Conceptos Fundamentales de la Microbiología

Definición de Microorganismo y Microbiología

Microbiología: Es la ciencia encargada del estudio de los microorganismos.

Microorganismo: Forma de vida que solo puede observarse por medio de un microscopio.

Microorganismos y Bacterias como Células

• Son capaces de absorber cualquier alimento que esté en su medio circundante y alimentarse.
• Son capaces de autorreproducirse.
• Poseen replicación genética; tienen un ADN que actúa como un cromosoma bacteriano.
• En una situación estresante, son capaces de formar estructuras de resistencia.
• Pueden emitir señalización y alertarse entre ellas en cualquier situación.
• El ADN bacteriano es muy estable.
• Los virus sí cambian su estructura.

Impacto y Aplicaciones de los Microorganismos

Impacto en Sectores Clave

Agricultura

• Son fijadores de nitrógeno atmosférico.
• Bacterias solubilizadoras de fósforo.
• Hongos y micorrizas.

Alimentación

Se utilizan para la elaboración de quesos y son importantes para la fermentación del vino.

Medio Ambiente

• Los microorganismos son capaces de remediar situaciones de contaminación.
• Pueden degradar productos biocidas, insecticidas y fungicidas.

Biotecnología y Medicina

La microbiología permite manipular diversos microorganismos, lo que ha resultado en avances tecnológicos como los antibióticos.

Microbiología Agrícola

Es una rama de la microbiología que estudia el impacto de los microorganismos en la fertilización del suelo, el control de insectos dañinos, la formación de suelos y el efecto de fitopatógenos.

• Los hongos son capaces de modificar la estructura del suelo, formando estructuras granulares que permiten un mejor drenaje.
• Las bacterias producen o excretan sustancias cementantes, favoreciendo la agregación del suelo.

Beneficios de los Microorganismos en la Agricultura

• Potencian los rendimientos de los cultivos.
• Participan en los procesos de ciclaje de elementos (pasan de un estado a otro).
• Controlan plagas y enfermedades.
• Favorecen una producción agrícola más sostenible.

Diversidad y Descubrimiento del Mundo Microbiano

Descubrimiento Histórico

Louis Pasteur explicó la presencia de los microorganismos.

Tipos de Diversidad Microbiana

• Diversidad Morfológica
• Diversidad Estructural
• Diversidad Metabólica
• Diversidad Ecológica
• Diversidad de Conducta
• Diversidad Evolutiva

Diversidad Morfológica

Se refiere a cuando tienen diferente forma. Ejemplo: Las cianobacterias fijan el nitrógeno atmosférico.

Diversidad Estructural

No todos los microorganismos son iguales. Se distinguen por:

• Bacterias Gram positivas y Gram negativas.
• Presencia o no de flagelos.
• No todas las bacterias tienen cápsula.
• No todos los microorganismos forman endosporas.

Diversidad Metabólica

No todos los microorganismos se alimentan de carbono o de materia orgánica. Unos utilizan fuentes de energía y otros realizan actividad química.

Diversidad Ecológica

Los microorganismos tienen ciertas adaptaciones a nivel genético que les permiten vivir en condiciones específicas.

Diversidad de Conducta (Motilidad)

Se refiere a cómo se comportan en un ambiente determinado. Tienen estructuras de locomoción que les permiten moverse de un sentido a otro.

• Quimiotaxia: Movimiento en función de un estímulo químico.
• Fototaxia: Requieren de luz para poder desarrollarse (movimiento del microorganismo en diferentes longitudes de onda).

Diversidad Evolutiva

Si no pueden mutar, se extinguen o se van.

Alcances de la Microbiología

Permiten estudiar o ver los microorganismos como agentes geoquímicos que pueden intervenir en los ciclos biogeoquímicos; sin ellos es imposible completar un ciclo.

Aplicaciones Biotecnológicas

• Conservantes
• Medicinas
• Enzimas
• Obtención de bebidas alcohólicas
• Obtención de biocombustibles

Periodo Molecular

Trata de la incorporación de las micromoléculas a la microbiología, desde la aparición del SIDA hasta la actualidad.

