (corteza), que es una capa compuesta por
peptidoglicano con uniones laxas y hacia el interior del cortex está el núcleo
que contiene la pared celular, membrana celular, el citoplasma, nucleoide, etc.
Una de las sustancias químicas que es característica de las
endosporas y que no se encuentran en las células vegetativas es el ácido
dipicolínico que se localiza en el núcleo de la espora. Las esporas son ricas en
iones de calcio que en su mayoría se combinan con el ácido dipicolínico
formando complejos calcio-ácido dipicolínico (llamados dipicolinatos de calcio).
Los complejos de dipicolinato de calcio reducen la disponibilidad de agua
dentro de las endosporas, favoreciendo su deshidratación. Además, los
complejos se intercalan en el ADN, insertándose en las bases, y de esta
manera estabilizan el ADN frente a la desnaturalización por el calor.
El citoplasma de una endospora madura difiere mucho del de una
célula vegetativa de la cual se ha originado. La deshidratación incrementa
ampliamente la termoresistencia de la endospora y al mismo tiempo le confiere
resistencia a algunas sustancias químicas como el peróxido de hidrógeno
(agua oxigenada). Además, el citoplasma contiene gran cantidad de proteínas
pequeñas que se forman durante el proceso de esporulación (formación de la
espora) y que le otorgan a la espora resistencia al calor seco, radiación
ultravioleta y a la desecación. Sin embargo, otras de las funciones de estas
pequeñas proteínas es servir como fuente de C y energía para el desarrollo de
una célula a partir de la endospora, un proceso que se denomina germinación.
Para que ocurra la germinación de una endospora, primero debe ocurrir la
activación de la misma. La activación se acciona por calor y luego se produce
la germinación la cual implica una reactivación del metabolismo que rompe la
hibernación. Generalmente, un agente ambiental es el que actúa como
disparador de la germinación. Por ejemplo, temperaturas de 60-70°C durante
unos pocos minutos en presencia de nutrientes adecuados puede inducir la
germinación de la espora. La espora absorbe agua, se hincha y su cutícula se
rompe. La nueva célula vegetativa empuja hacia fuera de la cutícula y empieza
a dividirse.
No todas las bacterias tienen capacidad de formar endosporas. Los dos
géneros de bacterias más conocidos que producen esporas son: Bacillus y
Clostridium ambos Gram positivos y de amplia distribución en el suelo. Hasta la
actualidad no se ha encontrado ninguna arquea formadora de endosporas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 37
Los factores que intervienen en la formación de las endosporas son
complejos, pero se conoce que la falta de alimento es un factor clave para
iniciar el proceso de esporulación. El primer paso para la formación de una
endospora consiste en que la célula vegetativa madre gasta toda la energía en
dividirse y formar las capas externas. El citoplasma queda reducido a un gel de
proteínas con escasa cantidad de agua. Aunque son resistentes al calor y a la
radiación extremos, las endosporas pueden ser destruidas mediante estos
tratamientos. Así, la exposición al calor extremo por periodos largos de tiempo,
así como la exposición prolongada a la radiación, (rayos gamma por ejemplo),
matan a las endosporas.
Las endosporas son difíciles de observar al microscopio debido a la
impermeabilidad de su pared que evita la entrada de los colorantes empleados
en las tinciones ordinarias. Mientras que el resto de la bacteria puede teñirse, la
endospora permanece no coloreada. Debido a esto surgieron varias técnicas
de tinción para poder teñir selectivamente las endosporas.
Proceso de formación de las endosporas: Esporulación
Etapas de la esporulación
El proceso de esporulación en bacterias sigue una serie de etapas
(Figura 30):
1. Duplicación del material genético (ADN) y división celular asimétrica.
2. Formación del septo de la endospora (se va aislando el ADN recién
replicado junto a una pequeña porción de citoplasma).
3. Formación de la pre-espora (el septo de la endospora rodea la porción
aislada).
