bloque v.- microbiologia y biotecnologia (3)

8/15/2019 Bloque v.- Microbiologia y Biotecnologia (3)

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UNIDAD DIDÁCTICA III: MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA

1.- MICROORGANISMOS A.- Concepto de Microorganismo: Con el nombre de microorganismos se designa al conjunto de

seres vivos que se caracterizan por tener un tamaño tan pequeño que no pueden ser observados asimple vista, sino sólo con ayuda del microscopio óptico o electrónico.

Los hay sin estructura celular, p.e. los virus, pero la mayoría son unicelulares (procariotas oeucariotas), y existen también microorganismos pluricelulares (p.e. algas y mohos)La ciencia que se dedica a su estudio se denomina Microbiología.

B.- Principales grupos:a.- Formas acelulares: a’.- Introducción: Desde 1892 se conoce la existencia de “partículas

infecciosas”, a las que se dio el nombre de gérmenes filtrables, ya que traspasaban cualquier filtrocuyo tamaño de poro retuviese a los demás agentes infecciosos. Posteriormente se les denominóvirus, aunque no fue posible observarlos hasta que apareció el microscopio electrónico. Hoy seconocen otros tipos de partículas infecciosas de organización acelular, aunque en algunos casos nohay acuerdo unánime para considerarlas virus atípicos o formas totalmente distintas, aunque todas

ellas se clasifican y estudian aparte, sin adscribirlas a ningún reino. Al carecer de estructura celular,no pueden alimentarse, ni crecer y sólo se reproducen dentro de una célula huésped, de la que utilizansus estructuras vitales.

b’.-Virus: a’’.- Características generales: Son formas acelulares que vienen definidos por lassiguientes características:• Tamaño: Oscila entre 10 y 300 nm, o sea, muy inferior al de cualquier célula y próximo al de las

macromoléculas. Siempre tienen la misma forma y tamaño, mientras que los de una célulacambian a lo largo de su vida.

• Estructura u organización: Es molecular, no celular. Consta de ácido nucleico, que puede serADN o ARN, pero nunca ambos a la vez, envuelto en una cubierta de proteínas.

• Actividades vitales: Son parásitos intracelulares obligados, pues para autoperpetuarse utilizan los

materiales y maquinaria celular de la célula huésped, que, debido a esto, suele desorganizar supropia actividad, llegando incluso a morir. Por eso la mayoría de los virus causan gravesenfermedades. No poseen metabolismo ni sensibilidad.

b’’.- Composición y estructura: Las partículas víricas se denominan viriones. Para que unvirus pueda infectar una célula es necesario que presente su estructura completa. Ésta se compone de:• Ácido nucleico: Tanto el ARN como el ADN, pueden ser de cadena doble o de cadena sencilla, y,

en el caso del ADN, lineales o circulares. Los genomas ARN de cadena doble y algunos decadena sencilla, se presentan en los viriones en forma de varias cadenas independientes, congenes distintos (genoma segmentado). Ciertos virus con ARN simple (retrovirus) son capaces decopiar, a partir de una hebra simple de ARN, una doble hélice de ADN.

•

Proteínas: Son, casi todas, estructurales (aunque existen virus que poseen algunas enzimas). Cadamolécula proteica se denomina Capsómero, y se ensamblandando lugar a la Cápsida, una cubierta externa de formavariada. Al conjunto de ácido nucleico y cápsida se ledenomina nucleocápsida

• Envoltura membranosa: No todos los virus la presentan. Secompone de una bicapa lipídica procedente de la célula

parasitada, (de su membrana plasmática, RE o envoltura

nuclear), y cantidades variables de glúcidos, todos ellos

asociados a proteínas víricas (lipoproteínas y

glucoproteínas).

c’’.- Tipos de virus: Los virus se clasifican atendiendoa las características de las envolturas proteicas, al tipo de ácido nucleico que contienen ysegún las células que infectan.


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a’’’.- Según las características de la cápsida:• Virus poliédricos en los que los capsómeros forman un poliedro, frecuentemente de 20 o

múltiplo de 20 caras (icosaedro) (virus de la varicela, o de la polio, p.e.). Algunas vecespresentan proteínas con aspecto de espinas que erizan la cápsida.

• Virus helicoidales, en los que los capsómeros se enrollan en espiral, formando un cilindro(virus del mosaico del tabaco, p.e.), dentro del cual queda el ácido nucleico también

dispuesto helicoidalmente.• Virus complejos, en los que una zona de la cápsida, denominada cabeza, tiene forma

poliédrica, y otra zona, o cola, forma helicoidal (Bacteriófagos, como el fago T4, p.e.). Lacola acaba en una placa basal hexagonal de la que emergen cortas espinas de anclaje ylargas fibras caudales. Su misión es actuar como estructura de fijación a las células.

• Virus recubiertos: Son los que presentan envoltura membranosa (Virus de la gripe o VIH,también conocido como virus del SIDA.

b’’.- Según el tipo de ácido nucleico:• Virus con ADN bicatenario (de cadena doble), como corticovirus y miovirus, patógenos de

bacterias o adenovirus y papovirus, que infectan a células animales.• Virus con ADN monocatenario, como inovirus, patógeno de bacterias.•

Virus con ARN bicatenario, como reovirus, patógeno de células animales y vegetales• Virus con ARN monocatenario. Dentro de ellos se distinguen dos tipos, según el ARN actúe

como ARNm (poliovirus) o no (Rhabdovirus). Se hace otro grupo con aquellos que poseenla enzima transcriptasa inversa, que, dentro de la célula huésped, transcribe el ARN víricoen una molécula de ADN bicatenaria que se incorpora al ADN de la célula huésped, comolos retrovirus (virus del SIDA).c’’’.- Según el tipo de célula que infectan:

• Virus que infectan células vegetales: Aquí se incluyen virus con ARN monocatenario, comoel virus del mosaico del tabaco y otros con ARN bicatenario como el reovirus.

• Virus que infectan células animales: La mayoría poseen envolturas lipoproteicas, en las que

se encuentran proteínas de reconocimiento que identifican a los receptores de las célulasdianas que el virus puede infectar. Entre los que poseen ARN monocatenario están los de larabia, sarampión y gripe. También pertenecen a este grupo los retrovirus. Entre los virus decélulas animales con ADN bicatenario se encuentran los del herpes, la hepatitis o losresfriados (adenovirus).

• Virus que infectan bacterias o Bacteriófagos: Los hay con ADN monocatenario (Φ X174) ybicatenario (T2 o T4) y con ARN monocatenario (levovirus, p.e.) y bicatenario (cistovirus,p.e.).

d’’.- Actividad biológica: Fuera de la célula el virión es una forma inactiva desde el punto devista biológico. No desarrollan ninguna actividad ni crecen, por lo que no necesitan aporte de materiani de energía, es decir, no realizan las funciones de nutrición. Tampoco presentan funciones derelación pues, aunque parasitan células, el contacto con las mismas se establece de modo fortuito. Sinembargo, sí son capaces de reproducirse en el interior de la célula huésped, mediante un mecanismomuy especial: se multiplican por síntesis y posterior reunión de sus componentes. Pero al carecer de


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metabolismo propio, para ello han de utilizar las estructuras y materiales (ribosomas, ARNt, ATP,nucleótidos, aminoácidos...) de la célula parasitada.

e’’.- Ciclo vital : Se entiende por ciclo vital o ciclo infeccioso de un virus el conjunto deacontecimientos que tienen lugar desde su incorporación a la célula huésped hasta su salida de lamisma, y cuya finalidad es la multiplicación del virus.

En los seres pluricelulares hay que tener en cuenta que existe una etapa previa, en la infección del

virus, desde que penetra en el organismo hasta que alcanza las células específicas en las que van aproducir el ciclo infeccioso.Los detalles de cada etapa del ciclo vital difieren enormemente de unos tipos de virus a otros, pero, engeneral, se considera que existen las siguientes etapas:

a’’’.- Fase de adsorción: Se establece el contacto entre la cápsida o la envoltura del virus yla superficie de la célula, mediante receptores específicos de ambos. Esto hace que cada virus infecteun tipo celular específico de cada organismo.