Estructura Celular: Procariotas vs. Eucariotas

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Células Procariotas

• No tienen núcleo definido.
• Miden menos de 10 micrómetros.
• No poseen organelos membranosos.
• No tienen citoesqueleto.
• Siempre son unicelulares.
• Pertenecen a los reinos Bacteria y Archaea.
• Son de reproducción asexual.

Células Eucariotas

• Sí tienen núcleo definido.
• Miden más de 10 micrómetros.
• Sí poseen organelos membranosos.
• Sí tienen citoesqueleto.
• Las hay unicelulares y pluricelulares.
• Pertenecen a los reinos Protista, Fungi, Plantae y Animalia.
• Las hay de reproducción sexual y asexual.

Componentes Estructurales Bacterianos

La Cápsula Bacteriana

Es la capa rígida con borde definido, formada por una serie de polímeros orgánicos que en las bacterias se deposita en el exterior de su pared celular. Generalmente contiene glicoproteínas y un gran número de polisacáridos y azúcares.

Función de la Cápsula Bacteriana

• Resistencia a la desecación.
• Resistencia al ataque de células fagocíticas y anticuerpos del sistema inmune.
• Fijación a la célula hospedera.

La Pared Celular

Es una estructura compleja y fundamental para las bacterias, formada por peptidoglucanos (o peptidoglicanos, mureína o mucopeptidio), compuesta por dos cadenas de péptidos llamadas N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico.

La pared está compuesta por sustancias diversas; las cadenas se unen formando una malla, por lo que se puede considerar que la pared es una sola macromolécula.

Funciones de la Pared Celular

• Rigidez
• Flexibilidad
• Forma

La acción de ciertos antibióticos se basa en impedir la unión de las cadenas en malla, debilitando la pared y provocando la muerte de la célula.

Diferencia entre Pared Gram Negativa y Gram Positiva

Pared Gram Negativa

• Tiene una serie de componentes: LPS (lipopolisacáridos), lipoproteínas, proteínas y fosfolípidos.
• Dentro de los polisacáridos se encuentran endotoxinas que producen este tipo de bacterias, las cuales causan enfermedades.
• Poseen proteínas de transporte.
• Zona de espacio periplasmático (síntesis o producción de energía).
• La red de mureína presenta una sola capa.
• Nunca contiene lisina.
• No se encuentran puentes interpeptídicos.

Pared Gram Positiva

• La pared consta de una sola capa y suele ser mucho más gruesa.
• La red de mureína está muy desarrollada y llega a tener hasta 40 capas.
• Es frecuente la presencia de los aminoácidos L-diaminopimélico o de lisina.
• Los polisacáridos están unidos por enlaces covalentes (en el caso de tenerlos).

Otros Componentes Celulares

• Membrana Citoplasmática: Transporte selectivo de sustancias.
• Mesosomas: Son invaginaciones de membranas cuya función es participar en la división celular y en la síntesis de energía.
• Fimbrias: Son apéndices muy cortos de naturaleza proteica cuya función es la adhesión.
• Pelos (Pili): Son apéndices que parten desde el interior del citoplasma y pueden ser de diferente naturaleza (fimbrias adhesivas o pelos sexuales). A través de estos pelos se transmite la información genética de una célula a otra (conjugación), y aparecen principalmente en las células Gram negativas.
• Flagelo: Son apéndices constituidos por la proteína flagelina.

Clasificación de los Flagelos

• Monotricas: Un solo flagelo en un polo.
• Anfitricas: Un flagelo en ambos polos.
• Lofotricas: Con un «penacho» de flagelos en un solo polo.
• Anfilofotricas: Con un penacho de flagelos en ambos polos.
• Peritricas: Cuando los flagelos rodean todo el cuerpo de la bacteria.
• Atricas: Cuando no tienen flagelos.

Material Genético y Estructuras de Resistencia

Material Genético Bacteriano

• Cromosomas Bacterianos (Genóforo): ADN bacteriano. Cuando la célula se divide, el ADN también se divide.
• Plásmidos: Son trozos de ADN que se ubican fuera del cromosoma y se replican independientemente de este.
  • Plásmidos F: Producen los pelos sexuales.
  • Plásmidos R: Confieren resistencia a antibióticos.
• Plásmidos Simbióticos: Se encuentran en bacterias que fijan nitrógeno atmosférico (ej. Rhizobium).
• Transposones (Genes Saltadores): Modifican el ADN de sus alrededores, arrastrando un gen codificador de un cromosoma a otro, rompiéndolo por la mitad o haciendo que desaparezca del todo.

