Introducción a la microbiología.

La microbiología puede definirse en función del tamaño de los organismos estudiados y de las técnicas empleadas. Anthony van Leeuwenhock fue la primera persona que describió microorganismos.Los experimentos realizados por Redi y otros investigadores refutaron la teoría de la generación espontánea en relación con los organismos de mayor tamaño. La teoría de la generación espontánea en relación con los microorganismos fue refutada por Spallanzani, Pasteur, Tyndall y otros.Los argumentos de la teoría “germen-enfermedad” proceden del trabajo de Bassi, Pasteur y Koch, entre otros. Lister presentó pruebas indirectas a partir del desarrollo de la cirugía antiséptica.Los postulados de Koch sirven para demostrar una relación directa entre un agente patógeno y una enfermedad.Koch estableció también las técnicas necesarias para el crecimiento de las bacterias en medios sólidos y para aislar cultivos puros de agentes patógenos.Pasteur desarrolló vacunas contra el carbunco y la rabia: von Behring y Kitasato prepararon antitoxinas frente a la difteria y el tétanos.Metchnikoff observó que algunos leucocitos podían fagocitar y destruir bacterias patógenas.Pasteur demostró que las fermentaciones estaban causadas por microorganismos y que algunos podían vivir en ausencia de oxígeno.El papel de los microorganismos en los ciclos del carbono, nitrógeno y azufre fue estudiado por primera vez por Winogradsky y Beijerinck.A lo largo del sigo XX la microbiología ha contribuido enormemente al progreso de la bioquímica y la genética. También ha estimulado el crecimiento de la biología molecular.

Las células procariotas se diferencian de las eucariotas en que aquellas carecen de un núcleo delimitado por una membrana, entre otras diferencias.Los microbiólogos estudian principalmente los miembros de los reinos Monera o Procaryotae, Protista y Fungi. Las arqueobacterias son tan diferentes que muchos microbiólogos clasifican los organismos en tres imperios: Bacteria (o Eubacteria). Archae y Eucarya.Existe una gran variedad de campos en microbiología y muchos tienen repercusiones importantes en la sociedad. Comprenden las disciplinas de mayor aplicación, como microbiología médica, salud pública, industrial, alimentaría y de productos lácteos. Ecología, fisiología, bioquímica y genética microbianas son ejemplos de campos de investigación básica en la microbiología.

Estructura y función de la célula procariota.

Las bacterias son pequeñas y de estructura sencilla cuando se comparan con las células eucariotas, sin embargo tienen formas y tamaños característicos.Aunque poseen una membrana plasmática, necesaria para todas las células vivas, las bacterias carecen normalmente de sistemas extensos y complejos de membrana interna.La matriz citoplasmática contiene típicamente varios constituyentes que no están rodeados por una membrana: cuerpos de inclusión, ribosomas y el nucleoide con el material genético.

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La pared de la célula procariota casi siempre tiene peptidoglucano y es química y morfológicamente compleja. La mayoría de las bacterias se puede clasificar en grampositivas y gramnegativas en función de la estructura de la pared celular y de la respuesta a la tinción de Gram. Los componentes como cápsulas y fimbrias se localizan por fuera de la pared celular. Uno de estos es el flagelo, que muchas bacterias utilizan como propulsor para desplazarse hacia las substancias atrayentes o alejarse de las repelentes.Algunas bacterias forman endosporas resistentes para sobrevivir en condiciones ambientales extremas en estado de reposo.

Visión global de la estructura de la célula procariota.Tamaño, forma y agrupamiento.La mayoría de las bacterias conocidas poseen una o dos formas. Los cocos son células casi esféricas. Pueden existir como células individuales, pero se asocian también a agrupaciones características que son útiles frecuentemente para identificar a las bacterias. Los diplococos se forman cuando los cocos se dividen y permanecen juntos para constituir pares. Cuando las células permanecen adheridas después de dividirse repetidamente en un plano, se forman cadenas largas de cocos; y en planos aleatorios, agrupaciones en forma de racimos de uvas.La otra forma bacteriana común es la de bastoncillo, denominada bacilo. Los bacilos varían considerablemente en la proporción de longitud y anchura, siendo los cocobacilos tan cortos y anchos que parecen cocos. La forma del extremo del bacilo a menudo varía entre especies; puede ser plana, redondeada, en forma de puro o bifurcada. Aunque muchos bacilos parecen aislados, pueden permanecer juntos después de dividirse para formar pares o cadenas. Algunas bacterias con forma de bacilo, los vibrios, son curvados, formando comas distintivas o espirales incompletas. Muchas bacterias poseen una forma semejante a bacilos largos retorcidos para formar espirales o hélices; se denominan espirilos si son rígidos y espiroquetas, cuando son flexibles.Las bacterias varían de tamaño tanto como de forma. Las más pequeñas tienen aproximadamente 0.3 µm de diámetro, casi el tamaño de los virus mayores (poxvirus). Las nanobacterias o ultramicrobacterias tienen un diámetro aproximado de entre 0.2 µm y menos de 0.05 µm. Algunas bacterias son bastante grandes; ciertas espiroquetas pueden alcanzar a veces la longitud de 500 µm y un diámetro de 7 µm.

Organización de la célula procariota.Las células procariotas casi siempre están limitadas por una pared celular químicamente compleja. Dentro de esta pared, y separada de ésta por un espacio periplasmático, se sitúa la membrana plasmática. Como la célula procariota no contiene orgánulos internos rodeados por membrana, su interior aparece morfológicamente simple. El material genético se localiza e una región discreta, el nucleoide, que no está separado del resto del citoplasma por membranas. Los ribosomas y masas de mayor tamaño, denominados cuerpos de inclusión, están dispersos por la matriz del citoplasma. Tanto las células grampositivas como las gramnegativas pueden utilizar flagelos para desplazarse. Además, muchas células están rodeadas por una cápsula o capa mucosa, externa a la pared celular.

Membranas de la célula procariota.Esta membrana rodea el citoplasma y es el punto principal de contacto de la célula con el ambiente y, por ello, es responsable de la mayor parte de su relación con el mundo exterior.

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Membrana plasmática.Las membranas contienen tanto proteínas como lípidos, aunque las proporciones exactas de unas y otros varían ampliamente. La mayoría de los lípidos asociados a membranas son estructuralmente asimétricos, con extremos polares y no polares y se denominan anfipáticos. Las porciones polares interactúan con el agua, son hidrófilos; los extremos no polares hidrofóbicos son insolubles en agua y tienden a asociarse entre sí. Esta propiedad de los lípidos les confiere la capacidad de formar una bicapa en las membranas. Las superficies externas son hidrófilas, mientras que los extremos hidrófobos quedan inmersos en el interior, lejos del agua circundante. Muchos de estos lípidos anfipáticos son fosfolípidos. Las membranas bacterianas carecen esteroles como colesterol. Sin embargo, muchas membranas bacterianas contienen moléculas pentacíclicas, similares al esterol, denominadas hopanoides, presentes en gran cantidad en nuestro ecosistema. Muchas membranas de arqueobacterias se diferencian de otras membranas bacterianas porque poseen una monocapa lipídica en lugar de una bicapa.Las membranas celulares son estructuras muy delgadas, aproximadamente de 5 a 10 nm de grosor, y sólo pueden verse con el microscopio electrónico.

El modelo de estructura de membrana más aceptado actualmente es el modelo de mosaico fluido. En este modelo se diferencian dos tipos de proteínas de membrana. Las proteínas periféricas están débilmente conectadas a la membrana y pueden eliminarse fácilmente. Son solubles en soluciones acuosas y constituyen aproximadamente del 20 al 30% del total de las proteínas de membrana. Entre el 70 y 80% de las proteínas de membrana son proteínas integrales. Éstas no se extraen fácilmente y son insolubles en soluciones acuosas cuando se eliminan los lípidos. Las proteínas integrales, al igual que los lípidos de membrana, son anfipáticas; sus regiones hidrofóbicas están inmersas en la fracción lipídica, mientras que las porciones hidrófilas sobresalen de la superficie de la membrana. Las proteínas integrales pueden difundir lateralmente alrededor de la superficie hasta una nueva posición, pero no rotan a través de la capa lipídica.La membrana plasmática retiene el citoplasma y lo separa del medio exterior. Esta membrana actúa también como barrera selectivamente permeable: permite el paso de iones y moléculas particulares, tanto hacia dentro como hacia fuera de la célula, mientras que evita el desplazamiento de otras. Por ello, esta membrana evita la pérdida de componentes esenciales por exudación. Como muchas sustancias no pueden atravesar la membrana plasmática sin ayuda, hay que calificar este movimiento cuando sea necesario. Se pueden emplear sistemas de transporte para esas actividades, como la absorción de nutrientes, la excreción de residuos y la secreción de proteínas. La membrana plasmática bacteriana es también el lugar donde se desarrollan numerosos procesos metabólicos: respiración, fotosíntesis y síntesis de lípidos y de constituyentes de la pared celular. Contiene moléculas receptoras especiales que ayudan a las bacterias a detectar y responder a sustancias químicas del medio exterior.

Sistemas internos de membrana.Aunque el citoplasma bacteriano no contiene orgánulos membranosos complejos como mitocondrias o cloroplastos, se pueden observar varias clases de estructuras membranosas.Los mesosomas son invaginaciones de la membrana plasmática, para formar vesículas, túmulos o lamelas. Se observan tanto en las bacterias grampositivas como en las gramnegativas, aunque son más prominentes, en general, en las primeras.

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La pared de las células procariotas.La pared celular es la parte más importante de una célula procariota por varias razones. Salvo algunos micoplasmas y algunas arqueobacterias, la mayoría de las bacterias tiene una pared fuerte que les da forma y las protege de la lisis osmótica. La pared celular de muchos organismos patógenos tiene componentes que contribuyen a su patogenicidad. La pared puede proteger a una célula frente a sustancias tóxicas y es el lugar de acción de varios antibióticos.Las bacterias pueden clasificarse en dos grupos principales, según su respuesta al método de tinción de Gram. Las bacterias grampositivas se tiñen de color azul-violeta, mientras que las gramnegativas adquieren un color rosa a rojo. La pared de una célula grampositiva está formada por una única capa homogénea, de 20 a 80 nm de grosor, de peptidoglucano o mureína, situada por fuera de la membrana celular. Por el contrario, la pared de la célula gramnegativa es bastante compleja. Posee una capa de 2 a 7 nm de grosor de peptidoglucano rodeada por una membrana externa de 7 a 8 nm. Los microbiólogos denominan a menudo a todas las estructuras exteriores que envuelven al gel citoplasmático envoltura. Con frecuencia se observa un espacio entre la membrana plasmática y la externa en microfotografías electrónicas de bacterias gramnegativas, y a menudo se puede observar un espacio similar, pero más pequeño, entre la membrana plasmática y la pared en bacterias grampositivas. Este espacio se denomina espacio periplasmático. La sustancia que ocupa el espacio periplasmático se denomina periplasma.