Los bacteriófagos (virus que parasitan bacterias) toman contacto a través de los receptores de lasproteínas que forman las espinas y las fibras de la placa basal con la pared bacteriana, y terminan poranclarse a ella.

b’’’.- Fase de penetración: El virus supera la barrera de la membrana celular,introduciéndose completo en el citoplasma o sólo su genoma y

algunas proteínas acompañantes.En el caso de los bacteriófagos, las espinas y fibras de la placa

basal, junto con enzimas hidrolíticas de la cápsida, rompen lapared. La cola se contrae y el ácido nucleico se inyecta en la célulahuésped.

En las células animalesnormalmente entra todo el viriónmediante la fusión de lasmembranas celulares y víricas. Si

no poseen envoltura penetran por un mecanismo de endocitosismediada por receptores. En las células vegetales atraviesan la paredcelular a través de pequeñas grietas producidas, sobre todo, porpicaduras de insectos.

c’’’.- Fase de eclipse: En ella se produce la replicación, transcripción y traducción delmaterial genético. Se denomina así porque el virus desaparece como tal entidad y difícilmente sepuede observar al microscopio electrónico: pierde sus envueltas y se integra en el metabolismo de lacélula, sacando copias de su genoma y dirigiendo la síntesis de nuevas proteínas víricas.Según la duración de esta fase se distinguen dos modalidades de ciclo vital vírico:• Ciclo lítico: En cuanto el ácido nucleico se encuentra en el citoplasma se inicia la replicación y la

síntesis de proteínas del virus, hasta formarse numerosas copias de los mismos.• Ciclo lisogénico: En el caso de algunos bacteriófagos, como el fago lambda (λ ), el genoma delvirus, después de la penetración, se incorpora al ADN bacteriano y permanece en éste latente. Elvirus no se manifiesta, pero su ácido nucleico se duplica al mismo tiempo que el de la bacteria,por lo que puede transmitirse a las células hijas durante varias generaciones. Cuando esto ocurre,el ADN del virus recibe el nombre de profago, y la célula portadora, denominada bacterialisogénica, es resistente a una nueva infección por ese virus.

Bajo ciertos estímulos externos (rayos X, ultravioleta...), puede producirse la inducción oactivación del profago, que se separa del cromosoma bacteriano e inicia un ciclo lítico, originándosenuevos viriones infecciosos. Existen numerosos agentes inductores, pero todos ellos tienen en comúnel producir daños en el ADN, es decir, poner en peligro la vida de la célula huésped; por tanto, la

inducción sería un mecanismo de escape para el virus.


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A semejanza de los profagos, algunos virus de células eucariotas también pueden integrarse en elADN celular. Cuando esto ocurre reciben el nombre de provirus. A diferencia de lo que ocurre conlos profagos, el ADN integrado en el de la célula huésped se transcribe para sintetizar nuevasmoléculas de ARN y de proteínas víricas, por lo que son activos. Esto sucede, p.e. en el caso del VIH(virus del SIDA), que son virus ARN, en concreto retrovirus, que, gracias a la enzima transcriptasainversa (que se encuentra dentro de la cápsida junto al ARN), sintetizan un ADN bicatenario, que esel que se integra en el ADN de la célula infectada.

d’’’.- Fase de ensamblaje: Consiste en la reunión de las copias del nuevo material genéticodel virus con las proteínas víricas.

e’’’.- Fase de liberación: Los nuevos virus salen dela célula, para infectar nuevas células y repetir el ciclo. Losbacteriófagos producen lisis de la célula. Los virus sinenvoltura lo hacen mediante exocitosis, aprovechando lasalida de otras sustancias; los que poseen envoltura seensamblan en la membrana plasmática de la célula, y seliberan por gemación, llevándose consigo parte de lamembrana que formará su envoltura lipídica. Si la envolturase forma a partir de membranas internas, los virus lleganembalados en ellas hasta la membrana, como si fueranproteínas transportadas por vesículas.

f’’.- Origen de los virus: Su sencillez estructural hizo que se consideraran durante muchotiempo como “precélulas”, es decir, organismos en las primeras etapas de la evolución biológica.

Actualmente se mantiene, sin embargo, que los virus podrían ser restos evolutivos demicroorganismos parásitos celulares muy sencillos, que, tras perder su complejidad al adaptarse alparasitismo, conservaron únicamente la información esencial para su replicación.

Otros científicos opinan que los virus se han originado a partir de elementos génicos de las célulashospedadoras, que en el curso de la evolución alcanzaron su independencia replicativa de la célulainicial. Serían un ejemplo de evolución “hacia atrás”, desde organismos más complejos a entidadesmás simples.

También hay que tener en cuenta la aparición de nuevos virus, originados por cambios génicos opor la transferencia a otros hospedadores (el virus del SIDA humano, p.e., parece que procede de unretrovirus que afecta al chimpancé).


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b.- Formas celulares: a’.- Introducción: Los tipos de microorganismos con estructura celularexistentes se incluyen en tres de los cinco reinos existentes: Moneras (Arqueobacterias yEubacterias), Protoctistas (Protozoos y Algas ) y Hongos (Mohos y Levaduras).

b’.- Arqueobacterias: Son organismos unicelulares procariotas, filogenéticamente separadostanto de Eubacterias como de eucariotas, por lo que en la actualidad muchos autores ya no lasconsideran bacterias, sino un grupo independiente, al que denominan Arqueas. Se caracterizan por:

•

En la pared celular no presentan peptidoglucano, sino glucoproteínas y proteínas simples.• Los lípidos de su membrana no llevan ácidos grasos, sino que el glicerol se une medianteenlaces tipo éter a cadenas hidrofóbicas derivadas del isopreno.• Viven en condiciones extremas, diferenciándose tres grupos de Arqueas:

- Halofíticas: Viven en ambientes de elevada salinidad (aguas saladas, como el Mar Muerto,p.e. o salazones de carne o pescado)

- Metanógenas: Viven en ambientes estrictamente anaerobios, en los que producen metano,siendo éste el origen del denominado “gas de los pantanos”. Se encuentran en ambientesricos en materia orgánica en descomposición, como el fondo de pantanos, aguasestancadas, depósitos de tratamiento de aguas residuales o el tracto digestivo de

rumiantes.- Termoacidófilos: Viven en ambientes muy ácidos y de elevada temperatura, como aguastermales ácidas o zonas volcánicas submarinas, siendo su Tª óptima de crecimientosuperior a los 80ºC, pudiendo vivir incluso a temperaturas de ebullición del agua.

c’.- Eubacterias: Son microorganismos unicelulares procariotas, de dimensiones comprendidasentre 1 µ y 5 µ de diámetro. Pueden habitar en todos los medios terrestres y acuáticos, e incluso en elinterior de otros seres vivos. Su estructura celular corresponde a la de una célula procariota, que,aunque esbozada en el tema II, vamos ahora a describir con algo más de detalle.

a’’.- Estructura de la célula bacteriana: La célulabacteriana está constituida por pared celular, membranaplasmática, citoplasma, y material genético. En ocasiones

presenta diversos tipos de apéndices bacterianos.a’’’.- Pared celular : Es una cubierta rígida, no

celulósica, compuesta fundamentalmente por mureína, unpeptidoglucano formado por la unión de monómeros de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico, moléculas quese unen por medio de enlaces O-glucosídicos. Existen dostipos de pared celular que difieren en su grosor y forma, loque permite dividir a las bacterias en dos grupos:

• Pared celular de las Gram positivas: Poseen una solacapa gruesa muy rígida compuesta por mureína, a cuya

estructura reticular (como la de una tela de saco) se unenproteínas, polisacáridos y ácidos teicoicos (polímeros dederivados de monosacáridos, aminoácidos y alcoholescomo la glicerina). Contiene muy pocos lípidos.• Pared celular de las Gram negativas: Es delgada, yformada por dos capas, una interna de mureína, y otraexterna de proteínas, lipoproteínas y lipopolisacáridos,organizados formando una bicapa lipídica (LPS).

Algunas bacterias poseen una cubierta de naturalezaglucídica, denominada Cápsula bacteriana, por fuera de supared celular. Sirve de protección frente a fagocitos yanticuerpos, actúan como receptores de virus y permiten laadherencia a células eucariotas previa a la invasión microbiana.


