Microbiologia GeneralTrimestre 16-P

3. Bacterias y arqueas

Características morfológicas

Suave, brillante Rugosa Áspera Seca, pulverulenta

Opacidad: transparente, opaca, translucida

Pigmentación

3. Bacterias y arqueas

Punctiforme

Circular

Rizoide

Irregular

Filamentosa

Entera

Ondulada

Lobulada

Filamentosa

Rizada

PlanaLevantada

ConvexaPulvinada

Umbonada

Suave, brillante Rugosa Áspera Seca,

pulverulenta

Opacidad: transparente, opaca, translucida

Pigmentación

Morfología macroscópica

Bacillus subtilisStaphylococcus aureus

Streptococcus pyogenesEscherichia coli

Bacillus anthracis

Pseudomonasaeruginosa

3. Bacterias y arqueas

Morfología microscópica

Coco Diplococo

Estafilococo

Estreptococo Sarcina Tétrada

Cocobacilo Bacilo

Estreptobacilo

Diplobacilo

Bastón alargado

VibrioHelicoidal

Filamentosa

Espirilo

Espiroqueta

Bacillus subtilis

Arthrobacter: ciclo de vida de bacilo-coco

Escherichia coli Bacilos Gram(+)

Bacillus anthracis Cocos - sarcina

EspirilosMicrococcus

3. Bacterias y arqueas

Célula bacteriana

Cápsula

Pared celular

Flagelo

Fimbrias y pili

Membrana citoplasmática

Citoplasma

Ribosomas

Plásmidos

Nucleoide

3. Bacterias y arqueas

3.1.3.1. Pared celular

Pared celularCapa extracelular rígida que rodea la membrana citoplasmática

(Bacteria, Archaea, Eukarya: hongos, algas y plantas)

PARED CELULAR:•••

MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

10-40 % de la célula

Peptidoglicano(PG)*

Clasificación/ Identificación (Tinción Gram)

*Grupo más grande de antibióticos inhibición de la síntesis de PG

* Contiene enzimas y proteínas que ayudan a romper y mover sustratos hacia dentro de la célula

Capa gruesa >50% Capa delgada10%Presente AusenteAusente PresenteAusente PresenteAusente PresenteAusente Presente

pared celular:

Membrana celular

Peptidoglicano

Ácido teicoico(polímero de glicerol)

Membrana celular

Peptidoglicano

Lipopolisacáridos(LPS)Porinas(proteínas)

LipoproteínasMemb

rana

extern

a

Pared celular

Espacio periplásmico

Pared celular: bacterias gram positvas y gram negativas

E. coliP. aeruginosaSalmonella sp.

StreptococcusB. subtillis

Lactobacillus

PC resistente no soluble en solventes:

deshidrata y cierra poros el complejo cristal violeta-yodo no

sale

PC soluble en solventes la capa de PG no

retiene el complejo cristal violeta-yodo se pierde el

color azul-violeta

Pared celular: reacción de gram

3. Bacterias y arqueas

3.1.3.2 Flagelos, fimbrias y pili

Flagelos

Monótrico o polar(Vibrio cholerae)

Lofótrico(Bortonella bacilliformis)

Perítricos(Escherichia coli)

Anfítrico

FLAGELO• ~••••

Fimbrias• ˂••••

Pili sexual* Se considera un factor de virulencia

FIMBRIAS Y FLAGELOS

••••

Fimbrias Y PILI SEXUAL

3. Bacterias y arqueas

3.1.3.3. Membrana celular

Célula bacteriana

Membrana citoplasmática

Membrana celular

Carbohidratos

GlicolípidoGlicerol

Ac. grasosProteína

GlicoproteínaHopanoides/EsterolesProteína de canal

Bicapa

fos

folipíd

icaLímite de la célula: bicapa lipídica que rodea el citoplasma y se encuentra en TODAS las células

Medio intracelular del entorno

Transporte activo Transporte pasivo

(~50%) (~45 ó 50%) (~5 ó 10%)

Lípidos

Fosfato

Glicerol

Ácidos grasos(isopreno en arquea)

EsterolesRegión hidrofílica

Región hidrofóbica

Etanolamina

Glicerol

Ácidos grasos

Fosfato

Fosfolípido: fosfatidil-etanolamina

Biomoléculas orgánicas que constituyen el material fundamental de todas las membranas celulares y subcelulares

Ácidos grasos saturados/insaturados efecto sobre la fluidez de la Membrana Celular

Lípidos

Hopanoide

Biomoléculas orgánicas que constituyen el material fundamental de todas las membranas celulares y subcelulares

Fosfato

Glicerol

Ácidos grasos(isopreno en arquea)