4. Síntesis del exosporio, formación de una capa de peptidoglicano entre las
membranas (cortex) y deshidratación.
5. Incorporación de calcio y producción de ácido dipicolínico.
6. La espora se recubre de una cubierta (cutícula).
7. Maduración de la endospora.
8. Lisis de la célula vegetativa y liberación de la endospora.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 38
pared celular
Condensación
Condensación
del célula vegetativa
del
ADN
ADN
membrana plasmática
ADN
División
Divisióncelular
celular
asimétrica
asimétrica
Invaginación
Formacióndel
del
septo
septo
Endospora en
formación
Formación
dede
la la
Formación
pre-espora
pre-espora
Síntesis
dede
exosporio;
Síntesis
exosporio; formación
del cortex
entre
laslas
dos
formación
del cortex
entre
membranas
dos membranas
exosporio
cortex
Incorporación
dipicolinato de
Incorporación dede
dipicolinato
de calcio,
calcio, deshidratación
y y
deshidratación
formación
de de
cutícula
formación
cutícula
Maduración: desarrollo
dede
Maduración:
desarrollo
resistencia
al
calor
resistencia al calor
cortex
exosporio
Lisisdedela la
célula
Lisis
célula
y y
liberación
de
la
endóspora
liberación de la endospora
endospora libre
Fig. 30:Etapas de la esporulación en el género Bacillus
Durante el proceso de esporulación, la posición de la espora dentro de
la célula vegetativa varía según la especie de bacteria. En algunas, la
endospora es central y en otras es terminal (en los extremos). A veces la
espora tiene mayor diámetro que la célula madre por lo que se observa como
hinchada (Figura 31).
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Central
Subterminal
Terminal
Endospora
central
Endospora
subterminal
Endospora
0
terminal
Fig. 31: Posición de la endospora dentro de la célula bacteriana
El conocimiento de las características de las esporas es de gran
importancia práctica, puesto que muchas de las bacterias que forman esporas
causan enfermedades muy graves en el hombre y animales (tétano, botulismo,
etc.).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 40
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 41
UNIDAD II: METABOLISMO MICROBIANO
Se denomina “metabolismo” al conjunto de reacciones químicas que se
producen en las células para obtener energía y sintetizar los compuestos
vitales para los organismos.
Las sustancias nutritivas que las células toman del medio son
transformadas mediante una serie de reacciones enzimáticas consecutivas
llamadas vías metabólicas. Las vías metabólicas incluyen: a) la hidrólisis y
oxidación de sustancias nutritivas que se transforman en compuestos simples,
produciendo energía (catabolismo) y b) la utilización de sustancias simples y
energía, para sintetizar macromoléculas (ácidos nucleicos, proteínas, lípidos e
hidratos de carbono) que constituyen la estructura celular (anabolismo).
Los mecanismos de obtención de energía han ido evolucionando desde
el comienzo de la vida sobre el planeta. Toda liberación de energía implica una
reacción de óxido-reducción entre dos pares redox. La eficiencia metabólica
depende de dos aspectos claves: a) de la diferencia de potencial entre los
compuestos que se oxidan y los que se reducen y b) de la cantidad de
reacciones intermedias entre los pares redox. A mayor cantidad de reacciones
intermedias, la liberación de energía se hace más lenta y permite mayor
almacenamiento de energía química y menor pérdida de energía calórica.
Los hidratos de carbono (CH2O)n constituyen las sustancias nutritivas
más utilizadas por los organismos vivos para obtención de energía. Los
organismos superiores tienen el metabolismo más eficiente que se ha
desarrollado hasta el momento: la respiración aeróbica, que consiste en la
reacción de óxido-reducción entre los pares (CH2O)n-CO2 y O2-H2O, con una
serie de pasos intermedios (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria) que
permite almacenar gran cantidad de ATP.