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b’’’.- Membrana plasmática: Posee una estructura semejante a la de las células eucariotas y,al igual que ésta, regula el intercambio entre el interior celular y el medio. Esta membrana puedeinvaginarse, formando los mesosomas, donde se localizan numerosas enzimas que intervienen, entreotros procesos, en la respiración celular, la duplicación del ADN, la fotosíntesis en aquellas bacteriasque la realizan y la asimilación del nitrógeno atmosférico en las bacterias fijadoras de N2.

c’’’.- Citoplasma: Su composición es semejante al de las células eucariotas, pero carece de la

mayor parte de los orgánulos características de las mismas, conteniendo una gran cantidad deribosomas 70s, y unos gránulos denominados inclusiones, constituidos por diferentes sustancias dereserva (glucógeno, azufre, gases, proteínas...)

d’’’.- Material genético: Se encuentra en el nucleoide, zona situada en la región central delcitoplasma, no protegida por una membrana nuclear. Está constituido por:

• El cromosoma bacteriano, formado por una molécula de ADN bicatenario, circular yfuertemente plegada. El plegamiento de la molécula se estabiliza por medio de proteínasestructurales, aunque no se observan histonas ni unidades de tipo nucleosoma.

• Pequeños anillos de ADN, dispersos por el citoplasma, independientes del cromosoma ycapaces de duplicarse, denominados plásmidos. Pueden contener desde 2 hasta 30 genes que,

aunque no son estrictamente necesarios para la vida de la bacteria, confieren importantespropiedades a las células que los albergan (no todas los presentan, o presentan los mismos).Entre ellos destacan:- Plásmido o factor F: Otorga a la célula la capacidad de conjugación, proceso que permite una

recombinación génica, con elconsiguiente aumento de lavariabilidad genética. Seaproximan dos bacterias, unacon el plásmido F (F +) y otra sinél (F-) y establecen un puentecitoplasmático mediante una

fimbria, a través del cual pasa elplásmido de la bacteria F+ a la F-

. Si el plásmido se hallaincorporado al cromosomabacteriano, parte de éste también se transfiere, aunque normalmente no entero, ya que elpuente se suele romper antes. De esta manera la bacteria F- aparece con un genoma nuevo,porque ha incorporado genes procedentes de otra bacteria.

- Plásmidos R: Codifican enzimas que proporcionan resistencia frente a los antibióticos, y unsolo plásmido puede contener hasta 10 genes de resistencia diferentes. Tales genes deresistencia no sólo pasan de la célula madre a la hija en la división celular, sino que también

pueden ser transferidos desde los plásmidos a los virus y a otras bacterias, incluso de distintaespecie que la portadora del plásmido. Esta capacidad de las bacterias para transferir genesde resistencia a los medicamentos de una célula a otra, plantea un serio problema sanitario,pues constituye la causa del resurgimiento actual de enfermedades infecciosas que se creíanprácticamente controladas, como es el caso de la tuberculosis.e’’’.- Apéndices bacterianos: Son estructuras filiformes, que sobresalen en la superficie

celular, entre los que destacan:• Flagelos: Filamentos muy largos y finos, que proporcionan movilidad a las bacterias que los

poseen. Su estructura es más sencilla que los de las células eucariotas, y están compuestos poruna proteína denominada Flagelina. Puede haber uno o varios en una misma célula.

• Pelos y Fimbrias: Estructuras tubulares y huecas, cuya pared está compuesta de proteínas. La

función de las fimbrias, cortas y numerosas, es adhesiva, mientras que los pelos, más largos yescasos, intervienen en el proceso de conjugación, pues sirven para el paso del ADN de unacélula a otra durante este proceso.


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b’’.- Morfología bacteriana: Las bacterias presentandistintas formas. Se distingue entre:

• Cocos: De forma esférica. Pueden aparecer aisladas oagrupadas en parejas, en tétradas, en cadenas lineales(estreptococos) o ramificadas (estafilococos)...

• Bacilos: Poseen forma alargada. Pueden también

aparecer aislados o asociados en cadenas.• Curvadas: Pueden ser de tres tipos:

- Vibrios, si tienen una sola curvatura (forma de coma)- Espirilos: Con forma ondulada.- Espiroquetas: Presentan varias curvaturas (en

espiral). c’’.- Fisiología bacteriana: La fisiología y el

metabolismo bacterianos se caracterizan por su extraordinariavariedad. Existen formas autótrofas (principal fuente decarbono, el CO2) y heterótrofas (fuente de carbono, moléculas

orgánicas), fotosintéticas (fuente de energía la luz) yquimiosintéticas (fuente de energía reacciones oxidativas).Así, entre las bacterias podemos encontrar las siguientesformas:• Fotoautótrofas: Fuente de energía la luz. Fuente de

materia: CO2. A veces S, H2S o NH3. • Fotoheterótrofa: Fuente de energía la luz. Fuente de

materia: Compuestos orgánicos.• Quimioautótrofas: Fuente de energía: Oxidación de

compuestos inorgánicos (NO2-, NH3, H2S). Fuente de

materia: CO2, S, H2S, NH3.•

Quimioheterótrofas: Fuente de energía y materia:Compuestos orgánicos.

Desde el punto de vista respiratorio, y según el aceptorfinal de electrones se distinguen entre bacterias aerobias(usan el oxígeno como aceptor final) y anaerobias (utilizanotra molécula como aceptor final).

Muchas bacterias son facultativas, es decir, tienen lacapacidad de variar su metabolismo en función de lascondiciones ambientales. P.e., existen bacterias anaerobiasfacultativas, que pueden vivir sin oxígeno, anaerobias

estrictas, que han de vivir sin oxígeno y aerotolerantes,que no utilizan el oxígeno, pero toleran su presencia. Estaamplia variedad de capacidades metabólicas, junto con supequeño tamaño y su rapidez reproductiva, convierten alas bacterias en el grupo de organismos vivientes másampliamente distribuidos en la naturaleza, ya que es posible encontrarlas incluso en los ambientesmás inhóspitos para la vida (manantiales hidrotermales superficiales o submarinos, p.e.). Dentro delas heterótrofas las hay saprofitas, simbiontes y parásitas.

En cuanto a su reproducción, las bacterias se dividen asexualmente por bipartición (en algunoscasos por gemación). Aunque no poseen reproducción sexual, presentan procesos parasexuales, comola conjugación, la transducción (se transfieren fragmentos génicos de una bacteria a otra a través deun virus bacteriófago), o la transformación (se transfiere un fragmento de ADN de una bacteria a otrasin contacto entre ambas células).


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d’’.- Clasificación de bacterias: Evolutivamente se acepta en la actualidad la existencia de12 linajes o grupos. Sin embargo, cuando se estudia la taxonomía de las bacterias se suele atendermás a caracteres tales como el tipo de pared (Gram + o Gram -) o el tipo de nutrición. Dada lacomplejidad del tema, citaremos tan sólo dos grupos con un cierto interés, y desarrollaremos algomás la diversidad bacteriana, sobre todo en lo que se refiere a sus formas de vida, al tratar lasrelaciones entre los microorganismos y el hombre.

•

Cianobacterias o algas verde azuladas: Son organismos con clorofila, autótrofos fotosintéticos;algunas pueden fijar el nitrógeno atmosférico. Suelen vivir en aguas dulces o saladas, aunquelas hay que establecen simbiosis con hongos, formando líquenes.

• Micoplasmas: Son las células más pequeñas con capacidad de división que se conocen.Carecen de pared celular. Algunos son saprofitos, pero la mayoría son parásitos obligados delser humano o de otros animales. d’.- Algas: Es un término sin categoría taxonómica, con el que se designa a organismos

eucariotas, talofitas, autótrofos fotosintéticos. La mayoría de las algas son microscópicas, existiendoindividuos unicelulares y coloniales, en forma de agregados; existen también algas de gran tamaño.

Algunas son móviles mediante flagelos (normalmente 1 ó 2). Otras, que no poseen flagelos en su

estado vegetativo, forman gametos móviles cuando se reproducen sexualmente. También se puedenreproducir asexualmente por bipartición, siendo bastante común la alternancia de generaciones.Pueden tener gran diversidad de pigmentos fotosintéticos (clorofila, carotenoides, xantofilas...) que

según su proporción relativa confieren el color característico de cada tipo de alga: verdes(Clorophyta), rojas (Rhodophyta) o pardas (Phaeophyta).