Esteroles

CarbohidratosForman el glicocalix: capa de carbohidratos que cubre la superficie de la célula (protección)

Carbohidratos

GlicolípidoGlicerol

Ac. grasosProteína

GlicoproteínaHopanoides/ColesterolProteína de canal

Bicapa

fos

folipíd

ica

Glicolípidos

Glicoproteínas

Proteínas

Transporte

Enzima

Anclaje

Proteína integralProteína periférica

Glicoproteína

Biomoléculas formadas por cadenas lineales de aminoácidos. Tienen como función transportar las moléculas en la MC (transporte, conectoras y enzimas)

70 a 80% del PS total Unidas fuertemente a la

MC, anfipáticas (canales iónicos)

20 a 30% del PS total A un lado u otro (unión

débil, ej. Enzimas)

TRANSPORTE TRANSMEMBRANA

AzucaresAminoácidos

Cl- Na+ K+

Urea, H2O, EtOH

O2 CO2 N2

Bicapa lipídica:Impermeable moléculas polares

grandes Semi-impermeable ionesPaso libre moléculas pequeñas

polares sin cargaPermeable moléculas pequeñas no

polares

no consume energía y ocurre a favor de gradiente

consume energía y ocurre en contra de gradiente

Transporte de la región con [ ] a [ ] H2O, O2 y CO2

La difusión continúa hasta eliminar el gradiente

Difusión a través de proteínas de transporte (integrales) aminoácidos, azúcares

Velocidad de transporte depende del número de canales disponibles

TRANSPORTE PASIVONo consume energía y ocurre a favor de gradiente

Requiere energía metabólicaConcentra sustancias

TRANSPORTE activoConsume energía y ocurre en contra de gradiente

Transporte a través de proteínas integrales de la MC

Requiere energía Concentra sustancias

1 sólo soluto en una dirección

2 solutos simultáneamente en una dirección

2 solutos simultáneamente en dirección opuesta:1 soluto entra y 1 soluto sale

Uniportador Simportador Antiportador

Proteínas transportadorasIones transportados

Transporte acoplado

Tipos de transporte activo

1. Bicapa lipídica2. Cadenas no ramificadas de AG3. Glicerol D4. Enlaces éster

Archaea

Bacteria y Eukarya

Monocapa lipídica

Bicapa lipídica

Grupo fosfato

Grupo fosfato

Glicerol D

Glicerol L

Enlace éster

Enlace éter

Ácidos grasos

Cadena isoprenoide

1. Monocapa lipídica2. Cadenas ramificadas de

isopreno resistencia3. Quiralidad del glicerol L4. Enlaces éter

Diferencias entre dominios

3. Bacterias y arqueas

3.1.3.4. Citoplasma

Célula bacteriana

Citoplasma

Ribosomas

Plásmidos

Nucleoide

Citoplasma

Proteínas (15%)Moléculas pequeñas (4%)ARN (6%)

ADN (1%) Polisacáridos (2%)Fosfolípidos (2%)

Es un sistema coloidal delimitado por la membrana citoplásmica

→

30 % del protoplasma compuesto por las moléculas funcionales y estructurales

70 % compuesto por agua

CitoplasmaEs un sistema coloidal delimitado por la membrana citoplásmica

Nucleoide

Superenrollamiento del ADN de doble hélice circular.

Es la región de los procariotas contiene el ADN. Contiene un solo cromosoma (ADN de doble hélice en una única molécula, generalmente circular).

Células de E. colidividiéndose

PlásmidosEs una molécula circular de DNA que tiene una existencia independiente en la célula.

Pequeños fragmentos de ADN: 2 a 30 genes

Intervienen en la reproducción parasexual

No necesarios para crecimiento/reproducción

Dotan al microorganismode muchas propiedades (resistencia)

Ribosoma 70SSubunidad 50S

Subunidad 30S

31 proteínas

21 proteínas

2 moléculas de ARNr

1 molécula: 16S ARNr

23S ARNr + 5S ARNr

ribosomasOrgánulos sin membrana presentes en el citoplasma. Su función es sintetizar proteínas a partir de la información genética que le llega del ADN transcrita en forma de ARN mensajero (ARNm).

inclusionesAcúmulos de sustancias orgánicas o inorgánicas, rodeadas o no de una envuelta limitante de naturaleza proteínica, que se originan dentro del citoplasma bajo determinadas condiciones de crecimiento.