El espacio periplasmático de las bacterias gramnegativas contiene muchas proteínas que participan en la captación de nutrientes, por ejemplo, enzimas hidrolíticas que atacan a ácidos nucleicos y moléculas fosforiladas, y proteínas quelantes que participan en el transporte de

materiales hacia el interior de la célula. El espacio periplasmático contiene también enzimas que participan en la síntesis del peptidoglucano y en la modificación de compuestos tóxicos que podrían lesionar la célula.Las arqueobacterias se diferencian de otros procariotas por muchos motivos. Aunque puedes ser tintorialmente tanto grampositivas como gramnegativas, sus paredes celulares son distintivas en cuanto a estructura y composición química. Las paredes carecen de peptidoglucano eubacteriano y están constituidas por proteínas, glucoproteínas o polisacáridos.

Estructura del peptidoglucano.El peptidoglucano o mureína es un gran polímero compuesto por muchas subunidades idénticas. El polímero contiene dos derivados de azúcares, N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico y varios aminoácidos, tres de los cuales (ácido D-glutámico, D-alanina y ácido meso-diaminopimélico) no están presentes en las proteínas.

Pared celular de las bacterias grampositivas.Normalmente, la gruesa pared celular de las bacterias grampositivas está constituida principalmente por cadenas de peptidoglucano, a menudo unidas por puentes peptídicos. Sin embargo, estas células contienen también una gran cantidad de ácidos teicoicos, polímeros de

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glicerol y ribitol unidos por grupos fosfato. Los ácidos teicoicos están comunicados al peptidoglucano mediante un enlace covalente con el hidroxilo de seis del ácido N-acetilmurámico, o a los lípidos de membrana plasmática: los ácidos lipoteicoicos. Los ácidos teicoicos parece que se extienden hasta la superficie del peptidoglucano y, como están cargados negativamente, contribuyen a dotar a la pared celular grampositiva de su carga negativa. Los ácidos teicoicos no están presentes en las bacterias gramnegativas.

Pared celular de las bacterias gramnegativas.La pared celular de las gramnegativas es mucho más compleja que la de las grampositivas. La capa delgada de peptidoglucano, próxima a la membrana plasmática, no constituye más del 5 al 10% de todo el peso de la pared.La membrana externa está situada por fuera de la capa fina de peptidoglucano. La proteína de la membrana más abundante es la lipoproteína de Braun, o lipoproteína de mureína, una proteína pequeña unida covalentemente al peptidoglucano subyacente e incluida en la membrana externa por su extremo hidrófobo.Las membranas externa y plasmática parece que están en contacto directo en muchos lugares de la pared gamnegativa. Las zonas de adhesión pueden ser regiones de contacto directo o posiblemente, de verdaderas fusiones de membranas.

Posiblemente, los constituyentes más característicos de la membrana externa sean sus lipopolisacáridos (LPS). Estas moléculas grandes y complejas contienen tanto lípidos como hidratos de carbono y están formadas por tres partes: el lípido A, el polisacárido central (core), y la cadena lateral O. La región del lípido A contiene dos derivados del azúcar glucosamina, cada uno de ellos está unido a tres ácidos grasos y contiene grupos fosfato o pirofosfato. Se encuentra inmersa en la membrana externa y el resto de la molécula de LPS sobresale de la superficie. El “core” polisacárido central está unido al lípido A. La cadena O o antígeno O es una cadena de polisacárido que se extiende hacia fuera. Posee varios azúcares peculiares y la composición varía según la cepa bacteriana. Aunque las cadenas O son fácilmente reconocibles por los anticuerpos del huésped, las bacterias gramnegativas pueden incapacitar las defensas del huésped cambiando rápidamente la naturaleza de sus cadenas O para evitar su detección.El LPS es importante por varias razones, además de para evitar las defensas del huésped. Como el polisacárido central contiene normalmente azúcares cargados y fosfato, el LPS contribuye a la carga negativa de la superficie bacteriana. El LPS facilita la estabilidad de la estructura de la membrana externa. Además, el lípido A es a menudo tóxico; como consecuencia, el LPS puede actuar como endotoxina y causar algunos de los síntomas que se desarrollan en las infecciones por bacterias gramnegativas.Una de las funciones más importantes de la membrana externa es servir barrera protectora. Evita o disminuye la entrada de sales biliares, antibióticos y otras sustancias tóxicas que podrían destruir o lesionar a la bacteria. También la membrana externa es incluso más permeable que la plasmática y permite el paso de moléculas pequeñas, como glucosa y otros monosacáridos. Esto se debe a la presencia de porinas, unas proteínas especiales.

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La pared celular y la protección osmótica.La pared celular es necesaria normalmente para proteger a las bacterias frente a la destrucción por la presión osmótica. Los solutos están mucho más concentrados en el citoplasma bacteriano que en la mayoría de hábitats microbianos, que son hipotónicos. Durante la ósmosis, el agua se desplaza a través de las membranas selectivamente permeables, como la membrana plasmática, desde soluciones diluidas a soluciones más concentradas. Por ello el agua entra normalmente en las células bacterianas y la membrana plasmática no puede soportar esa presión (20 atmósferas), se hincharía, alterándose físicamente y destruyéndose, proceso denominado, lisis. Por el contrario, los solutos están más concentrados en hábitats hipertónicos que en el interior de la célula. Por ello, el agua fluye hacia fuera y el citoplasma queda deshidratado. Este fenómeno se denomina plasmólisis y es útil en la conservación de alimentos, pues muchos organismos no pueden crecer en alimentos secos y jaleas, al no poder evitar la plasmólisis.

La importancia de la pared celular en la protección bacteriana frente a la lisis osmótica se ha demostrado al tratarlas con lisozima o penicilina. La encima lisozima ataca al peptidoglucano, al hidrolizar el enlace que une al ácido N-acetilmurámico con el carbono cuatro del la N-acetil glucosamina. La penicilina inhibe la síntesis del peptidoglucano.

Componentes externos a la pared celular.Cápsulas, “slime” y capas S.Algunas bacterias poseen una capa de material fuera de la pared celular. Cuando la capa está bien organizada y no se lava fácilmente, se denomina cápsula, “Slime” es una capa de material difuso, no organizado, que se elimina fácilmente. Las cápsulas y el “Slime” están compuestos normalmente por polisacáridos, pero pueden estar constituidas por otros materiales. Las cápsulas son claramente visibles con el microscopio óptico cuando se emplean tinciones negativas o especiales para cápsulas.Aunque las cápsulas no son necesarias para el crecimiento y multiplicación bacterianas en cultivos de laboratorios, confieren varias ventajas a las bacterias cuando éstas crecen en su hábitat normal. Les ayudan a resistir la fagocitosis por células fagocíticas. La cápsula tiene una gran cantidad de agua y puede proteger a las bacterias frente a la desecación. Evitan los virus bacterianos y la mayoría de los materiales tóxicos hidrófobos, como detergentes.Muchas bacterias grampositivas y gramnegativas tienen una capa normalmente estructurada, denominada capa S, sobre su superficie. Las capas S son también comunes en las arqueobacterias, en las que pueden constituir la única estructura de pared fuera de la membrana plasmática. En las bacterias gramnegativas, la capa S se adhiere directamente a la membrana externa; en las grampositivas, está asociada con la superficie del peptidoglucano. Puede proteger a la célula frente a fluctuaciones iónicas y de pH, estrés osmótico, enzimas, o incluso frente a la bacteria depredadora Bdellovibrio.La capa S ayuda también a mantener la forma y rigidez de la envoltura, en al menos algunas células bacterianas. Puede facilitar la adhesión a algunas superficies. Finalmente, parece que esta capa protege de algunos agentes patógenos frente al ataque del complemento y de la fagocitosis, contribuyendo con ello a su virulencia.

Pili y fimbrias.Muchas bacterias poseen apéndices cortos, finos, similares a pelos, más delgados que los flagelos y que no participan en movilidad celular. Se denominan normalmente

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fimbrias. Parecen tubos delgados compuestos por subunidades de proteínas organizadas helicoidalmente, de 3 a 10 nm de diámetro, aproximadamente. Al menos algunos tipos de fimbrias fijan las bacterias a superficies sólidas, como rocas en riachuelos y a los tejidos huéspedes.Las pili sexuales son apéndices similares, aproximadamente 1 a 10 por célula. Se diferencian de las fimbrias en que son más largos y más anchos que éstas. Están determinados genéticamente por factores sexuales o plásmidos conjugativos y son necesarios para la conjugación bacteriana.

Flagelos y movilidad.La mayoría de las bacterias móviles se desplazan mediante flagelos, apéndices locomotores en forma de hilos que se extienden hacia fuera de la membrana plasmática y de la pared celular. Son estructuras delgadas, rígidas, de casi 20 nm de ancho y hasta 15 ó 20 µm de largo.Las especies bacterianas difieren a menudo claramente por sus modelos de distribución de flagelos. Las bacterias monotricas tienen sólo un flagelo; si se sitúa al final se denomina flagelo polar. Las bacterias anfitricas tienen un único flagelo en cada polo. Por el contrario, las bacterias lofotricas poseen un grupo de flagelos en uno o ambos extremos. Los flagelos se distribuyen en las bacterias peritricas (alrededor). Los modelos de distribución de los flagelos son muy útiles para identificar las bacterias.

Ultraestructura flagelar.El flagelo bacteriano está formado por tres partes. La partes más larga y manifiesta es el filamento, que se extiende desde la superficie celular hasta la punta, el cuerpo basal está embebido en la célula; y el gancho, un segmento curvado y corto, une el filamento al cuerpo basal y actúa como acoplamiento flexible. El filamento es un cilindro rígido y hueco constituido por la polimerización de una proteína sencilla, denominada flagelina.

La matriz citoplasmática.El citoplasma de los procariotas, a diferencia del de los eucariotas, carece de orgánulos limitados por una membrana unitaria. La matriz citoplasmática es la sustancia englobada por la membrana plasmática. La matriz está compuesta fundamentalmente por agua (casi el 70% de la masa bacteriana es agua). A menudo está compactada con ribosomas y muy organizada. La matriz citoplasmática a pesar de su aspecto homogéneo y de carecer de citoesqueleto, presenta una gran organización respecto a la localización de las proteínas. La membrana plasmática y todo el contenido interior se denomina protoplasto; por tanto, la matriz citoplasmática es una parte principal del protoplasto.