Presentan una pared celular de composición variable. Habitualmente es de celulosa, aunque concantidades variables de otros polisacáridos (pectina p.e.) También pueden presentar quitina ycarbonato cálcico (en las algas calcáreas o coralinas). Las Diatomeas tienen una cubierta de sílice.

Viven en medios acuáticos (dulces o salados) o en terrestre muy húmedos. Algunas forman partede los líquenes, al asociarse simbióticamente con un hongo.

Al ser productores, constituyen la base de las cadenas tróficas de los ecosistemas acuáticos, como,

p.e. el plancton marino.e’.- Protozoos: Son microorganismos unicelulares eucariotas y heterótrofos. Muchos son de

vida libre, que habitan en el agua, suelo o materia orgánica en descomposición, pero otros sonpatógenos de animales y hombres (p.e. Plasmodium, Esporozoo que causa la malaria).

El movimiento que los caracteriza lo llevan a cabo mediante cilios (Ciliados como Paramecium),flagelos (Flagelados, como Trypanosoma gambiensis) o por movimiento ameboide (Sarcodinos,como los radiolarios, foraminíferos o Entamoeba histolytica).

Se alimentan gracias a la ingestión de macromoléculas en disolución mediante pinocitosis. Lamayoría son capaces, además, de fagocitar partículas sólidas e, incluso, células.

La reproducción puede ser asexual por fisión binaria o por división múltiple (dando lugar a

multitud de esporas), o sexual, aunque se suelen dar ambos tipos en una misma especie. f’.- Hongos: Son organismos eucariotas talofitas y heterótrofos y, por tanto, carentes declorofila, unicelulares o pluricelulares. Se reproducen tanto sexual como asexualmente, presentandoalternancia de generaciones. Carecen de cilios y flagelos en todas las etapas de su ciclo vital.

Presentan una pared celular rígida, estructuralmente semejante a las paredes vegetales, pero no estáconstituida de celulosa, sino de quitina, fundamentalmente, junto a otros polisacáridos (glucanos,mananos, galactanos...)

Viven en ambientes muy diversos. Algunos son acuáticos de agua dulce o marina, pero la mayoríason terrestres. Los hay saprofitos, descomponedores que se desarrollan sobre plantas muertas,contribuyendo a su descomposición para formar humus; otros son parásitos, de plantas, animales o elhombre; por último, los hay simbiontes, formando líquenes al establecer simbiosis con cianobacterias

o micorrizas, al hacerlo con raíces de plantas.Entre los diferentes grupos de hongos destacan, por su interés microbiológico, los mohos y las

levaduras.


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• Los mohos son hongos Cigomicetos, cuyo cuerpo vegetativo está constituido por filamentoscelulares denominados hifas; el conjunto de hifas constituye el micelio. Aguantan condicionesambientales extremas (altas concentraciones de azúcares, acidez extrema, falta de humedad...). Elmás conocidos es el moho del pan ( Rhizopus), frecuente también en frutas y otros vegetales

• Las levaduras son Ascomicetos unicelulares y se reproducen por gemación. Muy difundidas en lanaturaleza, son utilizadas en procesos fermentativos, como sucede con Saccharomyces cerevisiae,

responsable de la fermentación alcohólica.• Dentro de los Deuteromicetos, de reproducción sexual desconocida destaca el género Penicillium,

productor de penicilina.

ProcariotasPared celular sin peptidoglucanos ............ ArqueobacteriasPared celular con peptidoglucanos ........... Eubacterias

Con pared celularCon clorofila ...... AlgasSin clorofila ....... Hongos

Eucariotas

Sin pared celular, Heterótrofos .................. Protozoos

C.- Relaciones entre los microorganismos y la especie humana:a.- Introducción: Desde el descubrimiento de losmicroorganismos, la Microbiología (ciencia que sededica a su estudio), se ha preocupado de analizar lasrelaciones de los mismos con la humanidad. Aunque engeneral sólo se considera a los microorganismos comocausantes de enfermedades, es mayor el nº de ellos queson inocuos o que nos reportan beneficios. Así, se puedeconsiderar que las relaciones entre microorganismos y

humanidad se producen en cinco campos diferentes:Sanidad, Medio ambiente, Agricultura y Ganadería,Industria y Biotecnología. Todos ellos van a ser tratadosen el resto del tema, aunque lo hagamos distinguiendoentre acciones beneficiosas y perjudiciales, para dedicarun amplio apartado a la Biotecnología.b.- Beneficiosas:

a’.- Simbiosis: Existen microorganismos que se asocian íntima y permanentemente con otraforma de vida, asociación interespecífica que se denomina simbiosis. Entre ellas cabe destacar:

a’’.- Simbiosis entre microorganismos no fotosintéticos y plantas superiores: Es el caso dela asociación entre bacterias (gén. Rhizobium, p.e.) y raíces de plantas (leguminosas, p.e.) ya

tratado en el ciclo del nitrógeno o entre hongos y plantas (micorrizas). b’’.- Simbiosis en la que el microorganismo es fotosintético: La más conocida es la

simbiosis liquénica, formada por un hongo y un alga verde o una cianobacteria. En más de 100géneros de invertebrados acuáticos (celentéreos, moluscos, poríferos...) se han encontrado algasverdes unicelulares como simbiontes en sus tejidos.

c’’.- Simbiosis entre animales y microorganismos no fotosintéticos: Entre ellas tenemos elcaso de los microorganismos del rumen: Los rumiantes (vacas, ovejas...) son mamíferos de graninterés en la economía humana. Su primer tramo del tubo digestivo es una gran cavidad, la panza,donde habitan infinidad de microorganismos, principalmente protozoos ciliados y bacterias, quecon sus enzimas celulolíticos descomponen la celulosa en celobiosa y glucosa, con lo que, gracias

a ellos, los rumiantes pueden usar la celulosa como fuente de nutrientes.En el intestino humano existen también bacterias simbiontes, generalmente anaerobias estrictas,que nos aportan vitamina K y B12, entre otras. Destaca Escherichia coli, anaerobia facultativa.


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b’.- Microorganismos y ciclos biogeoquímicos: El nivel de los descomponedores en losecosistemas está constituido por hongos y bacterias que se alimentan de detritos orgánicos de otrosorganismos del ecosistema, siendo responsables del reciclado de la materia orgánica endescomposición, volviendo a originar materia inorgánica asimilable por las plantas. En esta acción sebasa la utilización del estiércol y otras sustancias naturales como abonado agrícola no contaminante.

a’’.- Ciclo del Nitrógeno:•

Fijación del nitrógeno: Consiste en la transformación del N2 atmosférico en Nitrógeno orgánico.En medios acuáticos es realizada por cianobacterias (Gén. Nostoc, Anabaena, p.e.), y e el terrestrepor bacterias libres aerobias, como el gén. Azotobacter , anaerobias, como el gén. Clostridium osimbiontes, como el gén. Rhizobium (que forma nódulos en las raíces de las leguminosas) yhongos, como el gén. Frankia.

• Nitrificación: Consiste en la oxidación del amoniaco, procedente de la putrefacción (debida abacterias y hongos edáficos) de cadáveres, hasta nitrato, por acción de bacterias autótrofaquimiosintéticas. En un primer paso el amoniaco pasa a nitritos (por acción de bacterias del gén

Nitrosomas, p.e.), y posteriormente éste es oxidado a nitratos (por bacterias del gen. Nitrobacter ,p.e.)