Poli-b-hidroxialcanoatos(PHA)

Glucógeno

Glóbulos de azufre

Gránulos de polifosfato

Vesículas de gas

Magnetosomas

Las formas hexagonales en el citoplasma de una cianobacteria (Microscystis sp.)

son vesículas de gas(Walsby, 1994. Microbiol. Rev. 58: 94-144)

Inclusiones de poli-hidroxibutirato

inclusiones

3. Bacterias y arqueas

3.1.3.5. Cápsula y endosporas

Célula bacteriana

Cápsula

CápsulaCapa de material fuera de la pared celular presente en algunas bacterias (glicocalix). Común en Bacterias Gram (-)

Resistencia vs. fagocitosis, desecación, virus y comps. hidrófobos

Ayuda a la fijación a tejidos bacterias patógenas

* Se considera un factor de virulencia la capacidad de la bacteria para causar enfermedades

Klebsiella pneumoniae*

Ejemplo: tinción de cápsulas células: rojo cápsula: rosa

Bacillus anthracisLa apariencia mucosa usualmente indica

producción de cápsulas

Tinción Maneval de cápsulas

Cápsula

endosporasSon células resistentes al calor y muy difíciles de destruir incluso por agentes químicos muy agresivos.

Cuando estas son liberadas son capaces de permanecer en estado de latencia (criptobiótico)

durante varios años, incluso siglos

endosporasEstructuras latentes especializadas típicas de bacterias Gram (+) (Bacillus y Clostridium)

Esporangio hinchado

Centrales: en el centro

Subterminales: cerca de un extremo

Terminales: en los polos (extremos)

En base a su posición:

Muy resistentes a condiciones extremas: termoresistencia

Bacillus subtilisBacillusanthracis

Bacillus subtilisClostridium perfringens Bacillus thuringensis

Esporas terminales Esporas subterminales Esporas centrales

Estructura de las endosporas

Cubierta: capas de proteína (impermeable a químicos)

Córtex: formado por PG modificado

Pared del protoplasto

Exosporio: capa de lípidos y proteínas

Protoplasto deshidratado: con estructuras celulares y metabolismo inactivo (termo-resistencia)

15% de la endosporaácido dipicolinico: forma

complejos con Ca2+

15% de la endosporaácido dipicolinico: forma

complejos con Ca2+

Dipicolinato de calcio estabiliza y protege al ADN

(termo-resistencia)

Formación Y GERMINACIÓN de endosporasEsporogénesis o esporulación* formación de esporas.Ocurre cuando el crecimiento se detiene por condiciones adversas.

Célula vegetativa hidratadametabólicamente activa

Endospora deshidratadametabólicamente inactiva

MCADN

Pared Exosporio

NúcleoCórtexCubierta

Germinación Si las condiciones son favorables la endospora germina:

Endosporainactiva

Célula metabólicamente activa (vegetativa)

*Bacillus subtilis inicia en ~ 8 h*Bacillus subtilis inicia en ~ 8 h

importancia de las endosporasPor su resistencia y porque varias especies son patógenas estas bacterias son un problema para industrias

Bacteria Inactivación (100°C)C. botulinum 2-6 h**C. tetani 1-3 h**E. coli (no-esp.) 30 min (70°C)*

*célula vegetativa: se destruye a T > 70°C*célula vegetativa: se destruye a T > 70°C

*Endospora: Activa 1 h o más a T ~ 100°C*Endospora: Activa 1 h o más a T ~ 100°C

Diferencias entre célula vegetativa y endosporas

Célula EndosporaContenido de calcio Bajo AltoÁcido dipicolínico Ausente PresenteContenido de agua (80-90%) (10-25%)Actividad enzimática Mayor MenorMetabolismo Alto Bajo/AusenteSíntesis de macromoléculas Presente AusenteResistencia (calor...) Menor Mayor

3. Bacterias y arqueas

Meiosis: división celular sexual célula diploide (2n) 2 divisiones 4 células haploides (n)Mitosis: reparto equitativo de ADN en eucariotas (asexual) 2 células hijas genéticamente

Formas de reproducción:

Un organismo origina nuevos individuos Células hijas genéticamente idénticas NO intercambio de ADN No hay meiosis, formación de gametos, ni fecundación En procariotas bipartición (fisión binaria) En eucariotas mitosis

Intervienen dos individuos generalmente de ≠ sexo Células hijas genéticamente distintas HAY intercambio de ADN Células haploides originadas por meiosis nuevos individuos

Proceso de intercambio de fragmentos de ADN

3. Bacterias y arqueas

3.2.1. Reproducción asexual: fisión binaria o bipartición

Reproducción asexual:Presente en organismos unicelulares: bacterias, arqueas, levaduras, algas unicelulares y protozoos

NucleoidePCMC

ADN replicadoUna célula se divide en dos células iguales:1. Replicación del ADN2. Elongación celular y separación de bandas de