Cuerpos de inclusión.Numerosos cuerpos de inclusión, gránulos de material orgánico o inorgánico, visibles a menudo con el microscopio de luz, se encuentran en la matriz citoplasmática. Algunos no están rodeados por una membrana y permanecen libres en el citoplasma –por ejemplo, gránulos de polifosfato, cianoficina y algunos de glucógeno—. Otros cuerpos

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de inclusión están rodeados por una membrana no unitaria de una sola capa de aproximadamente 2.0 a 4.0 nm de grosor. Ejemplos de cuerpos de inclusión rodeados por una membrana no unitaria son los gránulos de poli-β -hidroxibutirato, algunos de glucógeno y de azufre, carboxisomas y vacuolas de gas. La composición de las membranas de los cuerpos de inclusión es variable.

Los cuerpos de inclusión orgánicos suelen contener glucógeno o poli-β-hidroxibutirato. El glucógeno es un polímero de unidades de glucosa, compuesto por cadenas largas formadas por enlaces glucosídicos α(1→4) unidos a cadenas ramificadas por enlaces glucosídicos α(1→6). Se dispersa uniformemente por la matriz en forma de gránulos pequeños de aproximadamente de 20 a 100 nm de diámetro.El poli-β-hidroxibutirato (PHB) contiene moléculas de β-hidroxibutirato unidas por enlaces éster entre grupos carboxílicos e hidroxilos de moléculas adyacentes. Se acumula en distintos cuerpos de inclusión, de aproximadamente 0.2 a 0.7 µm de diámetro.Los cuerpos de inclusión de glucógeno y PHB son reservar de carbono, que aportan material para obtener energía y realizar la biosíntesis.

Las cianobacterias tienen dos tipos característicos de cuerpos de inclusión orgánicos. Los gránulos de cianoficina están compuestos por polipéptidos grandes que contienen aproximadamente la misma cantidad de los aminoácidos arginina y ácido aspártico. Los gránulos son a menudo lo suficientemente grandes para ser visibles con el microscopio óptico y acumulan el exceso de nitrógeno como reserva bacteriana.Los carboxisomas están presenten en muchas cianobacterias, bacterias nitrificantes y tiobacilos. Son poliédricos, de aproximadamente 100 nm de diámetro, y contienen la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa en una disposición paracristalina. Sirven como reserva de esta enzima y pueden ser el lugar de fijación del CO2.

Un cuerpo de inclusión orgánico más extraordinario, la vacuola de gas, está presente en muchas cianobacterias, bacterias fotosintéticas púrpuras y verdes y en algunas otras formas acuáticas. Estas bacterias flotan en o cerca de la superficie, porque las vacuolas de gas les confieren flotabilidad. Las vacuolas de gas son agregados de un gran número de estructuras pequeñas, huecas, cilíndricas, denominadas vesículas de gas. La pared de las vesículas de gas no contiene lípidos y está compuesta totalmente por la polimerización de una única proteína de bajo peso molecular. Estas subunidades de proteína se unen para formar un cilindro rígido que es hueco e impermeable al agua, pero totalmente permeable a los gases atmosféricos. Las bacterias con vacuolas de gas pueden regular su flotabilidad para flotar en la profundidad necesaria para obtener una intensidad de luz, concentración de oxígeno y niveles de nutrientes adecuados. El descenso de la bacteria se produce simplemente por colapso de las vesículas, flotando hacia arriba cuando se forman otras nuevas.

Muchas bacterias acumulan fosfato como gránulos de polifosfato o gránulos de volutina. El polifosfato es un polímero lineal de ortofosfatos unidos por enlaces éster. Por ello los gránulos de volutina actúan como reservas de fosfato, un componente importante de los constituyentes celulares, como los ácidos nucleicos. En algunas células actúan como reservas de energía y el polifosfato puede servir como fuente de energía para diversas reacciones químicas.

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Ribosomas.La matriz citoplasmática está a menudo empaquetada por ribosomas; éstos también pueden encontrarse ligados débilmente a la membrana plasmática. Los ribosomas aparecen como partículas pequeñas, pero son realmente objetos muy complejos, compuestos de proteínas y de ácido ribonucleico (RNA). Son el lugar de la síntesis de proteínas; los ribosomas de la matriz citoplasmática sintetizan proteínas destinadas a permanecer dentro de la célula, mientras que los ribosomas de la membrana plasmática elaboran proteínas que son transportadas al exterior. Los ribosomas de procariotas son más pequeños que los de eucariotas. Se denominan comúnmente ribosomas 70S y están constituidos por subunidades de 50S y 30S (30S contiene 16S de rRNA y 50S contiene 23S+5S de rRNA). La S de 70S y de otros valores similares se refiere a la unidad de Svedberg. Es la unidad del coeficiente de sedimentación, medida de la velocidad de sedimentación en una centrífuga; cuanto mayor sea la velocidad de desplazamiento de una partícula al ser centrifugada, mayor será su valor de Svedberg, o coeficiente de sedimentación. Los ribosomas de la matriz citoplasmática de las células eucariotas son de 80S y están constituidos por subunidades de 60S y 40S.

El nucleoide.Probablemente, la diferencia más característica entre organismos procariotas y eucariotas es la forma de organización del material genético. Las células eucariotas tienen dos o más cromosomas dentro de un orgánulo delimitado por una membrana, el núcleo. Por el contrario, las procariotas carecen de un núcleo limitado por membrana. El cromosoma procariótico, casi siempre constituido por un único círculo de doble cadena de ácido desoxirribonucleico (DNA), está situado en una región de forma irregular denominada nucleoide. Una célula puede tener más de un nucleoide cuando se produce la división celular, después de duplicarse el material genético. En bacterias que están creciendo activamente, el nucleoide presenta proyecciones que se extienden en la matriz citoplasmática. Posiblemente, estas proyecciones contienen DNA que ha sido transcrito activamente para producir mRNA. Muchas bacterias poseen plásmidos, además de su cromosoma.

Plásmidos bacterianos.Los plásmidos son pequeñas moléculas circulares, de doble cadena de DNA, que pueden existir y replicarse independientemente del cromosoma o pueden estar integrados en éste; en cualquier caso, son heredados por las células hijas. Los plásmidos no son necesarios para el crecimiento y la reproducción del huésped, aunque pueden llevar genes que aportan a la bacteria huésped una ventaja selectiva. Tienen relativamente pocos genes, en general, menos de 30. Los genes plasmídicos pueden conferir a las bacterias resistencia a fármacos, nuevas capacidades metabólicas, transformarlas en patógenas o dotarlas de otras numerosas propiedades.Los plásmidos pueden clasificarse en función de su modo de existencia y diseminación. Un episoma es un plásmido capaz de existir integrado o no integrado en el cromosoma del huésped. Algunos plásmidos, los denominados plásmidos conjugativos, tienen genes que codifican pili que les permiten transferir copias de sí mismos a otras bacterias durante la conjugación. Un plásmido denominado factor de fertilidad o factor F desempeña un importante papel en la conjugación en E. colli y fue el primero en ser descrito. El factor F tiene una longitud aproximada de 94.5 kilobases y contiene genes responsables de la unión celular y de la transferencia de plásmidos entre cepas bacterianas específicas durante el proceso

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de conjugación. Así, el factor F es un episoma que puede existir fuera del cromosoma bacteriano o integrarse en él.

Debido a que ciertas cepas dadoras transfieren genes bacterianos con gran eficiencia y no suelen convertir en dadoras a las células receptoras, debe existir un segundo tipo de conjugación. El factor F es un episoma, y puede integrarse en el cromosoma bacteriano en diferentes localizaciones mediante recombinación entre secuencias de inserción homólogas presentes tanto en el plásmido como en los cromosomas del huésped. Cuando se ha integrado, el plásmido puede dirigir la síntesis de pili, llevar a cabo la replicación mediante el mecanismo del rodante y transferir material genético a una célula receptora F- . Las cepas dadoras de este tipo reciben el nombre de cepas Hfr porque presentan una elevada eficiencia de transferencia génica cromosómica en comparación con las células F+.

Los plásmidos a menudo confieren resistencia a los antibióticos a las bacterias que los contienen. Los factores R o plásmidos R contienen de forma característica genes que codifican enzimas capaces de destruir o modificar antibióticos. No suelen estar integrados en el cromosoma del huésped. Se han encontrado en los plásmidos genes que codifican la resistencia a antibióticos como la ampicilina, el cloranfenicol y la kanamicina, entre otros. Con frecuencia, los genes de resistencia se encuentran en un elemento transponible, de forma que las cepas bacterianas pueden desarrollar con rapidez plásmidos que codifican múltiples resistencias. Los factores R no conjugativos también pasan de una bacteria a otra durante la conjugación promovida por plásmidos. De esta forma, toda una población puede hacerse resistente a los antibióticos.

Algunos plásmidos, denominados plásmidos de virulencia, potencian la patogenicidad de las bacterias que los contienen al aumentar su capacidad de resistencia frente a las defensas del huésped o al aumentar su capacidad de producir toxinas. Los plásmidos metabólicos contienen genes que codifican enzimas que degradan sustancias tales como compuestos aromáticos, pesticidas y azúcares.

Elementos transponibles.Los cromosomas de bacterias, virus y células eucariotas contienen fragmentos de DNA que tienen la capacidad de desplazarse por el genoma. Este movimiento recibe el nombre de transposición, y los segmentos de DNA que contienen los genes necesarios para este proceso y que por consiguiente se desplazan por los cromosomas se denominan elementos transponibles o transposones.

Conjugación bacteriana.La conjugación bacteriana es la transferencia de información genética mediante contacto directo entre dos células.En la conjugación hay una cepa dadora (F+) y una cepa receptora (F-), y la transferencia de genes no es recíproca. En el cruce F+ x F- la progenie es F+. Esto es debido a que, la cepa F+ contiene un factor F extracromosómico que transporta los genes necesarios para la formación del pilus y la transferencia de plásmidos. Durante el cruce o conjugación F+ x F-, el factor F se replica mediante el mecanismo del rodante

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(o mecanismo del círculo rodante), y una copia del factor F se desplaza al receptor. La cadena entrante se copia para producir DNA de doble cadena (DNA bicatenario). Debido a que los genes del cromosoma bacteriano rara vez se transfieren con el factor F independiente, la frecuencia de recombinación es baja. El pilus sexual o conjugativo une el dador y el receptor y puede contraerse para unir ambas células. El canal para la transferencia del DNA podría ser el pilus F hueco o más bien un puente conjugativo especial formado tras el contacto.