NH3 NO2-

NO3-

Nitrosomonas Nitrobacter• Desnitrificación: Es el proceso de transformación de los nitratos en N2 atmosférico, proceso que se

produce en condiciones anaerobias, por acción de las bacterias desnitrificantes (entre ellas las delgén. Pseudomonas, Rhodobacter, Agrobacterium y Bacillus). De esta manera el suelo seempobrece en nitratos.

b’’.- Ciclo del Carbono:• Los organismos productores autótrofos convierten CO2 en materia orgánica mediante la

fotosíntesis. En condiciones aeróbicas la fotosíntesis la realizan plantas superiores, protistasverdes (algas p.e.) y cianobacterias. En el mar el eslabón de los productores es ocupado por elfitoplancton, constituido por microorganismos autótrofos. En condiciones anaerobias son las

bacterias fotosintéticas y quimiosintéticas los productores.• En el medio terrestre los cadáveres son descompuestos por bacterias y hongos del suelo, que

liberan CO2 a la atmósfera. En condiciones anaerobias palustres, los restos vegetales setransforman en carbón por acción bacteriana. En el mar, el plancton al morir se acumula en losfondos marinos, y, tras ser enterrados, son reducidos por bacterias anaerobias, que originaránpetróleo.

c’’.- Ciclo del Azufre: Las bacterias desempeñan en él un papel crucial. En condicionesaerobias, bacterias quimiosintéticas utilizan los compuestos orgánicos del azufre (proteínas p.e.)produciendo sulfatos (forma en que el azufre es asimilado por las plantas). En condicionesanaerobias, son bacterias fotosintéticas las que los aprovechan, dando lugar a ácido sulfhídrico

(sulfuro de hidrógeno) que, si escapan a la atmósfera, se oxidará para dar SO2 y éste a su vez, SO4H2. c’.- Para el medio ambiente: Dada la acción descomponedora y transformadora de losmicroorganismos, hay ocasiones en que se aprovechan para eliminar sustancias contaminantes delambiente. Citaremos tres ejemplos:

a’’.- Biodegradación del petróleo: Existe una gran cantidad de bacterias, mohos, levadurasy algunas algas verdes que son capaces de oxidar los hidrocarburos, y se han empezado a utilizaren la lucha contra los vertidos de crudo en el mar. Para la degradación requieren determinadascondiciones, como oxigenación, disgregación, pH adecuado..., que pueden ser proporcionadas porla acción humana, de modo que la combinación de ambos esfuerzos puede llevar a cabo unaeliminación satisfactoria del petróleo vertido en un tiempo razonable. Los hidrocarburos volátilesse evaporan y los componentes alifáticos y aromáticos de cadena larga son eliminados por acciónde los microorganismos, si se logra una disgregación en gotículas y se añaden nutrientesinorgánicos necesarios, tales como P y N, a las zonas afectadas por la marea negra.


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b’’.- Biodegradación de compuestos xenobióticos: Se denominan así aquellas sustanciasquímicas de origen industrial que no han existido en la naturaleza. Introducidos en ella por elhombre, su degradación a sustancias inorgánicas ha supuesto investigar, buscar y potenciarmicroorganismos capaces de realizar esa etapa final del ciclo de la materia en el ecosistema Tierra.Entre estos compuestos destacan, por su alta toxicidad, dos tipos:

• Plásticos y similares: La investigación realizada apunta hacia la conveniencia de utilizar los

fotobiodegradables (se alteran por la radiación UV del sol, produciendo compuestos asimilablespor microorganismos), los que llevan almidón incorporado y los de origen microbiano (como elpolihidroxibutirano o PHB), fácilmente degradables.• Plaguicidas: Su degradación es difícil, y pueden permanecer en los ecosistemas inalterados

durante muchos años. Hoy se estudia la degradación microbiana de estos compuestos, habiéndoseconseguido ya algunos resultados en el caso de los compuestos clorocarbonados (como eltricloroetileno, altamente cancerígeno).

c’’.- Depuración de aguas residuales: Son aquellas que proceden del alcantarilladodoméstico o de procesos industriales. Debido a su contenido en compuestos orgánicos einorgánicos no pueden verterse directamente a los ríos o al mar, sino que antes deben ser tratadas

en plantas depuradoras, donde los microorganismos juegan un papel importante. c.- Perjudiciales: a’.- Enfermedades producidas en plantas: Algunos de los microorganismos que producen

enfermedades infecciosas en plantas cultivadas por el hombre son: a’’.- Bacterias: Géneros tales como Pseudomonas, Corynebacterium y Agrobacterium

originan en las plantas agallas o tumores, marchiteces, podredumbres, manchas en las hojas, cambiosde color en las partes afectadas, enanismos, deformaciones y retrasos en la maduración de los frutos.

b’’.- Virus: Producen dos tipos de alteraciones: Los mosaicos, manchas amarillentas y zonasnecróticas en hojas e inflorescencias, y las deformaciones, como rizaduras de hojas, enanismos yramificaciones anormales.

c’’.- Hongos: Originan royas, podredumbres y tumores. b’.- Enfermedades producidas en animales: Muchas son las enfermedades que afectan a

animales de la cabaña ganadera, algunas de las cuales pueden ser transmitidas a la especie humana,denominándose zoonosis. Pero en otros casi sólo afectan a los animales, con las correspondientesconsecuencias económicas. Dichas enfermedades pueden estar producidas por:

a’’.- Bacterias: Entre ellas destaca Clostridium chauvoei, que produce en todos losrumiantes la enfermedad conocida como “carbunco sintomático”, y que, para erradicarse, obliga aquemar las reses muertas, pues sus esporas sobreviven en ellas; y Estafilococos y Estreptococos, queproducen “mastitis”, infecciones de las glándulas mamarias, que pueden llegar a destruirse, y queocasionan grandes pérdidas en la producción láctea.

b’’.- Virus: Dos enfermedades destacan: La “peste porcina” que origina septicemia y

hemorragias internas en los animales y la “glosopeda”, que afecta a animales de pezuña hendida,causando debilidad e incluso la muerte. c’’.- Protozoos: son notorias las enfermedades que afectan a aves: la “coccidiosis”,

producida por Eimeria, que devasta gallineros, y la “tricomonosis”, que afecta a las palomas. c’.- Enfermedades producidas en el hombre: Las enfermedades causadas por virus y

microorganismos se denominan enfermedades infecciosas, y se manifiestan de muy diversas formas.Es a mediados del S. XIX cuando se reconocen a los microorganismos (ya conocidos desde el S.XVII) como causante de enfermedades. A partir de entonces se introdujeron procedimientos deesterilización en hospitales y medidas de prevención contra el contagio: potabilización de aguas,erradicación de insectos, períodos de cuarentena...

A veces la enfermedad es causada por las toxinas que producen (caso del botulismo, p.e.). En

otras ocasiones, un mismo organismo puede producir enfermedades distintas, como Streptococcus pyogenes, que en la piel produce impétigo, en la garganta faringitis, y sus toxinas, también en lagarganta, escarlatina.


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Enfermedad Agente Síntomas TratamientoRabia Rhabdovirus Excitación, hidrofobia, parálisis Vacuna de animales

Sarampión ParamixovirusGoteo nasal, enrojecimiento de ojos,fiebre, tos, exantema general

Vacuna triple vírica

Resfriado común Rinovirus Goteo nasal, congestión Descongestivos,

Gripe OrtomixovirusFiebre, malestar general, dolor decabeza, vómitos y diarreas

Vacuna

Poliomielitis Enterovirus Estado catarla inicial; a los 8 díassubida de fiebre. Parálisis

Vacuna

Paperas ParamixovirusInflamación de glándulas salivares.Hinchazón de cuello y mandíbula


Rubéola ParamixovirusComo el sarampión, pero más suave.Puede afectar al feto de embarazadas


Varicela y Herpes HerpesvirusExantema, erupciones cutáneas. Dosvariedades: simple y “zóster”

Globulinas

Hepatitis A PicornavirusTrastornos hepáticos. Color corporalamarillo

Vacuna ygammaglobulinas

Hepatitis B HepadnavirusFiebre, dolores abdominales, vómitose ictericia. A veces asintomático

Preservativo. Vacuna

Herpes genital Herpesvirus Ampollas en región anogenital Preservativo.Quimioterapia

Virus

SIDA VIH Depresión del sistema inmunitarioPreservativo.Quimioterapia

MeningitisMeningococcus,Haemophyllus B

Fiebre, dolor de cabeza, vómitos,rigidez de nuca, pérdida de conciencia

Antibióticos

Tétanos Clostridium tetaniContracciones dolorosas en todo elcuerpo

Antitoxina. Tratamientosíntomas

Faringitis StreptococcusAlteración de las vías respiratoriasaltas

Antibióticos

TuberculosisMycobacteriumtuberculosis

Destrucción del tejido pulmonar Antibióticos

Difteria

Corynebacterium

diphteriae

Pseudomembranas y destrucción de

tejidos en la garganta. Asfixia VacunaTos ferina Bordetella pertussis Tos violenta en forma de pitido Vacuna. Antibióticos

BotulismoClostridiumbotulinum

Doble visión. Parálisis del diafragma.Dificultad al hablar

Antitoxina botulínica

Ántrax Bacillus anthracis Pústula rodeada de edema duro Vacuna. Antibióticos

LepraMycobacteriumleprae

Lesiones cutáneas. Destrucción detejidos. Lesiones en nervios.