ADN3. Formación del septo MC y PC crecen hacia

adentro y forman un tabique (septo). Se forma una nueva PC que separa a la célula

4. Separación celular (citocinesis) 2 células genéticamente idénticas

Conds. ideales división cada 20 min (E. coli) Todas las células en una colonia son iguales

3. Bacterias y arqueas

3.2.2. Reproducción parasexual

Es una recombinación genética* sin meiosisIncluye mecanismos de intercambio de información genética entre bacterias. Tres procesos:

* Nuevas combinaciones genéticas sobrevivencia a mayor variedad de condiciones

Reproducción parasexual:Proceso de intercambio de fragmentos de ADN presente en bacterias

F+ bacteria donadoraF- bacteria receptora

Plásmido F+ Pili sexual Cromosoma

Célula F+ Célula F-

Célula F+ Célula F+

El pili de la bacteria F+ se une a F-y una banda del plásmido de F+ se rompe

Ambas bacterias producen una banda complementaria del plásmido F+

conjugación:Transferencia de un fragmento de ADN (plásmido) de una bacteria donadora (F+) a otra (F-) a través de pilis

3. Bacterias y arqueas

3. Bacterias y arqueas

TAXONOMÍACiencia que clasifica a los organismos en taxones*, para lo cual utiliza ciertos códigos internacionales

*Grupo de microorganismos emparentados*Grupo de microorganismos emparentados

Agrupa en categorías taxonómicas de orden superior clasificación jerárquica**

Género: 1ª letra siempre en mayúsculasEspecie: 1ª letra siempre en minúsculasGénero: 1ª letra siempre en mayúsculasEspecie: 1ª letra siempre en minúsculas

Sistema binomial de nomenclatura:nombre formado por 2 palabras

género y especie (cursivas)Escherichia coli o E. coli

** La jerarquía se basa en relaciones evolutivas (genotípicas) clasificación filogenética

Especie→Categoría taxonómica básica

Árbol filogenéticoÁrbol que indica las relaciones evolutivas entre varias especies u otras entidades

Indica el grado de evolución (GDE)* de un organismo (filograma, cladogramas, etc) longitud de la ramificación

* Diferencias en el GDE por diversos factores (≠ velocidades de mutación, tamaños de población, fuerzas selectivas)

y tienen un ancestro común, que excluye a Desde que y divergieron, ha cambiado más mayor evolución

¿Para qué clasificar?~ 1.5 millones de especies descritasSe estima que ese número es el 5% del total de especies (~ 14 millones)Objetivo de clasificar: ordenar esta diversidad

3. Bacterias y arqueas

Sistemas de clasificación

Taxonomía clásica (fenética)

Similitud entre características fenotípicas*Agrupa en taxones con base en caracteres comunes

Taxonomía numéricaSimilitud entre caracteres

genotípicos (ADN)

Taxonomía molecular

Utiliza métodos numéricosCuantifica semejanzas y diferencias

Características con valor taxonómico:

MorfológicasFisiológicasMetabólicas

Agrupa usando varios métodos (3 importantes): %GC hibridación de ADN, secuenciación de ARNr

No consideran relación evolutiva

* Morfología, fisiología, metabolismo y reproducción

Taxonomía numérica

Los resultados se pueden mostrar en forma de dendrograma

Método de comparación de organismos que mide la presencia o ausencia de un cierto número de caracteres seleccionadosSe calculan coeficientes de asociación→ grado de similitud (0 a 1)

Taxonomía molecular

1. Contenido de guanina y citosina (%GC) técnica más simple % G + C la secuencia de bases varía con los cambios en la secuencia

completa (en bacterias %GC: 24-76%) < 3% variación misma especie; > 10% diferente género

2. Hibridación de ADN técnica más directa Desnaturalización de ADNbc mezcla de ADNmc enfriamiento se

reasocian solo cadenas complementarias ADNbc híbrido ≥70% de similitud y <5% de diferencia en Tm misma especie

3. Secuenciación de ARNr método más usado: Ribosomas bacterianos: secuencias de ARNr 5S y 16S Comparación con bases de datos mundiales ≥97% de similitud (ARNr 16S) misma especie

Clasificación taxonómica

3. Bacterias y arqueas

Dominio bacteria

Divisiones mejor caracterizados: Proteobacteria (α,β,γ,δ,ε) Gram + ( GC y GC)

Actualmente con más de 40 divisiones (Phylum), algunas sin organismos cultivados* (solo secuencias ambientales)