Endosporas e Inclusiones Citoplasmáticas

• Endosporas: Son estructuras de resistencia celular en potencia.
  • Función: Resistencia al calor, radiación y desecación, permitiendo la supervivencia en ambientes desfavorables.
• Vacuola de Gas: Son estructuras huecas llenas de gas que permiten la flotabilidad de las bacterias, manteniéndolas más cerca de la luz.
• Membrana Respiratoria: Permite la fotosíntesis.

Grupos Bacterianos de Interés

Actinomicetes

Son bacterias que forman hifas que, a su vez, forman conidios sobre el micelio aéreo, generando esporas. Se diferencian de los hongos por la presencia de pared celular bacteriana.

Funciones de los Actinomicetes

• Producción de antibióticos.
• Participan en la descomposición de residuos animales y vegetales.
• Mineralización del humus.

Geosmina: Provoca el olor a tierra mojada.

Cianobacterias

Se forman como rosario (cadenas).

Heterociste: Es una estructura donde se ubican las enzimas encargadas de la fijación del nitrógeno. Estas enzimas se denominan nitrogenasa y adecúan la producción de oxígeno.

Grupos de Bacterias de Importancia Agronómica

Rizobios

• Toman el N₂ de la atmósfera y lo transfieren a la planta.
• Reducen la incorporación de fuentes nitrogenadas sintéticas.
• Permiten una agricultura más sostenible ambientalmente.

Bacterias Solubilizadoras de Fósforo

• Solubilizan el fósforo inorgánico del suelo.
• Incrementan la disponibilidad de fósforo para las plantas.
• Promueven el crecimiento de las plantas.

Bacterias Descomponedoras de Materia Orgánica

• Inmovilización de nutrientes en su biomasa.
• Creación de nuevos compuestos, fuente de energía y nutrientes para otros microorganismos.
• Producción de agregados.
• Nitrificación – desnitrificación.
• Biofertilizantes.

Fisiología y Nutrición Bacteriana

Fisiología Bacteriana

Es la ciencia que se encarga del estudio de las funciones de un microorganismo.

Funciones

• Uso y obtención de energía.
• Generación de productos celulares.

Fases del Metabolismo

El metabolismo tiene dos fases: anabólica y catabólica.

• Anabólica: Gasto de energía para formar compuestos más complejos a partir de compuestos más sencillos.
• Catabólica: Se libera energía al degradar compuestos más complejos a compuestos más sencillos.

Enzimas

Son proteínas que catalizan las reacciones químicas.

• Exoenzimas: Son secretadas por las células y actúan fuera de ellas. Su función principal es disminuir el tamaño de las moléculas complejas existentes.
• Endoenzimas: Se producen dentro de la misma célula y son utilizadas para ensamblar las proteínas y producir compuestos más complejos.

Integración Metabólica: Las bacterias, a partir de compuestos más complejos, son capaces de degradar y hacerlos entrar de manera activa o pasiva.

Importancia del Metabolismo Bacteriano

• Permite conocer cómo funciona una bacteria para así poder manipularla.
• Permite obtener subproductos aprovechables para el hombre.

Mecanismos de Producción de Energía

• Respiración aeróbica
• Respiración anaeróbica
• Fermentación
• Fotosíntesis oxigénica (se libera oxígeno)
• Fotosíntesis anoxigénica (no se libera oxígeno)

Respiración vs. Fermentación

Respiración

• Se produce mayor energía.
• La descomposición del sustrato es total.
• Producto final: CO₂ y células.

Fermentación

• Se produce menos energía.
• Se producen productos intermedios (orgánicos).
• Se producen células.

Respiración Anaeróbica vs. Aeróbica

Nota: La diferencia clave es el aceptor final de electrones.

• Respiración Aeróbica: En la cadena de transporte de electrones, el aceptor final de electrones es el oxígeno (O₂).
• Respiración Anaeróbica: En la cadena de transporte de electrones, el aceptor final de electrones es una molécula inorgánica diferente al oxígeno (ej. nitrato, sulfato).