Quimioterapia(sulfonas)

Cólera Vibrio cholerae Diarrea aguda y deshidratación AntibióticosFiebre tifoidea Salmonella typhi Trastornos digestivos, fiebre AntibióticosGastroenteritis Escherichia coli Trastornos digestivos Antibióticos

Peste Yersinia pestisHinchazón de ganglios linfáticos(bubones)

Antibióticos

Neumonía opulmonía Streptococcuspneumoniae Alteraciones respiratorias pulmonares Antibióticos

GonorreaNeisseriagonorrhoeae

Infección de la uretraPreservativo.Quimioterapia

Bacterias

Sífilis Treponema pallidumChancro en genitales. Exantema.Infección del sistema nervioso

Preservativo.Antibióticos

Paludismo omalaria

Plasmodium sp. Fiebre recurrente Vacuna. Quimioterapia

Disenteríaamebiana

Entamoebahistolytica

Diarrea fuerte con exudados de mucusy sangre

QuimioterapiaProtozoos

TricomoniasisTrichomonasvaginalis

Infección de la uretraPreservativo.Quimioterapia

Candidiasis Candida albicansLesiones en los pliegues de la piel ymucosas con intenso picor Antifúngicos

Tiñas Microsporum sp. Placas en la piel. Caída del pelo AntifúngicosHongos

Pie de atleta Microsporum Manchas en los pies Antifúngicos


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2.- BIOTECNOLOGÍA A.- Concepto: En términos generales, biotecnología es el uso de organismos vivos o de algunos de

sus componentes para obtener productos de valor para el hombre.Como tal, la biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde los comienzos de la historia en

actividades tales como la preparación del pan y de bebidas alcohólicas o el mejoramiento decultivos y de animales domésticos. Hoy en día, los importantes avances, en ingeniería genética y

nuevas tecnologías productivas han llevado a una redefinición de Biotecnología: Se entiende por"biotecnología moderna” la que incorpora el uso de técnicas de biología molecular (ingenieríagenética), y es la que, por el amplio abanico de posibilidades que ofrece, recibe actualmente mayoratención.

B.- Microorganismos utilizados en biotecnología: Para alcanzar sus objetivos, la biotecnología sesirve de seres vivos, tales como microorganismos, células vegetales o animales, o constituyentesde éstas, como enzimas, ácidos nucleicos, etc.Hay tres grupos de microorganismos que tienen interés biotecnológico: Bacterias (aerobias yanaerobias estrictas o anaerobias facultativas, pero nunca fotosintéticas), Levaduras y Mohos.

C.- Principales técnicas empleadas en biotecnología:

a.- Introducción: La biotecnología consiste en un gradiente de tecnologías que van desde lastécnicas de la biotecnología "tradicional", largamente establecidas y ampliamente conocidas yutilizadas (fermentación de alimentos o diseño de técnicas de cultivo de microorganismos idóneasa escala industrial, p.e.), hasta la biotecnología moderna.

Los primeros años de la década de 1970 marcan un “antes” y un “después” en la utilización deseres vivos en las tecnologías humanas. A partir de esa fecha, estamos asistiendo a una revolucióntecnológica sin precedentes, fruto del extraordinario desarrollo de las técnicas biotecnológicas y,en especial, de los avances logrados en la manipulación genética de los seres vivos. Así, laingeniería genética incluye un conjunto de técnicas biotecnológicas avanzadas como la tecnologíadel ADN recombinante, la reacción en cadena de la polimerasa y la terapia génica, entre otras,gracias a las cuales es posible aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para

introducirlo en otro, aumentar el nº de copias de un fragmento determinado de ADN o corregir undefecto genético hereditario reemplazando en las células de un organismo el gen defectuoso porotro activo, capaz de fabricar la proteína necesaria en cantidad suficiente.b.- Clonación de genes: Técnicas de obtención de ADN recombinante: Los procedimientos deingeniería genética suelen comenzar con la denominada clonación génica, es decir, la obtenciónde un conjunto de copias de un gen determinado. Un clon de genes es, por tanto, un conjunto degenes idénticos procedentes de un gen concreto. La clonación de genes comprende varias etapas:

a’.- Obtención del ADN que contiene el gen: Se emplean distintos procedimientos.• Si el gen que

se desea

clonarprocede deuna célulaprocariota,que nocontieneintrones, seobtienedirectamentedel ADN dela célula que

porta dicho gen. Se utilizan enzimas de restricción, endonucleasas que cortan el ADN por puntosdonde existen secuencias específicas de bases nitrogenadas.


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• Si el gen que se desea clonar procede de una célulaeucariota, que posee intrones, se obtiene de un ADNcomplementario del ARNm. En primer lugar se aísla ypurifica el ARNm (que ya no contiene intrones) de laproteína buscada. A continuación, y utilizando elARNm como molde, se emplea la transcriptasa

inversa, enzima capaz de transcribir el ARN en ADN,para sintetizar artificialmente el ADN complementario.

b’.- Inserción del gen en un vector de clonación:Una vez obtenido el ADN del gen elegido, debe unirse a unvector de clonación antes de introducirlo en la célulahospedadora. Los vectores de clonación son pequeñasmoléculas de ADN, generalmente circulares, que tienencapacidad de autorreplicarse dentro de las célulashospedadoras, independientemente del o de los cromosomasde éstas. Los vectores más utilizados son de dos tipos:

•

Plásmidos: Son moléculas de ADN circular, presentesen la mayoría de las bacterias, con un tamaño más pequeño que el del cromosoma, y que puedenreplicarse con independencia del cromosoma bacteriano, ya que tienen su propio origen dereplicación.

• Virus bacteriófagos: Durante la transducción algunos genes de la bacteria huésped puedenincorporarse a su genoma. Cuando el fago infecte otra bacteria, puedetransferirle los genes de la primera. Tienen la ventaja de que tambiéncontienen su propio origen de replicación.

• También se usan otros, como cromosomas artificiales de levaduras (quetienen la ventaja de que pueden albergar segmentos mayores de ADN delo que lo hacen los plásmidos o los bacteriófagos) o Cromosomas

humanos artificiales (resultan útiles pues pueden mantenerse de formaestable en células humanas y llevar genes que pueden ser expresados deforma normal).Además del origen de replicación, los vectores de clonación deben portar

también otros genes, denominados marcadores, que identifiquen rápida yfácilmente las células que contienen el vector de clonación, como genes deresistencia a antibióticos o genes de bioluminiscencia.

Para insertar un gen en un vector de clonación, primero se corta el ADN(que suele ser circular) por medio de enzimas de restricción. La unión delADN que contiene el gen que se desea clonar con el vector de clonación se

realiza por medio de otras enzimas, denominadas ADN ligasas. El resultadoes una molécula de ADN recombinante, ya que contiene fragmentos de ADNde distinta procedencia.

c’.- Introducción del vector de clonación en la célula hospedadora: Una vez obtenida lamolécula de ADN recombinante, es necesario introducirla en una célula hospedadora para que puedaexpresarse y producir la proteína que codifica el gen que se desea clonar.

Las células hospedadoras deben cumplir una serie de requisitos para poder ser utilizadas en procesosde clonación:

• Poseer un crecimiento rápido y ser estables en un medio de cultivo barato• No ser patógenas o peligrosas• Ser capaces de captar del medio moléculas de ADN e incorporarlas al conjunto de su genoma•

Poseer las enzimas adecuadas para permitir la replicación del vector.Con frecuencia se emplean células bacterianas como hospedadoras (p.e. Escherichia coli o Bacillus

subtilis), aunque no siempre es posible.


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Existen varios métodos para introducir ADN en células vivas, que difieren en función de los tipos decélula hospedadora (eucariota o procariota), y del vector de clonación:

• Transformación: Se usa principalmente en células procariotas, que tienen la capacidad de captarmoléculas de ADN que se encuentran en el medio externo, introducirlas en su interior eincorporarlas a su genoma mediante recombinación.