Recombinación bacteriana.Los microorganismos llevan a cabo diversos tipos de recombinación. La recombinación general, la forma más común, suele consistir en un intercambio recíproco entre un par de secuencias homólogas de DNA. Puede suceder en cualquier sitio del cromosoma y se debe a la rotura y reunión de la cadena o hebra de DNA, que conduce al entrecruzamiento.

Un segundo tipo de recombinación, de especial importancia en la integración de los genomas virales en los cromosomas bacterianos, es la recombinación específica de sitio. El material genético no presenta homología con el cromosoma al que se une, y las enzimas responsables de este proceso suelen ser específicas de cada virus en particular y de su huésped.Un tercer tipo, la recombinación replicadora, acompaña a la replicación de

material genético y no depende de la homología de las secuencias. La emplean los elementos genéticos capaces de desplazarse por el cromosoma.

Aunque la reproducción sexual con la formación de un cigoto o célula huevo y su subsiguiente meiosis no existe en las bacterias, puede producirse una recombinación de diversas formas tras la transferencia horizontal de genes. En este proceso, los genes se transfieren de un organismo maduro e independiente a otro. Una porción del DNA dador, el exogenote, debe entrar en la célula receptora y convertirse en una parte estable de su genoma, el endogenote.

Transformación del DNA.El mecanismo por el cual el DNA puede movilizarse entre las bacterias es la transformación, descubierta por Fred Griffith en 1928. La transformación consiste en la captación por parte de una célula receptora de una molécula o fragmento de DNA desnudo y la incorporación de esta molécula al cromosoma del receptor en una forma heredable. En la transformación natural, el DNA procede de una bacteria dadora. Es un proceso aleatorio, y puede transferirse entre bacterias cualquier porción del genoma.

Transducción.Los virus bacterianos o bacteriófagos participan en una modalidad de transferencia génica bacteriana. Estos virus tienen estructuras relativamente sencillas en las que el

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material genético del virus está incluido dentro de una cubierta externa, compuesta principalmente o exclusivamente de proteínas. La cubierta protege el genoma y lo transmite entre células huésped.

Después de infectar a la célula huésped, un bacteriófago a menudo toma el control y obliga al huésped a fabricar numerosas copias del virus. Finalmente, la bacteria huésped estalla o se lisa y libera los nuevos fagos. Este ciclo reproductor se denomina ciclo lítico porque concluye con la lisis del huésped. Consta de cuatro fases. En la primera, la partícula viral se fija a un sitio receptor específico de la superficie bacteriana. El material genético del virus, que con frecuencia es DNA bicatenario, penetra entonces en la célula. Tras la absorción y la penetración, el cromosoma viral obliga a la bacteria a fabricar ácidos nucleicos y proteínas del virus. La tercera fase comienza tras la síntesis de los componentes virales. Se ensamblan fagos a partir de estos componentes. El proceso de ensamblaje puede ser complejo, pero en todos los casos el ácido nucleico se introduce en la cápside proteica viral.

Finalmente, los virus maduros son liberados al medio mediante la lisis de la célula huésped.La transducción es la transferencia de genes bacterianos por medio de virus. Se produce la incorporación de genes bacterianos al interior de la cápside de un fago a consecuencia de errores cometido durante el ciclo vital del virus. El virus que contiene estos genes los inyecta a continuación en otra bacteria, completando de esta forma la transferencia. La transducción es el mecanismo más frecuente de intercambio y recombinación génica en las bacterias. Distinguimos dos tipos muy diferentes de transducción: generalizada y especializada.

Transducción generalizada.La transducción generalizada ocurre durante el ciclo lítico de los fagos virulentos y atemperados, y es capaz de transferir cualquier parte del genoma bacteriano.

Transducción especializada.En la transducción especializada o restringida, la partícula transductora transporta sólo porciones específicas del genoma bacteriano.

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Crecimiento microbiano.

El crecimiento puede definirse como un aumento de los constituyentes celulares. El crecimiento ocasiona un aumento del número de células cuando los microorganismos se multiplican por procesos como gemación o fisión binaria. En el último caso, las células individuales se agrandan y dividen para originar dos células hijas de un tamaño aproximadamente igual. No suele ser eficaz investigar el crecimiento y la multiplicación de microorganismos individuales debido a su pequeño tamaño. En consecuencia, los microbiólogos, cuando estudian el crecimiento, siguen normalmente los cambios observados en el número total de la población.

Curva de crecimiento.El crecimiento de una población se estudia analizando la curva de crecimiento de un cultivo microbiano. Cuando los microorganismos se cultivan en un medio líquido, crecen normalmente en un cultivo discontinuo o sistema cerrado (batch culture), es

decir, se incuban en un recipiente cerrado al que no se añade más cantidad de medio que la inicial; en consecuencia, las concentraciones de nutrientes disminuyen y las de residuos aumentan. Se puede representar el crecimiento de los microorganismos que se multiplican por fisión binaria como el logaritmo del número de células frente al tiempo de incubación. La curva resultante tiene cuatro fases diferentes.

Fase de latencia.Cuando se introducen microorganismos en un medio de cultivo fresco, normalmente no se produce un aumento inmediato del número de células o de masa y, por ello, este periodo se denomina fase de latencia. Aunque la división celular no se produce inmediatamente y no hay un incremento neto de masa, la célula está sintetizando nuevos componentes. Una fase de latencia previa al comienzo de la división celular puede ser necesaria por diversas razones. Las células pueden ser viejas y poseer una cantidad reducida de ATP, cofactores esenciales y ribosomas; estas sustancias deben sintetizarse antes de que se inicie el crecimiento. El medio puede ser diferente al anterior donde crecían los microorganismos. En este caso, necesitará nuevas enzimas para usar otros nutrientes. Quizás, los microorganismos hayan sido alterados y necesiten un tiempo de recuperación. Cualquiera que sea el motivo, finalmente, las células se equipan de nuevo, replican su DNA, comienzan a incrementar su masa y por último, se dividen.La duración de la fase de latencia varía considerablemente según la condición de los microorganismos y la naturaleza del medio.

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Fase exponencial.Durante la fase exponencial o logarítmica, los microorganismos crecen y se dividen hasta el nivel máximo posible, en función de su potencial genético, el tipo de medio y las condiciones en que crecen. La velocidad de crecimiento es constante durante la fase exponencial; es decir, los microorganismos se dividen y duplican en número a intervalos regulares. Como cada célula se divide en un momento ligeramente diferente del resto, la curva de crecimiento aumenta suavemente, en ligar de realizar discretos saltos. Durante esta fase la población es más uniforme, química y fisiológicamente; por ello, los cultivos en fase exponencial se utilizan normalmente en estudios bioquímicos y fisiológicos.

Fase estacionaria.Finalmente, el crecimiento de la población cesa y la curva de crecimiento se vuelve horizontal. Las bacterias llegan normalmente a esta fase estacionaria cuando el nivel de población es aproximadamente 109 células por mL. El tamaño final de la población depende, por supuesto, de la disponibilidad de nutrientes y otros factores, así como el tipo de microorganismo que se cultive. En la fase estacionaria el número total de microorganismos viables permanece constante. Este hecho puede ser resultado del equilibrio entre la división y la muerte de las células, o simplemente, que la población deje de dividirse, aunque siga activa metabólicamente.Las poblaciones microbianas entran en fase estacionaria por varias razones. Un factor obvio es la limitación de nutrientes; si se reduce intensamente la concentración de un nutriente esencial, la población crecerá lentamente. Los organismos aerobios están limitados a menudo por la disponibilidad de O2. El crecimiento de una población puede también cesar debido a la acumulación de productos residuales tóxicos

Fase de muerte.Cambios ambientales perjudiciales, como privación de nutrientes y acumulación de residuos tóxicos, originan la disminución del número de células viables, hecho que caracteriza la fase de muerte.

Medición del crecimiento microbiano.Existen muchas formas de cuantificar el crecimiento microbiano para determinar la velocidad del crecimiento y el tiempo de generación. Se pueden medir tanto la masa como el número celular en la población, porque el crecimiento de ambos origina un incremento de ambos. Así bien, los métodos más destacados son los siguientes:

- Turbidez.- Recuento en placa (células viables)- Número más probable.- Recuento directo (por microscopía, citrometría).- Peso Seco.- Actividad metabólica (ejemplo: ATP).- Métodos moleculares (ejemplo: PCR cuantitativa).

Cultivo continuo de microorganismos.Es posible cultivar microorganismos en un sistema abierto, en el que se mantengan las condiciones ambientales constantes a través del suministro continuo de nutrientes y de la retirada de los residuos. Estas condiciones se cumplen en un laboratorio mediante el sistema de cultivo continuo. En este tipo de cultivo se puede mantener una población

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microbiana en fase de crecimiento exponencial, a una concentración constante de biomasa durante un período largo de tiempo.

Quimiostato.Mayoritariamente se utilizan dos clases de sistemas de cultivo continuo: los quimiostatos y los turbidostatos. Un quimiostato se construye de forma que se alimenta un recipiente de cultivo con un medio estéril a la misma velocidad con que se gasta el medio que contiene los microorganismos. El medio de cultivo de un quimiostato contiene un nutriente esencial (por ejemplo un aminoácido) en cantidades limitadas. Debido a la presencia del nutriente limitante, la velocidad del crecimiento se determina por la velocidad a la que se incorpora más cantidad de medio en la cámara de cultivo y la densidad final celular depende de las concentraciones del nutriente limitante, velocidad a la que el medio fluye en el recipiente de cultivo, respecto del volumen del mismo.

Esterilización y desinfección.

Esterilización: es la eliminación de toda forma de vida (hongos, bacterias, virus…) incluidas las esporas.

Desinfección: es el uso de agentes químicos para eliminar los microorganismos infecciosos o patógenos.

Saneamiento: es una reducción de la contaminación microbiana de utensilios e instalaciones industriales o locales privados y públicos a límites aceptables.

Antiséptico: es una sustancia química que se aplica tópicamente a la piel humana o a las heridas para matar o inhibir a microorganismos patógenos.

Desinfectante: es una sustancia que se aplica sobre objetos inanimados con el mismo fin.

Quimioterapéutico: sustancia obtenida por procesos químicos, capaces de matar o inhibir a microorganismos a baja concentración y utilizables en terapia clínica.