Las primeras formas de vida en el planeta fueron microorganismos que
crecieron en ambientes con una atmósfera sin O2 y con elevada cantidad de
otros gases (NO2, H2S, SO y CO2) provenientes de las erupciones volcánicas
que originaron la corteza terrestre. Por tal motivo, los microorganismos poseen
además de la respiración aeróbica otros metabolismos con pares redox
diferentes (por ej., (CH2O)n-CO2 y H2S-SO4-2), con un salto de potencial menor.
Otros microorganismos poseen metabolismos con pocos pasos intermedios,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 42
por lo que tienen escasa capacidad de almacenar energía (por ej. las
fermentaciones que sólo poseen glucólisis).
Para poder analizar los diferentes metabolismos microbianos se recurre
a una clasificación nutricional que consiste en agrupar los metabolismos según
3 características básicas:

Origen de la energía: luz solar (foto) o reacciones químicas (quimio).

Tipo de compuesto que provee el poder reductor: orgánico (órgano)
o inorgánico (lito).

Tipo de compuesto que provee el C para la biomasa celular:
orgánico (heterótrofo) o inorgánico, CO2 (autótrofo).
La combinación de estas tres características permite clasificar a los
organismos
como:
foto-órgano-heterótrofos,
quimio-órgano-heterótrofos,
quimio-lito-autótrofos, etc. Así las plantas son organismos foto-lito-autótrofos
(FLA), es decir, obtienen energía de la luz solar, el poder reductor del agua
(lito) y la fuente de C celular del CO2. Contrariamente los animales son quimioórgano-heterótrofos (QOH), obtienen energía de reacciones químicas y el
poder reductor y el C celular de compuestos orgánicos, (CH 2O)n. Los
microorganismos tienen numerosas variaciones metabólicas, combinando
estos tres aspectos, por ejemplo quimio-lito-autótrofos (QLA), foto-órganoheterótrofos (FOH), etc.
Metabolismos quimio órgano heterótrofos (QOH)
Los microorganismos QOH, obtienen la energía de reacciones químicas, y el
poder reductor y la fuente de carbono a partir de compuestos orgánicos, por
ejemplo la glucosa.
Dentro de los metabolismos QOH existe 4 tipos fundamentales
teniendo en cuenta cuál es el compuesto que establece el par redox con el par
(CH2O)n-CO2, es decir, el compuesto aceptor de los electrones liberados en la
oxidación. Todos estos metabolismos parten de la oxidación de una molécula
de hexosa. En general, las hexosas provienen de la hidrólisis externa de
macromoléculas de (CH2O)n mediante la acción de enzimas segregadas por los
microorganismos, que posteriormente absorben los monómeros. Los 4 tipos
metabólicos QOH fundamentales son:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 43

Respiración aeróbica cuando el aceptor de e- es el O2.

Fermentación cuando el aceptor de e- es un compuesto orgánico (ácidos
orgánicos, alcoholes, etc.).

Respiración anaeróbica: cuando el aceptor de e- es un compuesto
inorgánico diferente al O2.

Oxidación incompleta: cuando los aceptores de e- son compuestos
orgánicos.
Respiración aeróbica
La respiración metabólica se define como la oxidación completa de una
molécula orgánica a CO2 y H2O, con la consecuente formación de energía
química en forma de ATP. En el caso en que el sustrato oxidable sea la
glucosa, la respiración consiste en la oxidación de una glucosa a través de la
vía de la glucólisis, originando dos piruvatos (3 átomos de C cada uno). Estos
piruvatos sufren decarboxilación oxidativa y forman 2 acetil-CoA (2 átomos de
C) que se unen al oxalacetato y a través de una serie de reacciones del ciclo
de Krebs, se oxidan completamente dando como resultado 2 CO2 , coenzimas
reducidas (NADH y FADH2) y GTP . Las coenzimas reducidas que se liberan
en los diferentes procesos oxidativos, van a cadena respiratoria donde se
reoxidan, dando lugar a la formación de ATP.