• Transducción: Si el vector de clonación es

el genoma de un virus, el ADN esintroducido en la célula hospedadora porel mismo virus. Sirve tanto para célulasprocariotas como eucariotas. Si el genomaes de un virus lítico, es necesario suprimirlos genes responsables de la lisis celular,ya que, de lo contrario, la célulahospedadora se lisaría como consecuenciade la infección vírica. En el caso de viruslisogénicos, que insertan su genoma en

bacterias, hay que modificar también elgenoma vírico, para que se exprese el genque se desea clonar sin inducir el ciclo lítico.

d’.- Detección del gen clonado: Ya dentro del organismo hospedador, el gen se replica. Comono todas las célulascontienen el gen que sedesea clonar, esnecesario seleccionaraquellas que locontiene, para lo que seutilizan los marcadores

antes mencionados.Una vez seleccionadoel clon deseado, al seralta la velocidad dereproducción, se puedeproducir gran númerode células que locontengan, para suaislamiento, estudio yutilización.

c.- Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): Es una técnica desarrollada en 1985, mediantela cual, y a partir de la capacidad de la ADN polimerasa para replicar el ADN, se obtienen en ellaboratorio múltiples copias de un fragmento determinado de ADN a partir de un nº muy pequeñode moléculas (amplificación del ADN in vitro), a diferencia de las técnicas anteriores de clonaciónque amplificaban el ADN in vivo.

a’.- Procedimiento: Primero se desnaturaliza la molécula o fragmento de ADN que se deseareplicar, para separar las dos hebras de la doble hélice, sometiendo el ADN a elevadas temperaturas.Cada una de las hebras sirve como molde para sintetizar otra cadena complementaria. A fin de que laADN polimerasa pueda actuar copiando cada una de las cadenas complementarias, son necesarios unoscebadores adecuados. En la mezcla de reacción debe existir, asimismo, una concentración suficiente de

nucleótidos trifosfatos, que se utilizarán para construir las nuevas cadenas.


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Así se produce el primer “ciclo de síntesis”.Si se repite el proceso íntegramente se partiríande 4 hebras molde, y se obtendrían 4 moléculasbicatenarias. Si se realiza de nuevo, se partiríade 8 hebras molde, en el siguiente de 16, y asísucesivamente. Se trata de un proceso

exponencial, en el que se llevan a cabo tantosciclos como sea necesario para obtener el nº decopias deseado. Tras 20 ciclos de síntesis sepueden obtener del orden de un millón decopias de una molécula de ADN.

b’.- Aplicaciones: Son muchas, y entreellas cabe destacar:

• Clonación de genes: La PCR ha resultadomuy útil en la clonación de genes, yaque permite obtener un gran nº de copias

del gen antes de la clonaciónpropiamente dicha. También es posibleamplificar genes mutados artificialmentepara su posterior clonación.

• Estudios evolutivos: Mediante la PCR se pueden amplificar genes de organismos ya extinguidos apartir de cantidades muy pequeñas de ADN presentes en algunos fósiles, para compararlosposteriormente con genes semejantes de organismos actuales y estudiar la conservación de ciertosgenes a lo largo de la evolución.

• Estudios históricos y arqueológicos: Se han podido conocer datos referentes a enfermedades deorigen genético amplificando ADN de muestras de individuos momificados, pertenecientes acivilizaciones antiguas.

•

Huellas dactilares del ADN: Mediante esta técnica es posible comparar muestras diferentes deADN para comprobar si pertenecen al mismo individuo o no, o si existe parentesco. Actualmentese aplica en Medicina forense e investigaciones policiales, para identificar individuos a partir demuestras biológicas, como sangre, semen, piel o cabellos. También se utiliza en pruebas depaternidad.

D.- Algunas aplicaciones de la Biotecnología:a.- Farmacia y Sanidad: Los principales productos farmacéuticos obtenidos por acción de losmicroorganismos son:

• Antibióticos: Son sustancias químicas, sintetizadas por microorganismos, que impiden elcrecimiento de otros microorganismos o bien causan su muerte. El primero en descubrirse fue la

penicilina, por Alexander Fleming en 1929. Desde entonces, muchos más han sido obtenidos enla industria farmacéutica, principalmente a partir de hongos filamentosos como Penicillium, obacterias del grupo de los Actinomicetos, como el gén. Streptomyces. Actualmente se conocenunos 10.000 antibióticos, y se siguen descubriendo otros nuevos, aunque sólo unos 100 estáncomercializados. En algunos casos son muy específicos, mientras que otros son efectivos frente aun amplio nº de agentes infecciosos (antibióticos de amplio espectro)

• Vacunas: Se obtienen con preparaciones de agentes patógenos muertos y atenuados, para inducirinmunidad frente al germen activo. Actualmente se obtienen mediante ingeniería genética,clonando los genes que codifican la proteína que actúa como antígeno. Luego esa proteína seintroduce en bacterias no patógenas, que, al incorporar ese gen a su cromosoma, fabrican grandescantidades del antígeno, que, una vez aislado y purificado, se utiliza directamente como vacuna ydesarrollará la respuesta inmune, sin problemas de posibles infecciones, como sucede con lasvacunas tradicionales en algunas ocasiones. Este tema se desarrollará más ampliamente en launidad siguiente.


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• Hormonas: Se obtienen mediante ingeniería genética, introduciendo plásmidos recombinantes queportan el gen que codifica la hormona deseada en bacterias apropiadas. Una vez en el interior dela célula, los plásmidos se autorreplican al tiempo que las bacterias crecen y se dividen,obteniéndose una población de células idénticas (clon) que contienen el gen. Así se consigue,p.e., la insulina humana (proteína que permite que las células asimilen los glúcidos que circulanpor la sangre), la hormona del crecimiento humana y la eritropoyetina (EPO) que se utiliza en

diferentes tipos de anemias, pues estimula la producción de eritrocitos (glóbulos rojos).b.- Alimentación: Es la biotecnología con mayor tradición en la historia de la civilizaciónhumana, y dada la gran competitividad de la industria alimentaria, son numerosos los proyectos deI + D que se dedican a estudiar cómo acelerar procesos de fermentación y de mejora de losalimentos primarios en los que las nuevas técnicas biotecnológicas desempeñan un papel crucial.Así se utilizan actualmente bacterias y levaduras genéticamente manipuladas para acelerar laelaboración de los procesos fermentativos que dan lugar al queso, yogurt, cerveza...

a’.- Fabricación del pan: Las levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae llevan a cabouna fermentación alcohólica, que emplea como sustratos los azúcares presentes en la harina de trigo.Los productos resultantes son etanol, que se evapora en la cocción, y CO2, responsable de que la

masa “suba”, es decir, aumente de volumen y se esponje. La reacción es la siguiente:C6H12O6 2 CH3 – CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP

La elaboración del pan consiste en mezclar, en un primer paso, harina, agua, sal y levadura. Alentrar en contacto con el agua, las amilasas presentes en la harina se activan e hidrolizan el almidón amono y disacáridos, azúcares que son rápidamente fermentados por la levadura. El CO 2 resultantequeda atrapado en el interior de la masa y forma un gran nº de pequeñas burbujas que determinan elaspecto esponjoso del mismo.

La cocción de la masa elimina el etanol producido en la fermentación y destruye las células delevadura. Asimismo, tiene lugar una importante reducción en el contenido de agua.

b’.- Fabricación del vino y la cerveza: Intervienen también levaduras de la especieSaccharomyces cerevisiae que llevan a cabo una fermentación alcohólica semejante a la del pan, perousando como sustrato los azúcares presentes en el mosto, el zumo natural de las uvas, rico en fructosay glucosa. La levadura se encuentra de forma natural en la piel de las uvas. Se obtiene etanol y CO2.

El proceso de fabricación del vino se inicia con el prensado de las uvas para obtener el mosto. Laslevaduras de la uva comienzan la fermentación rápidamente, aunque en la producción industrial delvino se añaden cepas de levaduras seleccionadas con el fin de acelerar el proceso y de incrementar elcontenido de etanol.La fermentación dura unos pocos días. Durante este tiempo es necesario controlar la velocidad

mediante la temperatura, ya que si ésta aumenta mucho puede llegar a destruir las levaduras. Cuando

termina la fermentación, el vino se aclara (mediante filtrado y añadiendo compuestos que facilitan laprecipitación de los elementos en suspensión) y se embotella, si se desea obtener vinos jóvenes, o sesomete a un proceso de maduración en barricas apropiadas, para envejecerlo.