Antimicrobiano: es un compuesto químico que mata o inhibe el crecimiento microbiano. Sinónimo de microbicida o microstático.

Conservante: es una sustancia química que evita el deterioro por microorganismos en alimentos, fármacos, cosméticos y diversos productos industriales.

Antisepsia: prevención de una infección o sepsis.

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Técnica aséptica: es la serie de procedimientos que evitan la contaminación durante la manipulación de cultivos y de los medios de cultivo.

Antibióticos: son antimicrobianos producidos por microorganismos, actúan a bajas concentraciones; tienen mecanismos de acción muy específicos (espectro de acción más específico que los quimioterapéuticos), y son inocuos para el hombre y animales.Las aplicaciones de los antibióticos son en cínica humana y animal; y también en investigación, promotor del crecimiento animal, protección vegetal en agricultura y protección de materiales diversos.

Agentes esterilizantes: podemos dividirlos en dos grupos, en agentes físicos y en agentes químicos:

- Agentes físicos: calor húmedo y seco, radiaciones (UV e ionizantes) y filtración.- Agentes químicos: alcoholes (etanol 70-85%), halógenos (yodo y cloro),

peróxido de hidrógeno, tensioactivos catiónicos, compuestos organometálicos y gases esterilizantes (oxido de etileno).

Autoclave: la esterilización con calor húmedo debe realizarse a temperaturas superiores a 100 ºC para destruir las endosporas bacterianas: esto requiere la utilización de vapor saturado a presión. La esterilización con vapor se realiza en un autoclave, aparato similar a una olla a presión especial. Se hierve agua para producir vapor, que pasa a través de una “camisa” al interior de la cámara del autoclave. El vapor saturado y caliente continúa entrando en la cámara hasta que se alcanza la temperatura y presión deseadas, normalmente, 121 ºC y 6,8 kg de presión. A esta temperatura, el vapor saturado destruye todas las células vegetativas y endosporas en un volumen pequeño de líquido, entre 10 y 12 minutos. El tratamiento se continúa durante 15 minutos para permitir un margen de seguridad.

Pasteurización: muchas sustancias, como la leche, se tratan con calor controlado, a temperaturas por debajo del punto de ebullición, proceso denominado pasteurización, en honor a Louis Pasteur, quien desarrolló el proceso. La leche se puede pasteurizar de dos maneras. Según el método antiguo, la leche se mantenía a 63 ºC durante 30 minutos. En la actualidad, grandes volúmenes de leche se someten a una pasteurización rápida o de alta temperatura y tiempo corto (HTST, high-temperature short-term), que consiste en calentar rápidamente a 72 ºC durante 17 segundos. La industria láctea utiliza también a veces la esterilización a temperatura ultraelevada (UHT, ultrahigh temperatura). La leche y los derivados lácteos se caliente a una temperatura de 140 a 150 ºC durante 1 a 3 segundos. La leche tratada UHT no necesita refrigeración y puede almacenarse a temperatura ambiente durante casi dos meses sin que se produzcan cambios en el sabor.

Tindalización: a veces, un material termosensible puede esterilizarse por tindalización o esterilización fraccionada por vapor. El recipiente con el material que se va a esterilizar se calienta a una temperatura de 90 a 100 ºC durante 30 minutos cada día, durante tres días consecutivos, y se incuba a 37 ºC entre cada calentamiento. El primero destruirá todos los organismos, salvo las endosporas bacterianas. La mayoría de éstas germinarán durante la incubación posterior a 37 ºC y se destruirán durante el segundo calentamiento. Las esporas restantes se destruyen durante la segunda incubación y el tercer tratamiento de calor.

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Taxonomía microbiana.

Debido a la desconcertante diversidad de los organismos vivos es deseable clasificarlos u ordenarlos en grupos en función de sus semejanzas. La taxonomía se define como la ciencia de la clasificación biológica. En un sentido más amplio, se compone de tres partes independientes pero interrelacionas: clasificación, nomenclatura e identificación. La clasificación es la estructuración de los organismos en grupos o taxones en función de semejanzas mutuas o del parentesco evolutivo. La nomenclatura es la rama de la taxonomía que se ocupa de la asignación de nombres a grupos taxonómicos de conformidad como normas publicadas. La identificación constituye el lado práctico de la taxonomía, el proceso de determinar que un asilamiento en particular pertenece a un taxón reconocido.El término sistemática a menudo se emplea para referirse a la taxonomía. Sin embargo, muchos taxonomistas la definen en términos más generales como “el estudio científico de los organismos cuyo objetivo final es caracterizarlos y agruparlos de forma ordenada”. Todo estudio de la naturaleza de los organismos, cuando los conocimientos adquiridos se aplican a la taxonomía, forman parte de la sistemática. Por consiguiente, ésta abarca disciplinas tales como morfología, ecología, epidemiología, bioquímica, biología molecular y fisiología.

Al preparar un esquema de clasificación, se ubican todos los microorganismos en un pequeño grupo homogéneo que, a su vez, pertenece a grupos más extensos, siguiente una estructuración jerárquica sin superposiciones. En la taxonomía bacteriana, los niveles o rangos utilizados con mayor frecuencia (en orden ascendente) son los siguientes: especies, géneros, familias, órdenes, clases y reinos.El grupo taxonómico básico en taxonomía microbiana es la especie. Una especie está formada por un conjunto de individuos que comparten unos genes, que pueden cruzarse y, que pueden tener descendencia fértil. Esta seria la definición dada por Linneo en el siglo XVII. Ahora bien, según los microbiólogos, una especie es una colección de cepas que comparten numerosas propiedades estables que difieren de forma significativa de otros grupos de cepas. Una cepa es una población de organismos que desciende de un único organismo o de un asilamiento en cultivo puro.

Características usadas para la clasificación bacteriana.- Características clásicas: morfología y tinción de Gram, bioquímica y fisiología,

ecología, serología, fagotipado.- Características moleculares: secuencia de bases ADN o 16S RNAr, homología

del DNA, porcentaje de Citosina Guanina.

Clasificación y nomenclatura. La unidad básica es la especie. Las especies se agrupan en géneros. Los organismos se identifican por el sistema binomial, el nombre latinizado y en letra cursiva consta de dos partes. La primera, cuya primera letra se consigna en mayúscula, es en nombre genérico, mientras que la segunda, en minúscula, es el epíteto de especie (nombre específico) (por ejemplo: Escherichia coli). Los géneros se agrupan en familias, las familias en órdenes, las órdenes en divisiones, las divisiones en clases, las clases en phylum, los phylum en dominios. La similitud (16S RNAr) de los tres dominios es inferior al 60%, en cambio, dentro de cada dominio, es superior al 60%.

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Sistemas de clasificación.El sistema de clasificación más deseable, denominado clasificación natural, estructura los organismos en grupos cuyos miembros comparten muchas características y refleja tanto como sea posible la naturaleza biológica de los organismos.Existen dos formas generales de elaborar los sistemas de clasificación. Los organismos pueden agruparse en función de similitudes globales para formar un sistema fenético, o pueden agruparse en función de probables relaciones evolutivas para generar un sistema filogenético. Pueden utilizarse ordenadores para analizar los datos con objeto de producir clasificaciones fenéticas, este proceso se denomina taxonomía numérica.

Clasificación fenética.Es un sistema que agrupa los organismos en función de las semejanzas en sus características fenotípicas.

Taxonomía numérica.Es el agrupamiento mediante métodos numéricos de unidades taxonómicas en taxones, sobre la base de sus estados caracterológicos. La información acerca de las propiedades de los microorganismos se convierte en una forma adecuada para el análisis numérico y a continuación se compara por la semejanza general, determinada por comparación de numerosas características, cada una de las cuales recibe el mismo valor.

Clasificación filogenética.Son sistemas basados en relaciones evolutivas más que en semejanzas generales. Esto ha resultado difícil para las bacterias y otros microorganismos, principalmente debido a la falta de un buen registro de fósiles. La comparación directa del material genético y los productos génicos como el RNA y las proteínas permite superar muchos de estos problemas.

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Otras herramientas: Manual Bergey de sistemática bacteriana, revistas como la Journal of Systematic Bacteriology, bases de datos sobre secuencias de ADN y ARN, y colecciones de cultivo tipo.

Grupos fisiológicos o nutricionales.

Quimioorganotrofos = Quimioheterótrofos Fuente de Energía: Compuestos orgánicos Fuente de Carbono: Compuestos orgánicosAceptor final de e-:

Respiración aeróbica: O2Respiración anaeróbica: Compuestos inorgánicosRespiración anaeróbica-fermentación: Compuestos orgánicos

Quimiolitotrofos autótrofosFuente de Energía: Compuestos inorgánicos Fuente de Carbono: CO2Aceptor final de e-:

Respiración aeróbica: O2Respiración anaeróbica: Compuestos inorgánicos

FototrofosFuente de Energía: LuzFuente de Carbono:

Fotoautótrofos: CO2 Fotoheterótrofos: Compuestos orgánicos

Bacterias fotosintéticas.

Existen tres grupos de procariotas fotosintéticos: las bacterias púrpuras, las bacterias verdes y las cianobacterias. Las cianobacterias se diferencian de las bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras principalmente en su capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis oxigénica. Utilizan el agua como dador de electrones y general oxígeno

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durante la fotosíntesis. En cambio las bacterias púrpuras y verdes utilizan las fotosíntesis anoxigénica. Debido a que no son capaces de usar el agua como fuente de electrones, utilizan moléculas reducidas, como el sulfuro de hidrógeno, el azufre, el hidrógeno o la materia orgánica, como fuente de electrones para la generación de NADH y NADPH. En consecuencia, las bacterias púrpuras y verdes no producen oxígeno, sino que muchas forman gránulos de azufre. Las bacterias púrpuras del azufre acumulan gránulos de azufre en el interior celular, mientras que las bacterias verdes del azufre depositan los gránulos de azufre fuera de sus células. Las bacterias púrpuras no del azufre utilizan moléculas orgánicas como fuente de electrones. También existen diferencias en los pigmentos fotosintéticos, en la organización de las membranas fotosintéticas las necesidades nutricionales, y las relaciones con el oxígeno.