Tipos de Fermentación Bacteriana

• Fermentación Láctica: Proceso celular anaeróbico donde se utiliza glucosa para obtener energía y el producto de desecho es el ácido láctico.
• Fermentación Alcohólica: Proceso biológico de fermentación en ausencia de O₂, originado por la actividad de microorganismos que procesan hidratos de carbono (glucosa, fructosa, etc.) para obtener como producto final un alcohol (etanol).
• Fermentación Acética: Fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético.
• Fermentación Butírica: Conversión de glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias Clostridium butyricum en ausencia de O₂. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y CO₂.

Fotosíntesis Bacteriana

Bacterias Verdes de Azufre

• Fuente de electrones: Compuestos de azufre (ej. H₂S gaseoso).
• Anoxigénica.
• Pigmento: Bacterioclorofila a.
• Estructura fotosintética: Clorosomas.
• Condición: Anaerobia.

Bacterias Rojas de Azufre

• Fuente de electrones: Compuestos de azufre (ej. H₂S gaseoso).
• Anoxigénica.
• Pigmento: Bacterioclorofila a, b.
• Estructura fotosintética: Membrana plasmática.
• Condición: Anaerobia.

Nutrición y Transporte de Nutrientes

Tipos Nutricionales (Según la Fuente de Energía y Carbono)

• Quimioautótrofos: Utilizan el CO₂ como fuente de carbono y compuestos inorgánicos (azufre, hierro) como fuente de energía.
• Fotoautótrofos: Utilizan el CO₂ como fuente de carbono y la luz como fuente de energía.
• Quimioheterótrofos: Utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono y como fuente de energía.
• Fotoheterótrofos: Utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono y la luz como fuente de energía.

Mecanismos de Transporte de Nutrientes

• Difusión Simple: Es el paso de una sustancia de mayor concentración a menor concentración sin gasto de energía.
• Difusión Facilitada: Es el paso de una sustancia de mayor concentración a menor concentración sin gasto de energía (requiere proteínas transportadoras).
• Transporte Activo: Es el paso de una sustancia de menor concentración a mayor concentración y sí hay gasto de energía (ATP).

Crecimiento Bacteriano

Las bacterias no crecen en tamaño, sino en número de células, mediante el proceso de fisión binaria.

Tiempo Generacional: Es el tiempo que tarda una bacteria en dividirse. No es igual para todas las bacterias; generalmente está entre 24 y 48 horas.

Fases de Crecimiento (Curva de Crecimiento)

• Latencia: Reconocimiento del medio para determinar qué pueden consumir. No hay producción de células.
• Exponencial (Logarítmica): Se comienzan a reproducir rápidamente.
• Estacionaria: El número de células que se generan es el mismo que el número de células que mueren.
• Muerte: No hay más alimento y las células mueren.

Requerimientos Físico-Químicos para el Crecimiento Bacteriano

• Macro y microelementos
• Factores de crecimiento
• Presión osmótica
• Actividad del agua

Requerimiento de Oxígeno

• Aerobios obligados
• Anaerobios obligados
• Anaerobios facultativos
• Anaerobios aerotolerantes
• Microaerófilos

Tipos de Cultivo

• En medio de cultivo no renovado (batch)
• En medio de cultivo renovado (continuo)

Características Generales del Reino Fungi

Forma y Estructura de los Hongos

• Hifas: Son filamentos ramificados o tubos de citoplasma con núcleo. Pueden ser reproductivas o vegetativas.
  • Hifas Reproductivas: Generan esporas o conidios.
• Septo: Son paredes transversales que dividen las hifas en células.
• Micelio: Es la masa de hifas que constituye el cuerpo vegetativo de un hongo. Se clasifican en reproductores o vegetativos, dependiendo de su crecimiento.

Tamaño de los Hongos

• Microscópicos multicelulares
• Microscópicos unicelulares (levaduras)
• Macroscópicos multicelulares

Nutrición de los Hongos

Tienen digestión externa, pues vierten al exterior enzimas digestivas (sustancias proteicas) que actúan sobre los alimentos, dividiéndolos en moléculas sencillas. Los hongos absorben los alimentos después de digerirlos.