Vías oxidativas de las hexosas
Glucólisis: Es la vía metabólica por la cual la glucosa se oxida a compuestos
de menor número de C, originando la formación de 2 moléculas de piruvato (3
C), dando lugar a la formación de 2 NADH y 2 ATP. Esta vía metabólica ocurre
cuando la carga energética celular es baja (Fig. 1).
ATP
Glucosa
ATP
G6P
2 NADH
2 G3P
F6P
FDP
2 ATP
2 DPG
2 ATP
2 PG
Fig. 1: Vía de la Glucólisis
2 PEP
2 Piruvato
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 44
Vía de las pentosas fosfato A(PP)
La vía de las pentosas fosfato presenta 2 fases, la fase oxidativa donde la
glucosa-6-fosfato se oxida formando fosfogluconato que por decarboxilación
oxidativa origina una ribulosa-5-fosfato (Ru-5-P), en ambos pasos ocurre la
formación de NADPH. A continuación ocurre la fase no oxidativa que consiste
en reacciones de interconversiones entre moléculas de 3, 4, 5, 6 y 7 átomos de
C,
generando intermediarios utilizados para procesos de biosíntesis, tales
como la Ribosa5P y la Eritrosa4P. Los productos finales de la vía de las
pentosas se conectan finalmente a la glucólisis. (Fig. 2)
Glucosa-6P
NADP+
NADPH
Fase Oxidativa
Fosfogluconato
NADP+
NADPH
Ribulosa-5P
Ribulosa-5P
Xilulosa-5P
Gliceraldehido-3P
Xilulosa-5P
Sedoheptulosa-7P
Gliceraldehido-3P
Eritrosa-4P
Fructosa-6P
Fase No Oxidativa
Fructosa-6P
Fig. 2: Vía de las Pentosas Fosfato
Vía Entner-Doudoroff:
Esta vía metabólica es de importancia principalmente en los géneros
Zymomonas (bacterias fermentadoras de alcoholes) y Pseudomonas. La
glucosa-6-fosfato sufre en primer lugar una oxidación, similar a la vía PP, y se
convierte en 6-fosfogluconato. Posteriormente pierde una molécula de agua y
forma 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato, que se divide y origina piruvato y
gliceraldehido3P (G3P), el G3P continúa su metabolismo por la vía de la
glucólisis (Fig. 3).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 45
Glucosa
ATP
G6P
NADPH
Fosfogluconato
H2O
2 ceto 3 desoxi 6 gluconato
Piruvato
G3P
NADH
ATP
Glucólisis
ATP
Piruvato
Fig. 3: Vía de Entner Doudoroff
La producción de ATP, NADH y NADPH es muy diferente entre las 3
vías de degradación. Por cada mol de glucosa oxidado hasta piruvato se
forman: a) 2 moles de ATP y 2 moles de NADH por la glucólisis; b) 2 mol de
NADPH y ningún ATP por la vía PP y c) 1 mol de ATP, 1 mol de NADH y 1
mol de NADPH por la vía Entner-Doudoroff.
Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos
Llamado así porque se ciclan compuestos de 4C con 3 radicales ácidos cada
uno. En su función catabólica estos ácidos se combinan con el ácido acético
activado (acetil-CoA) originado por decarboxilación del piruvato. El acetil-CoA
se oxida completamente a CO2, con la generación de poder reductor (NADH y
FADH2), este poder reductor va a ser transferido a cadena respiratoria para la
generación de ATP. La oxidación de un mol de acetil-CoA da lugar a 2 CO2, 3
NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (Fig. 4)
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 46
Piruvato
CoA
NADH
CO2
AcetilCoA
OAA
NADH
Citrato
Malato
Isocitrato
NADH
Fumarato
CO2
α-cetoglutarato
FADH2
Succinato
NADH
GTP
CO2
Succinil-CoA
Fig. 4: Ciclo de Krebs, función catabólica
En su función anabólica el Ciclo de Krebs se alimenta por medio de
una vía anaplerótica, la que consiste en la síntesis de algún intermediario del
ciclo con la finalidad de poder utilizar alguno de los intermediarios del mismo
como precursores de
procesos anabólicos para la síntesis de esqueletos
carbonados (Fig. 5).