Las bacterias púrpuras y verdes se diferencian de las cianobacterias en que contienen bacterioclorofilas en vez de clorofila a. En condiciones normales, las bacterias verdes y púrpuras son anaerobias y utilizan H2S y otros dadores reducidos de electrones durante la fotosíntesis. Debido a que estas bacterias crecen mejor en las zonas anaeróbicas más profundas de los hábitats acuáticos, no son capaces de utilizar con eficacia partes del espectro visible que usan normalmente los organismos fotosintéticos. A menudo, en los lagos y estanques existe una capa superficial densa de cianobacterias y algas que absorbe una gran cantidad de la luz azul y roja. Los pigmentos de la bacterioclorofila de las bacterias púrpuras y verdes absorben la luz en la región del rojo lejano, de mayor longitud de onda, que no utilizan otros fotosintetizadores, que es precisamente la radiación que se capta en esas profundidades del ecosistema acuático. A consecuencia de ello, cuando el agua es lo suficientemente transparente, se desarrolla una capa de bacterias verdes y púrpuras en la zona rica en sulfuro de hidrógeno.

Las cianobacterias constituyen el grupo más amplio y diverso de bacterias fotosintéticas. No se ha llegado a un acuerdo acerca del número de especies de cianobacterias. Aunque las cianobacterias son procariotas verdaderos, su sistema fotosintético se asemeja mucho al de los eucariotas, debido a que contienen clorofila a y el fotosistema II, y llevan a cabo la fotosíntesis oxigénica. Como las algas rojas, las cianobacterias utilizan las ficobiliproteínas como pigmentos accesorios. Los pigmentos fotosintéticos y los componentes de la cadena de transporte electrónico se localizan en membranas tilacoides revestidas con partículas denominadas ficobilisomas, que contienen pigmentos de ficobilina, es especial de ficocianina, y transfieren energía al fotosistema II. El dióxido de carbono es asimilado mediante el ciclo de Calvin, y el hidrato de carbono de reserva es el glucógeno. En ocasiones, almacena nitrógeno extra en forma de polímeros de arginina o ácido aspártico en gránulos de cianoficina. Dado que las cianobacterias carecen de la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa, no tienen un ciclo del ácido cítrico totalmente funcional.Las cianobacterias también varían de forma sustancial en su forma y aspecto. Su diámetro varía aproximadamente 1 y 10 µm y pueden ser unicelulares, existir como colonias de muchas formas diferentes o formar filamentos denominados tricomas. Un tricoma es una fila de células bacterianas que se encuentran en estrecho contacto entre sí por un área extensa. En cambio las células adyacentes en una cadena sencilla se asocian sólo por una pequeña área de contacto. Aunque la mayoría parecen verde-azuladas por la ficocianina, algunas son de color rojo o pardo debido al pigmento rojo ficoeritrina. A pesar de esta variedad, las cianobacterias tienen estructuras procariotas típicas y una pared celular de tipo gramnegativo normal. A menudo usan vesículas de

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gas para desplazarse verticalmente en el agua, y muchas especies filamentosas tienen motilidad por deslizamiento.Las cianobacterias se reproducen por fisión binaria, gemación, fragmentación y fisión múltiple. La fragmentación de las cianobacterias filamentosas es capaz de generar pequeños filamentos móviles denominados hormogonias. Algunas especies desarrollan acinetos, células en reposo especializadas e inactivas de gruesas paredes que son resistentes a la desecación. A menudo estas células germinan para formar nuevos filamentos. Muchas cianobacterias filamentosas fijan el nitrógeno atmosférico por medio de células especializadas denominadas heterocistos.

Bacterias flexibles. Se trata de bacterias gramnegativas, alargadas, flexibles y espiriladas. Son heterótrofas, móviles, su hábitat son los sistemas acuáticos y los patógenos; y la podemos dividir en dos grandes subgrupos: espirilos y espiroquetas.

Espirilos.Los espirilos son un grupo de proteobacterias gramnegativas con forma alargada y espiritada. Presentan flagelación polar simple o con penachos. Algunos ejemplos serian:

- Spirillum volutans: de hasta 50 micras de longitud. Presenta gránulos de volutina (polifosfatos).

- Azospirillum: fija nitrógeno y lo podemos encontrar en suelos y rizosfera.- Campylobacter y Helicobacter: Tenemos que H. pylori es el responsable de la

gastroenteritis B y la úlcera gástrica y duodenal humana.- Bdellovibrio: es un predador de otras bacterias y se encuentra en aguas y suelos.

Espiroquetas.Las espiroquetas son un grupo de bacterias gramnegativas quimioheterótrofas que se distinguen por su estructura y su mecanismo de motilidad. Son bacterias delgadas y largas, con una forma helicoidal flexible. Las espiroquetas se diferencian de forma sustancial de otras bacterias en cuanto a su motilidad, y son capaces de desplazarse a través de soluciones de gran viscosidad, a pesar de que carecen de flagelos rotadores externos. Cuando establecen contacto con una superficie sólida, presentan movimientos reptantes o de arrastre. Su patrón único de motilidad se debe a una estructura morfológica inusual denominada filamento axial. Es frecuente encontrarlas en sistema acuáticos como la Spirochaeta spp., también es frecuente en animales como saprófito, y Cristispira spp., del tracto digestico de moluscos. Cómo patógeno tenemos a Treponema pallidum, el causante de la sífilis.

Género Pseudomonas.

El género pseudomonas contiene bacilos rectos o ligeramente curvados, de una longitud de 0,5 a 1,0 µm por 1,5 y 5,0 µm, que se desplazan mediante uno o varios flagelos polares y carecen de prostecas o vainas. Estas bacterias quimioheterótrofas, son aerobias y llevan a cabo un metabolismo respiratorio, utilizando O2 (y a veces nitrato) como aceptor de electrones. Todas las pseudomonas tienen un ciclo de los ácidos tricarboxílicos funcional y pueden oxidar sustratos a CO2. La mayoría de las hexonas no se degradan de manera glucolítica, sino por la ruta de Entner-Doudoroff.

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Las pseudomonas son muy abundantes en aguas y suelos, y son responsables de la degradación de materiales solubles procedentes de plantas y animales. Forman parte de las proteobacterias.

Pseudomona aeruginosa.Produce dos pigmentos característicos: piocianina y biocida (azul); pioverdina, sideróforo (fluorescencia) (verde). Presenta las enzimas colagenasa, lipasas y lecitinasas. Es hemolítico. Tiene plásmidos de resistencia, como por ejemplo a antibióticos y metales pesados. Esta bacteria presenta potentes endotoxinas inhibidoras de la síntesis proteica. Es una bacteria común en suelos y frecuente en zonas húmedas de la piel y en heces del 10% de la población sana.Es el patógeno responsable de diversas infecciones como por ejemplo: afecciones de la piel, uñas y quemaduras; septicemias (con un 10% de mortalidad); infecciones específicas (otitis, oculares, orina); infecciones oportunistas en inmunodeprimidos; y fibrosis quística.Presenta un genoma grande y complejo (6,3 M dpb).Degrada sustancias “refráctiles” debido a que tiene plásmidos que codifican monooxigenasas como el tolueno, naftaleno, alcanfor y ácido salicílico.

Pseudomona fluorescens.No produce piocianina pero si fluorescencia. Es una bacteria que no crece bien a 37 ºC, crece a 4 ºC y degrada lípidos y proteínas. Es ocasionalmente un patógeno en animales y está implicado en el deterioro de la leche, huevos, carne, marisco y productos industriales (refrigerados).

Pseudomona syringae.Es un patógeno de plantas, raramente se encuentra en el suelo. Genera clorosis y necrosis en las hojas. Sus mecanismos de acción son encimas líticos y toxinas para la planta.

Género Neisseria.

El género Neisseria contiene cocos gramnegativos, aerobios e inmóviles, que suelen encontrarse en parejas con las caras adyacentes aplanadas. Pueden tener cápsulas y fimbrias. El género es quimioorganótrofo, oxidasa positivo y casi siempre catalasa positivo. Las especies habitan en las mucosas de los mamíferos, y algunas son patógenas para el ser humano. Son difíciles de cultivar porque presentan requerimientos nutritivos exigentes. Normalmente se cultivan en Agar Sangre. Neisseria gonorrhoeae es el agente causal de la gonorrea y, Neisseria meningitidis es el responsable de algunos casos de meningitis bacterianas.

Neisseria gonorrhoeae.Causante de la gonorrea y transmisible por vía sexual. Tiene una morfología específica de gonococo, parecida a granos de café. Es específico de la mucosa uretral tanto masculina como femenina. Presenta abundantes pili que facilitan la adherencia. El reservorio único es la especie humana. Es sensible a la penicilina. El 10% de los hombres y el 50% de las mujeres son asintomáticos. La prevención en neonatos de la oftalmia de origen venéreo (gonorrea y sífilis) se hace con AgNO3 al 1%.

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Neisseria meningitidis.Causante de la meningitis o infección de las meninges. Tiene una morfología específica de meningococo. La transmisión se produce por las vías respiratorias superiores. La adherencia se debe a las cápsulas. Su localización es la nasofaringe, a veces resulta ser asintomático. El diagnóstico se lleva a cabo con punción lumbar y extracción del líquido espinal, observación microscópica y serodiagnóstico. El tratamiento es de rifampicina o minociclina. La prevención se da con la vacunación infantil.

Enfermedad de los legionarios.

En 1976, se acuñó el término enfermedad de los legionarios, o legionelosis, para describir un brote de neumonía que se produjo en la Convención de la Legión Americana del Estado de Pensilvana, que tuvo lugar en Filadelfia, EEUU. La bacteria responsable del brote fue descrita como Legionella pneumophila, un bacilo gramnegativo aerobio con flagelación polar, exigente en cuanto a su nutrición, ya que es heterótrofo con requerimientos complejos de aminoácidos, hierro y cisteína. Crece en un amplio rango de caracteres físico-químicos; una temperatura entre los 10 y 60 ºC, un pH entre 5 y 8,5, y una cantidad de O2 entre 0,2 y 21%. Es una bacteria acuática presente en medios naturales como aguas dulces y en medios artificiales como sistemas de refrigeración y agua caliente sanitaria, duchas. Su reservorio natural es en biofilms y protozoos de los sistemas acuáticos (multiplicación intracelular).Su transmisión se produce, cuando la bacteria patógena se multiplica dentro de protozoos o biofilms en un biotopo adecuado, se forman aerosoles contaminados de dicha bacteria y el ser humano los inhala.

Las necesidades del nitrógeno.