El vino blanco y el tinto se elaboran a partir del mosto de uvas blancas o negras. Para obtener vinotinto hay que dejar la piel de la uva negra (el hollejo) en el vino. El alcohol producido en la fermentaciónextrae los pigmentos del hollejo que son los que dan el color al vino.

El CO2 resultante se evapora o se elimina artificialmente. En el caso de los vinos espumosos, seles añade una cantidad extra de azúcar para que se produzca una segunda fermentación alcohólica que serealiza a presión. En ella se libera el CO2 que constituye las burbujas.

La obtención de cerveza es algo más complicada, pues se elabora a partir de cereales que contienenen sus granos almidón, que no fermenta directamente. Al germinar sus semillas producen amilasas, que

convierten el almidón en glucosa. Así, la malta (granos de cebada germinados y tostados), cuando semuele con agua, libera las amilasas que hidrolizan al almidón a glucosa, que es el sustrato para lafermentación alcohólica, que dura de 5 a 10 días. El producto final se consigue mediante la


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incorporación de algunos aditivos, como las flores de lúpulo, responsables del sabor amargo de lacerveza. También se filtra y se pasteuriza, antes de que pueda ser bebida.

c’.- Fabricación del queso y leches fermentadas: En la elaboración del queso y productoscomo el yogur o la cuajada interviene las llamadas bacterias lácticas (pertenecientes a diversos géneros,como Streptococcus, Lactobacillus y Lactococcus), que fermentan azúcares sencillos para producir ácidoláctico.

La reacción de la fermentación láctica es la siguiente:C6H12O6 2 CH3 – CHOH – COOH + 2 ATP

La elaboración del queso se lleva a cabo en 3 etapas:• Adición a la leche de renina, también llamada cuajo, una enzima que se encuentra en el estómago

de los rumiantes. En combinación con el ácido láctico producido por las bacterias lácticas de laleche, la renina precipita (coagula) las proteínas lácticas, formando un producto sólido, lacuajada, que se separa posteriormente del componente líquido, el suero lácteo.

• Separación del suero y la cuajada, mediante un proceso de filtración, haciendo pasar el conjunto através de telas limpias. A continuación se añade sal a la cuajada y se prensa para expulsar el agua.

•

Maduración del queso: Según el tipo de queso, en esta etapa final intervienen otras bacterias ymohos, responsables del sabor y el olor propios de cada variedad de queso. Los agujeroscaracterísticos de algunos de ellos son el resultado del CO2, desprendido durante la fermentación,que queda atrapado en la masa del queso y forma burbujas.

c.- Procesos de interés ambiental: Como ya explicamos, algunos microorganismos son útiles enla lucha frente a la contaminación, un proceso denominado Biorremediación. Actualmente seutilizan microorganismos capaces de consumir diversas sustancias tóxicas que pueden utilizarsepara descontaminar áreas de la superficie, del subsuelo o de las aguas subterráneas.

La ingeniería genética está empezando a estudiar diversas bacterias procedentes de mediosnaturales, en las que se ha detectado la existencia de genes para la biodegradación de desechostóxicos, como pesticidas clorados, clorobencenos, naftaleno, tolueno, anilinas... Los genes

deseados se aíslan de especies como Pseudomonas y Alcaligenes y posteriormente se clonanmediante plásmidos. Así se consigue aumentar su efectividad.

Además de las aplicaciones ya estudiadas, se están potenciando mediante ingeniería genética lacapacidad natural de muchas plantas para concentrar metales pesados, a fin de utilizarlas pararecuperar suelos contaminados (p.e. en el caso del cauce del río Guadalquivir después del vertidode la balsa minera de Aznalcóllar). Actualmente se está procediendo a la selección de las formasadecuadas y a su experimentación.


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UNIDAD DIDÁCTICA III: MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA

1.- MICROORGANISMOSA.- Concepto de MicroorganismoB.- Principales grupos

a.- Formas acelulares: a’.- Introducciónb’.-Virus: a’’.- Características generalesb’’.- Composición y estructurac’’.- Tipos de virus:

a’’’.- Según las características de la cápsidab’’.- Según el tipo de ácido nucleicoc’’’.- Según el tipo de célula que infectan

d’’.- Actividad biológicae’’.- Ciclo vital: a’’’.- Fase de adsorción

b’’’.- Fase de penetraciónc’’’.- Fase de eclipsed’’’.- Fase de ensamblajee’’’.- Fase de liberación

f’’.- Origen de los virusb.- Formas celulares: a’.- Introducción

b’.- Arqueobacteriasc’.- Eubacterias: a’’.- Estructura de la célula bacteriana

a’’’.- Pared celular:b’’’.- Membrana plasmáticac’’’.- Citoplasmad’’’.- Material genéticoe’’’.- Apéndices bacterianos

b’’.- Morfología bacterianac’’.- Fisiología bacterianad’’.- Clasificación de bacterias

d’.-Algase’.- Protozoosf’.- Hongos

C.- Relaciones entre los microorganismos y la especie humanaa.- Introducciónb.- Beneficiosas

a’.- Simbiosis: a’’.- Simbiosis entre microorganismos no fotosintéticos y plantas superioresb’’.- Simbiosis en la que el microorganismo es fotosintéticoc’’.- Simbiosis entre animales y microorganismos no fotosintéticos

b’.- Microorganismos y ciclos biogeoquímicos: a’’.- Ciclo del Nitrógenob’’.- Ciclo del Carbonoc’’.- Ciclo del Azufre

c’.- Para el medio ambiente: a’’.- Biodegradación del petróleo

b’’.- Biodegradación de compuestos xenobióticosc’’.- Depuración de aguas residuales

c.- Perjudicialesa’.- Enfermedades producidas en plantas: a’’.- Bacterias

b’’.- Virusc’’.- Hongos

b’.- Enfermedades producidas en animalesa’’.- Bacteriasb’’.- Virusc’’.- Protozoos

c’.- Enfermedades producidas en el hombre


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2.- BIOTECNOLOGÍAA.- ConceptoB.- Microorganismos utilizados en biotecnologíaC.- Principales técnicas empleadas en biotecnología

a.- Introducciónb.- Clonación de genes: Técnicas de obtención de ADN recombinante

a’.- Obtención del ADN que contiene el gen

b’.- Inserción del gen en un vector de clonaciónc’.- Introducción del vector de clonación en la célula hospedadorad’.- Detección del gen clonado

c.- Reacción en cadena de la polimerasa (PCR)a’.- Procedimientob’.- Aplicaciones

D.- Algunas aplicaciones de la Biotecnologíaa.- Farmacia y Sanidadb.- Alimentación

a’.- Fabricación del panb’.- Fabricación del vino y la cervezac’.- Fabricación del queso y leches fermentadas

c.- Procesos de interés ambiental


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• Respiración Proceso metabólico en el cual el oxígeno u otro compuesto Inorgánico esutilizado como aceptor final de electrones y la producción de ATP se realiza porfosforilación oxidativa.

• Fermentación: Proceso metabólico anaerobio en el cual los compuestos orgánicos son

utilizados como dadores y aceptores de electrones y el ATP es producido por fosforilación anivel de sustrato.

• Aerobio: Organismo capaz de utilizar el oxígeno como aceptor terminal de electrones,puede tolerar niveles de oxígeno iguales o superiores a los niveles presentes en la atmósfera(21%), y tiene un metabolismo estrictamente respiratorio.

• Anaerobio: Organismo que es incapaz de crecer en presencia de oxígeno. Pueden tener unmetabolismo fermentativo o respiratorio con aceptores terminales distintos del oxígeno.

• Anaerobio facultativo: Organismo capaz de crecer en presencia y ausencia de niveles deoxígeno atmosférico (21%).

• Microaerófilo: Organismo que tolera bajas concentraciones de oxígeno•

Autótrofo: Organismo que utiliza compuestos inorgánicos como fuente de energía y CO2como fuente de carbono.• Heterótrofo: Organismo que utiliza compuestos orgánicos como única fuente de carbono.• Fotótrofo: Organismo que utiliza la luz como fuente de energía.• Quimiolitótrofo: Organismo que utiliza compuestos inorgánicos como fuente de energía.• Quimiótrofo: Organismo que utiliza compuestos químicos como fuente de Energía.• Quimiorganótrofo: Organismo que utiliza compuestos orgánicos como fuente de energía.

bloque v.- microbiologia y biotecnologia (3)

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