Los hongos son heterótrofos, puesto que no pueden realizar la fotosíntesis porque no tienen clorofila.

Tipos de Nutrición Fúngica

• Hongos Saprófitos: Obtienen los carbohidratos de la materia orgánica para conseguir sus alimentos.
• Hongos Simbióticos (Relación Micorrízica): Es una relación en la que ambos individuos reciben un beneficio (ayuda mutua). Cuando el hongo se pega a la raíz de la planta, absorbe carbono y aire.
  • Ectomicorrizas: La relación se establece entre el hongo y la raíz, pero el hongo se establece fuera de las células de la raíz.
  • Endomicorrizas: El hongo penetra los espacios intercelulares de la raíz de la planta y forma un arbúsculo y una vesícula (una bolsa para almacenar carbohidratos).
• Hongos Parásitos: Se adhieren a la planta con el fin de robarle todos los nutrientes, sin proporcionarle ningún beneficio.

Crecimiento y Condiciones Físico-Químicas

Los hongos sí crecen en tamaño.

Condiciones Físicas

• Agua
• Humedad relativa alta
• Temperatura alta
• pH ácido

Factores Químicos

• Fuente de Carbono: Hidratos de carbono como la glucosa, que además actúan como fuente de energía.
• Fuente de Nitrógeno: Compuestos inorgánicos de nitrógeno (cloruro de amonio, sulfato de amonio, nitrato de potasio) o compuestos orgánicos simples como la urea.
• Oligoelementos: Zinc, hierro, calcio.

Importancia de los Hongos

• Antibióticos (como la penicilina).
• Fabricación de queso azul.
• Champiñones (alimento).
• Micorrizas (simbiosis agrícola).
• Hongos controladores biológicos (ejemplo: Trichoderma).
• Micotoxinas: Son metabolitos secundarios que causan intoxicación y envenenamiento en humanos y animales.

Clasificación y Reproducción del Reino Fungi

Sistema de Clasificación (Filos)

• Chytridiomycota:
  • Son los hongos más simples y pequeños.
  • Se reproducen sexual y asexualmente.
  • Incluye a los hongos acuáticos (también conocidos como mohos del agua).
• Zygomycota:
  • Esporas sexuales dentro del esporangio.
  • La reproducción sexual da lugar a zigosporas.
• Glomeromycota:
  • Micelio septado.
  • Reproducción asexual.
  • Todos producen arbúsculos.
  • Algunos forman vesículas.
• Ascomycota:
  • Poseen micelio septado.
  • Espora asexual externa o conidios.
  • La reproducción sexual da lugar a ascosporas que se forman en el interior de una estructura llamada asca.
• Basidiomycota:
  • Poseen micelio septado complejo.
  • La reproducción sexual da lugar a basidioesporas que se forman en estructuras especializadas llamadas basidios.

Reproducción Sexual Fúngica

En la formación de esporas sexuales interviene una gran variedad de estructuras, y la reproducción sexual difiere notablemente entre los diversos grupos de hongos.

• En los Zygomycetes es por medio de unas hifas especializadas llamadas gametangios.
• En los Ascomycetes se producen a través de unas células con aspecto de saco denominadas ascas.
• En los Basidiomycetes intervienen células especializadas denominadas basidios.

En líneas generales, dos núcleos haploides de dos células (gametos) se unen formando un huevo (cigoto) diploide que, por meiosis, da lugar a cuatro núcleos haploides. En este proceso suele haber recombinación genética (existe un intercambio de genes).

Reproducción Asexual Fúngica

Los elementos de propagación asexual (esporas asexuales) pueden generarse de forma interna o externa.

• Generación Interna:
  • Clamidosporas: La célula se redondea en el interior de la hifa y queda rodeada por una gruesa pared para luego desprenderse.
  • Esporangiosporas: Se forman en el interior de una estructura denominada esporangio que, al madurar, se rompe liberando las esporas.
• Generación Externa:
  • Conidiosporas (Conidios): Se forman como una producción de la hifa (en vez de una transformación) y suelen formarse en estructuras diferenciadas de la hifa llamadas conidióforos. La variedad de las estructuras productoras de conidios es inmensa y se utiliza como característica fundamental en la clasificación.

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