Los animales requieren nitrógeno orgánico, mientras que, las plantas lo requieren inorgánico combinado.Los elementos limitantes de la biomasa son nitrógeno y fósforo: el nitrógeno limita por inaccesibilidad molecular, y el fósforo limita por escasez.La biosfera tiene la reserva de nitrógeno elemental de la atmósfera..El nitrógeno es necesario para sintetizar aminoácidos, purinas, pirimidinas, algunos hidratos de carbono y lípidos, y otras sustancias. Muchos microorganismos pueden emplear el nitrógeno en aminoácidos y, a menudo, incorporar directamente el amonio por medio de enzimas, como glutamato deshidrogenasa o glutamina sintetasa. La mayoría de los microorganismos fotótrofos y muchos no fotosintéticos reducen nitrato a amonio, incorporándolo mediante la reducción asimilatoria de nitrato. Numerosas bacterias (por ejemplo muchas cianobacterias y la bacteria simbiótica Rhizobium) pueden reducir y asimilar el nitrógeno atmosférico mediante el sistema de la nitrogenasa.

Características de la nitrogenasa.- Gran consumo energético (60 kcal/mol NH3).- Cofactor con Fe y Mo: centro de reducción.- Se reprime con NH4

+.- El oxígeno la inactiva irreversiblemente.- Baja especificidad, también reduce al:

o H+ + 2e- → H2.

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o Acetileno, diimida, hidracina, cianuro.- Fuentes de poder reductor: piruvato (ferredoxina oxidoreductasa).- Hidrogenasas.- NADH2/NADPH2.- Transporte de electrones reverso.

Procariotas fijadoras de nitrógeno.

- Aaerobios: Azobacter, Azospirillum.- Facultativos: Klebsiella pneumoniae.- Anaerobios: Clostridium pasteurianum.- Fotótrofos: cianobacterias y bacterias.- Simbiontes: Rhizobium (leguminosas), Frankia (hojas coníferas).

Rhizobium.Se trata de un bacilo gramnegativo, que habita en los suelos formando nódulos simbiontes en las raíces de las leguminosas. Presenta una alta especificidad de género, especie y cepa, y es imprescindible en la producción de leguminosas, ya que enriquece los suelos y tiene inóculos específicos, gracias a su fijación de nitrógeno en los nódulos mediante la nitrogenasa.

Agrobacterium.Se trata de un bacilo gramnegativo, que habita en los suelos y forma tumores malignos, llamados “agallas”, en las raíces de diversas plantas. La formación del tumor está asociada al plásmido Ti. Un fragmento de este plásmido Ti cruza un canal conjuntivo y se integra en el genoma de la célula vegetal. Este fragmento produce “opinas”, aminoácidos requeridos por Agrobacterium, y fitohormonas de crecimiento. Podríamos decir, que genética y fenotípicamente es muy parecido a Rhizobium.

Bacterias intestinales.

En las heces de los vertebrados de sangre caliente podemos encontrar un total de 1011-12

bacterias por gramo de heces, de las cuales, el 95 % son anaerobias estrictas (bacterias lácticas, bacteroides, clostridios) y el 5% son facultativos (grupo entérico: f. Enterobacteriaceas, f. Vibrionaceas).

Grupo entérico.

El grupo entérico está formado por cocobacilos o vibrios gramnegativos. Presentan un metabolismo fermentativo facultativo, crecen en medio sencillos y su hábitat suele ser en el tracto intestinal de vertebrados, en aguas dulces o marinas, en suelos y sedimentos, y también como patógenos de plantas, animales y el hombre.Es un grupo genéticamente muy homogéneo, con especies muy similares, las cuales han colonizado el intestino por vía oral o a partir de aguas dulces y suelos, y recolonizado suelos y aguas a través de las heces.

Dentro de este grupo tenemos dos familias, las Enterobacteriaceas y las Vibrionaceas

Respecto a los modelos fermentativos del grupo entérico, podemos decir que fermentan azúcares por la vía Embden-Meyerhof-Parnas (glucólisis); producen ácido, en particular

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ácido fórmico, el cual a veces no se acumula porque se degrada a CO2 + H2 debido a la deshidrogenasa fórmica; y podemos citar dos grandes modelos fermentativos: la fermentación ácido mixta y la fermentación butanodiólica o butilenglicólica.

Familia Enterobacteriaceas.

La familia Enterobacteriaceae contiene bacilos gramnegativos anaerobios facultativos rectos, inmóviles o con flagelos perítricos, con necesidades nutricionales sencillas. Las propiedades metabólicas de las Enterobacteriaceae son muy útiles para caracterizar sus géneros constituyentes. Los miembros de esta familia, a menudo denominados enterobacterias o bacterias entéricas, degradan azúcares mediante la ruta de Embden-Meyerhof y escinden el ácido pirúvico para producir ácido fórmico en fermentaciones del ácido fórmico. Las bacterias entéricas que producen grandes cantidades de gas durante la fermentación del azúcar, como las especies de Escherichia, tienen el complejo hidrogenilasa fórmica que degrada el ácido fórmico a CO2 + H2. Esta familia puede dividirse en dos grupos, en función de sus productos de fermentación. La mayoría (por ejemplo Escherichia, Proteus, Salmonella y Shigella) llevan a cabo una fermentación ácido mixta y producen principalmente lactato, acetato, succinato, formato (o CO2 + H2) y etanol. En la fermentación butanodiólica los productos principales son butan, etanol y dióxido de carbono. Enterobacter, Serratia, Erwinia y Klebsiella son fermentadores butanodiólicos. Estos dos tipos de fermentación se distingues por las pruebas de rojo de metilo y Voges-Proskauer.

Escherichia colli.Es la bacteria mejor estudiada y el microorganismo de experimentación de elección de muchos microbiólogos. Es un importante residente del colon de los seres humanos y de otros animales de sangre caliente, y resulta bastante útil en el análisis del agua para determinar si existe contaminación fecal.Presenta flagelación perítrica, es ácido y gas lactosa a 44ºC, y en las pruebas IMViC da positivo para las dos primeras y negativo para las dos últimas.La E.colli desempeña funciones nutricionales en el intestino ya que, sintetiza vitaminas (en particular la K), al ser facultativo mantiene la anaerobiosis intestinal, y degrada todo tipo de sustratos.Ahora bien, algunas cepas de esta bacteria son patógenas. Puede provocar enfermedades tales como:

- Enfermedades intestinales: E.colli enteropatogénica, transmitidas por consumo de aguas o alimentos contaminados fecalmente, dando así diarreas enterotóxicas u entero-hemorragias en el caso de la E.colli o157:H7, la cual produce toxinas como Shiga-like o AB.

- Enfermedades extra-intestinales: infecciones del trato urinario (uropatógena) por fimbrias adhesivas, y infecciones diversas como peritonitis, o respiratorias.

Salmonella.Se trata de un enteropatógeno primario. Presenta una dosis de infección baja, tan solo con 15-20 bacterias podríamos desarrollar la enfermedad. La transmisión puede producirse por la ingestión de aguas y alimentos contaminados fecalmente.Podemos ser infectados por Salmonella typhi, la cual produce las fiebres tifoideas; o por Salmonella enteritidis, que produce gastroenteritis. También puede haber portadores sanos, individuos con 106-109 bacterias de este género, por gramo de heces, que no manifiestan los síntomas pero que si transmiten la contaminación y la enfermedad.

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Shigella.Se trata de un enteropatógeno primario muy similar a E.colli (70-100% de DNA homología). Su dosis de infección es muy baja, unas 10 bacterias. La enfermedad que provoca Shigella es la disentería bacilar (gastroenteritis). El mecanismo que utiliza para infectar es la invasión del tejido epitelial del intestino y la producción de endotoxinas y neurotoxinas. Se puede transmitir a través de aguas contaminadas fecalmente.

Yersinia.Se trata de un enteropatógeno primario responsable de tres enfermedades:

- Y. pestis: peste bubónica o peste negra., de dosis de infección baja, entre unas 15-20 bacterias. Su transmisión se debe a través de insectos vectores, como pulgas, y los roedores infectados y afectados son su reservorio.

- Y. enterocolítica: enteropatógeno que se transmite a través del agua y alimentos.

Enterobacter aerogenes.Se trata de una bacteria que no es un patógeno, es ocasionalmente nosocomial; que habita en suelos y aguas; y negativo en las fecalometrías.

Klebsiella pneumoniae.Se trata de una bacteria causante de la neumonía (ya que presenta cápsulas) y su habitad es en aguas, suelos, heces y vías respiratorias.

Serratia marcensens.Esta bacteria presenta un pigmento rojo llamado “prodigiosina”, habita en aguas y suelos, y a partir de 1960 se considera un patógeno nosocomial.

Familia Vibrionaceas.

Los miembros de esta familia son bacilos gramnegativos, rectos o curvados, con flagelos polares. La mayoría son oxidasa positivos y todos utilizan D-glucosa como única o principal fuente de carbono y de energía. La mayoría son microorganismos acuáticos ampliamente distribuidos en el agua dulce y el mar. En esta familia existen seis géneros: Vibrio, Photobacterium, Enhydrobacter, Salinivibrio, Listonella y Allomonas. Algunos vibrios son patógenos importantes.

Vibrio cholerae.Es el agente causante del cólera asiático. Desde 1817 ha habido 8 pandemias que extendieron la enfermedad por todo el globo; 6 de éstas fueron causadas por V. cholerae. La séptima en 1961 fue causada por el biotipo V. cholerae ElTor. En Barcelona hubo un brote en 1968. La octava, en 1992, fue causada por el serotipo 0139; en 1997 en Ruanda se dieron 40.000 muertes. El reservorio de esta bacteria son los humanos afectados, copépodos, cianobacterias, moluscos y cangrejos, y los biofilms en aguas. Su transmisión se produce a través del agua y alimentos crudos como el marisco.

Ahora bien, el mecanismo de virulencia que lleva a cabo es una exotoxina colérica constituida por dos péptidos. El “pili” que se fija al epitelio y facilita la entrada del segundo, y el segundo aumenta el AMPc intracelular. La toxina estimula la secreción de HCl, y éste provoca diarrea de agua y electrolitos (aspecto de agua de arroz). La muerte

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se da a las 48 horas debido a la deshidratación; así bien, la terapia es la hidratación oral e intravenosa con electrolitos.Bacilos Gram+ de Baja concentración G+C 22 y 55%.

Son bacilos heterótrofos, aerobios, facultativos o anaerobios. Tenemos dos clases:- Clostridia.- Bacilli: Bacillus y Lactobacillus.

Habitan en suelos, sedimentos y heces, y existen especies patógenas del hombre y animales.

Algunos forman endosporas:- Formas de anabiosis o criptobiosis.- Termoresistentes (mínimo 80ºC, 2-10 min).- Resistencia a la desecación (40 M años en ámbar fosil).- Resistencia a la congelación, radiaciones y biocidas.