Piruvato
ATP
NAD+
ADP
NADH
CO2
CO2
Oxalacetato
AcetilCoA
Citrato
Isocitrato
+
NAD
CO2
NADH
NADPH
α-cetoglutarato
Glutamato
NH 4+
Función anabólica de Ciclo de Krebs
Fig. 5: Ciclo de Krebs, función anabólica
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Cadena respiratoria
La cadena transportadora de e- o cadena respiratoria (CR), tiene la función de
reoxidar las coenzimas reducidas generadas en los distintos metabolismos,
dando lugar a la formación de energía en forma de ATP. La CR está
constituida por una serie de transportadores de e -, dentro de los cuales se
encuentran
algunos
de
naturaleza
proteica
(NADH
deshidrogenasa,
Citocromo reductasa, Citocromo c y Citocromo oxidasa) y uno no proteico,
una quinona (ubiquinona) que es altamente hidrofóbica y conjuntamente con
el citocromo c actúan como transportadores móviles de electrones (Fig. 6).
Los
electrones
del
NADH
son
cedidos
a
la
NADH
deshidrogenasa y se mueven a favor de un gradiente de óxido-reducción a
través de los diferentes transportadores hasta el aceptor final de e - que es el
oxígeno, el que se reduce para formar H2O. De la misma manera se comporta
el FADH2 quien cede los e- a nivel de la ubiquinona. Esta secuencia permite
que una parte considerable de la energía se convierta en ATP (energía
utilizable bioquímicamente) y sólo se pierda una cantidad mínima en forma de
calor.
NADH
deshidrogenasa
Succinato
deshidrogenasa
Ubiquinona
Citocromo
reductasa
Citocromo c
Citocromo
oxidasa
ATP sintasa
Fig. 6: Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Conjuntamente con ese transporte de e- se produce un bombeo de H+
a través de los transportadores fijos de la CR (NADH deshidrogenasa,
citocromo reductasa y citocromo oxidasa), dando lugar a la generación de un
gradiente de H+ a través de la membrana (fuerza protomotriz).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 48
La fuerza protomotriz al disiparse a través de la única parte permeable
de la membrana que es la subunidad F0 (canal de protones) de la ATP sintasa
permite la fosforilación del ADP dando lugar a la síntesis de ATP, proceso que
se conoce como fosforilación oxidativa.
La oxidación completa en condiciones aeróbicas de un mol de glucosa
degradada por la vía de la glucólisis genera 38 ATP.
Balance energético de la oxidación de un mol de glucosa
Glucosa
2 Piruvato
2 AcetilCoA
2 Piruvato
2 NADH
2 ATP
2 AcetilCoA
2 NADH
Ciclo de Krebs
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
10 NADH
2 FADH2
30 ATP
4 ATP
CR y fosforilación oxidativa
2 CO2
4 CO2
38 ATP
Fermentación
La fermentación es un proceso catabólico que se da en ausencia de oxígeno
(anaerobiosis) y el producto final es un compuesto orgánico. Estos productos
finales son los que caracterizan los distintos tipos de fermentaciones. La
fermentación es un proceso de óxido-reducción, equilibrado internamente
donde el sustrato fermentable se oxida y reduce a la vez.
En la fermentación la síntesis de ATP se realiza mediante la
fosforilación a nivel de sustrato, en donde los enlaces fosfato ricos en energía
de un intermediario orgánico fosforilado se trasfieren directamente al ADP para
sintetizar ATP. El primer paso de toda fermentación es la glucólisis, en donde la
glucosa es oxidada hasta formar 2 piruvatos.
En condiciones anaeróbicas, el NADH producido por la glucólisis es
transferido a productos intermedios o a aceptores especialmente sintetizados
para regenerar el NAD+. Estos compuestos orgánicos reducidos son
segregados por las células y constituyen el producto de la fermentación. El tipo
de
producto
de