* Sólo secuencias ambientales

Manual de bergey

26 divisiones 2 Archaea26 Bacteria

Bergey's Manual of Determinative Bacteriology (1923–1984) identificaciónBergey's Manual of Systematic Bacteriology clasificación:

1984: 1ª Ed. clasificación fenotípica: Gram 4 volúmenes 2001: 2ª Ed. clasificación filogenética: ARNr 5 volúmenes

Organismos procariotas DOS Dominios, 2200 especies y 390 géneros

Sistema más usado y aceptado para la identificación y clasificación de células procariotas

Bergey's Manual of Systematic Bacteriology (2001)

Volumen I (2001)Introducción (taxonomía)Clasificación de Archaea (165 géneros) y bacterias fotótrofas

Volumen II (2005)Proteobacterias (Gram [-]): 538 géneros (E. coli)Volumen III (2009)Firmicutes (Gram [+] con %GC): 250 géneros en 40 familias (Staphylococcus, Streptococcus, Clostridium, Bacillus)

Volumen IV (2011)Bacterias Gram (-) sin características comunes: 153 géneros en 29 familias

Volumen V (2012)Actinobacterias: 200 géneros en 49 familiasEn revisión

3. Bacterias y arqueas

3. Bacterias y arqueas

enterobacteriasClasificación Phylum: g-proteobacteria

Orden: EnterobacteriaceaeGram NegativoForma BacilosHábitat Tracto intestinal de mamíferos

Movilidad Inmóviles y móviles (flag. perítricos)

Esporulación NoReq. O2 Anaerobios facultativos

Req. nutricionales Simples

T óptima 22 - 37 °CEnzimas Catalasa (+) y oxidasa (-)

Característica distintiva: fermentan lactosa y viven en el intestino

Fermentación: donador y aceptor de ē orgánicosRespiración: donador de ēorgánico y aceptor inorgánico

Fermentan azúcares (lactosa) 2 grupos fermentativos: Ácido-mixta ácidos láctico, acético y succínico (NO butanodiol): Escherichia,

Salmonella, Shigella Butanodiolica EtOH, CO2, butanodiol: Erwinia, Enterobacter

3. Bacterias y arqueas

BACTERIAS ÁCIDO-LÁCTICAS

Clasificación Phylum: FirmicutesOrden: Lactobacillales

Gram Positivo (bajo G-C)Forma Cocos y coco-bacilosHábitat Lácteos, plantas, bocaMovilidad InmóvilesEsporulación NoReq. O2 Anaerobias aerotolerantesReq. nutricionales ComplejosT óptima 22 - 37 °CEnzimas Catalasa (-) identificación

Fermentan azúcares con base en el producto final: dos grupos Homolácticas un solo producto: ácido láctico Heterolácticas varios productos: ácido láctico + EtOH + CO2

Géneros más importantes:Streptococcus, Lactobacillus, Pediococcus y LactococcusVarias especies flora normal

en boca (placa y caries)Algunas especies patógenas (S.

pyogenes y S. pneumoniae)Característica distintiva:

fermentación láctica

3. Bacterias y arqueas

Bacterias formadoras de endosporas

ClasificaciónPhylum: FirmicutesClase: Bacilli, Clostridia, Mollicutes…

Gram Positivo (bajo G-C)Forma BacilosHábitat Suelos, sedimentos, intestinosMovilidad Móviles e inmóvilesEsporulación SiReq. O2 Aerobios y anaerobios estrictosReq.

nutricionales Requieren vitaminas y aaT óptima 30 - 45°C (la mayoría)Enzimas Catalasa (+)

Característica distintiva:

producción de endosporas

Géneros más importantes:Bacillus (aerobios estrictos/facultativos) y Clostridium (anaerobios estrictos)Otros géneros importantes: Sporosarcina, Saccharopolyspora

3. Bacterias y arqueas

ACTINOMICETOS

Clasificación Phylum: ActinobacteriaClase: Actinomycetales

Gram Positivo (alto contenido de G-C)Forma Bacilos y cocosHábitat Principalmente suelos + bocaMovilidad Móviles e inmóvilesEsporulación La mayoríaReq. O2 Aerobios y anaerobios facultativosReq.

nutricionalesMuy versátiles (degradan sustratos complejos)

T óptima 25 - 30°C (algunos 55 – 65°C)Géneros más importantes:Streptomyces: producen el mayor número de antibióticos: bactericidas (neomicina,

estreptomicina) y fungicidas (nistatina), además de metabolitos secundariosFrankia: bacterias fijadoras de N2 viven en simbiosis con plantasAlgunos patógenos: Mycobacterium, Corynebacterium, Nocardia, Rhodococcus

Característica distintiva: formación

de filamentos ramificados (micelio)

y esporas