Las endosporas bacterianas.

Las endosporas se desarrollan dentro de células bacterias vegetativas de varios géneros: Bacillus y Clostridium (bacilos), Sporosarcina (cocos), entre otros. Estas estructuras son extraordinariamente resistentes a situaciones ambientales estresantes, como calor, radiación ultravioleta, desinfectantes químicos y desecación. De hecho, algunas endosporas han permanecido viables durante más de 5000 años, habiéndose recuperado esporas vivas de actinomicetos, después de haber estado enterradas bajo el barro durante 7500 años (aunque existen ejemplos de criptobiosis más prolongados). Debido a su resistencia y al hecho de que varias especies de bacterias formadoras de endosporas son agentes patógenos peligrosos, las endosporas tienen una gran importancia en la microbiología alimentaria, industrial y médica. El ambiente, las endosporas permiten la supervivencia de las bacterias cuando la humedad o los nutrientes son escasos.

La formación de esporas, esporogénesis o esporulación, comienza normalmente cuando cesa el crecimiento debido a una falta de nutrientes. Se induce con la falta de carbono o nitrógeno. Es un proceso especial de la división celular asimétrica. Su germinación es la conversión de la espora en célula vegetativa. Ésta se activa con medios favorables y hidratación, choques térmicos subletales (65-110 ºC, fundamento de la Pasteurización), y durante la germinación se producen antibióticos, péptidos cíclicos de 1400 Daltons (no ribosómicos) como la Gramicidina, Tirocidina y Polimixina, Baritracina y Microbacilina.

Las endosporas son redondas y ovales. Su posición puede ser Terminal, subterminal o central; y su esporangio normal o hinchado. Presentan:

- Ultraestructura multilaminaro Exospórium: lipoproteínas con 20% azúcares.o Cubierta externa: proteínas hidrofóbicas (mucha cisteína).o Córtex: peptidoglicano laxo (estructura refringente).o Protoplasto altamente deshidratado.

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Dipicolinato cálcico (5-12% del peso seco celular). Pequeñas proteínas acidosolubles.

Género Clostridium.

Se trata de bacilos grampositivos anaeróbicos, fermentadores de azúcares y/o aminoácidos. En este género, se consideran formadores de endosporas; algunos de ellos son importantes patógenos del hombre, otro se usan para la industria, y su hábitat mas frecuente es el suelo.

Clostridium botullinum.Es un patógeno humano y animal, responsable del botulismo por ingestión de alimentos con la toxina botulínica. Ésta, se considera una exoneurotoxina inhibidora de la transmisión sináptica. Está codificado por un fago lisógeno, es termoresistente (100 ºC, 10 min); muy potente, ya que 1µg mata 2.105 ratones o 1 hombre. Los animales salvajes y el ganado son su reservorio, y los enlatados de carne o pescado y la miel en lactantes son productos de riesgo.

Clostridium tetani.Es un patógeno humano y animal, responsable del tetanos o rigidez muscular. Su transmisión se produce por contacto directo de heridas con polvo o heces de animales.

Habita en suelos y heces de animales salvajes o de granja. Para el C.tetani está la vacuna antitetánica, dentro de las vacunas obligatorias: DTP (Difteria Tetanus Pertusis), y su virulencia se debe a las exoneurotoxinas: tetanospasmia (exoneurotoxina inhibidora de la transmisión sináptica) y la tetanolisina (hemolisa: destrucción tisular).

C. perfringens (70%), C. novyi y C. septicum (30%).Son los responsables de la gangrena gaseosa o mionecrosis. Habitan en el suelo o intestino humano normal. Se transmiten a través de la contaminación de heridas con suelo o heces. Es más frecuente en heridas de guerra, accidentes de automóvil, congelaciones y abortos. Su virulencia está basada en varios mecanismos: en la proliferación, invasión y destrucción del tejido muscular; y en la necrosis generalizada por toxina alfa, enzimas degradadores y productos tóxicos.

C. perfringens es el responsable de toxi-infecciones alimentarias. Es un indicador fecalométrico remoto o tardío: la espora es el indicador que mas perdura, no se encuentra en aguas superficiales, se localiza en sedimentos, y hay una técnica muy selectiva (calentamiento a 80 ºC, 10 min).

Género Bacillus.

Se trata de un bacilo grande, grampositivo y de flagelación perítrica. Es heterótrofo, aerobio o facultativo. Las especies no patógenas serían:

- B. subtilis: aerobio estricto, típico de suelos.- B. megaterium: aerobio, típico de suelos.- B. stearothermophillus: el más termoresistente. Se usan sus esporas en control

de autoclaves, y sobrevive a 110 ºC, muere a 121 ºC.Las especies patógenas son las siguientes.

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Bacillus anthracis.Es un patógeno humano y animal, responsable del carbunco, más conocido como ántrax, utilizado en bioterrorismo. Su reservorio son bueyes, ovejas, cabras y caballos.Hay carbunco cutáneo por contacto directo de la piel, carbunco pulmonar por inhalación (enfermedad de los clasificadores de lana y antiguos colchoneros) y el carbunco intestinal. Puede ser mortal en caso de septicemia, su virulencia se debe a exotoxinas plasmídicas, y cápsulas que impiden la fagocitosis.

Bacillus thuringensis.Es un patógeno de insectos como lepidópteros, dípteros y coleópteros. Su virulencia se debe a una toxina paralizante y necrosante, y se transmite a través de la ingestión de la toxina o la bacteria. Esta toxina esta formada por cuerpos paraesporales cristalinos bipiramidales (que contienen toxinas proteicas letales) y 50 proteínas diferentes de 70-130 kDa.Se usa en la producción de bioinsecticidas, ya que presenta ventajas sobre los insecticidas químicos: son biodegradables y no se acumulan, son más específicos a nivel de plaga y tipo, no general resistencias y se utilizan en plantas transgénicas (GMO’s); su único inconveniente es el precio.

Bacterias con tendencia a la filamentación. Actinomicetales. Bacterias Gram+ con alto contenido en G+C.

Sus características generales es que son grampositivas, heterótrofos y aerobios o facultativos. Crecen en la superficie y dentro de los medios sólidos. Entre el 53 y el 79% de G+C, tienen formas como cocos, bacilos y filamentos (hifas). Las hifas ramifican y forman masas llamadas micelios, algunas especies forman esporas (conidios).Son muy abundantes en suelos (degradadores) y producen la mayor parte de los antibióticos naturales. Se consideran patógenas para el hombre, animales y plantas.

Género Micrococcus.

Son cocos agrupados en parejas o irregularmente; aerobios y catalasa positivos. Las colonias que forman son amarillas, naranjas o rojas. Habitan en suelos, aguas y en la piel del hombre y animales. Son saprófitos habituales de las mucosas (muy habituales en la boca) y habitualmente no actúan como patógenos.

Género Corynebacterium. Se tratan de bacilos rectos o curvados y en forma de maza. Forman agrupaciones en “empalizada” o letras chinas, son aerobios o facultativos y catalasa positivos. Saprófitos en mucosas. Algunas especies patógenas de plantas y animales.

Corynebacterium diphteriae.Causante de la difteria en humanos. Su contagio es a través del aire por secreciones nasofaríngeas. Las cepas virulentas portan el profago beta, los cuales llevan el gen tox que codifica la toxina diftérica, provocando una respuesta inflamatoria y formación de una pseudomembrana grisácea en la mucosa respiratoria. La toxina difunde el sistema circulatorio y provoca destrucción de tejidos por inhibición de la síntesis proteica. La muerte puede provenir por asfixia y destrucción de tejidos.

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Género Mycobacterium.

Son bacilos rectos o curvados y formas cocoides, a veces se forman filamentos cortos ramificados. Son inmóviles, no esporulados, no capsulados, aerobios estrictos y catalasa positivos, con exigencias nutritivas variables: crecimiento rápido en medios ordinarios y crecimiento lento en medios especiales; no podemos cultivarlo “in vitro”. Son de crecimiento lento, de unos 7-12 días. Además, poseen una estructura de pared particular, diferente de todas las otras bacterias.

Estructura de la pared.

Se trata de una pared rica en lípidos (30-40 % del peso seco de la pared). Presenta lípidos complejos, como glicolípidos y micosidos, ácidos grasos ramificados de cadena larga (ácidos micólicos), arabinogalactano y una capa delgada de peptidoglucano. Esta pared les confiere propiedades biológicas características.

Son Ácido Alcohol-Resistentes (Ziehl Neelsen), presentan mayor resistencia a agentes químicos. Producen antibióticos especiales. Presentan carácter hidrofóbico de las células.Su relación huésped-parásito: los lípidos tienen relación la virulencia que presentan, influyen sobre la respuesta inmune, y tienen capacidad de persistencia en el interior de los macrófagos.

Persistencia intracelular.

Las bacterias con capacidad de persistencia intracelular pueden escapar a la acción de los enzimas hidrolíticos del fagosoma: escapar del fagosoma y multiplicarse intracitoplasmáticamente, impidiendo la formación del fagolisoma y la multiplicación de este último.

Es un grupo muy importante de microorganismos en patología infecciosa. Se incluyen los agentes causales de la tuberculosis y la lepra. También incluyen un amplio grupo de microorganismos del medio ambiente que pueden producir infecciones oportunistas.Mycobacterium tuberculosis.

Es el agente causal de la tuberculosis humana. La incidencia de la tuberculosis ha disminuido durante las primeras décadas del siglo XX. En los 80 se observa un aumento en la incidencia de casos. Unos 2000 millones de personas están infectadas y 3 millones mueren anualmente, hay 8 millones de casos por año, el 95% en los países subdesarrollados.

Consideramos la primoinfección como la llegada del bacilo a una zona bien ventilada del pulmón y depósito en la luz alveolar, la curación, el paso a ganglios tráqueo-bronquiales y la diseminación hematógena (zona apical del pulmón, huesos, riñones, meninges y piel donde quedan latentes) que se considera la tuberculosis primaria.

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Una lesión primaria puede reactivarse y causar los síntomas clínicos. El riesgo de la tuberculosis después de la primoinfección en el primer año es del 10%. Un total del 5 al 15% desarrollan la enfermedad en los 5 primeros años y el otro 3-5% durante el resto de la vida.En la infección tuberculosa, la mayoría de individuos cuando entran en contacto por primera vez no desarrollan síntomas de la enfermedad. La enfermedad tuberculosa es cuando aparecen signos y síntomas de enfermedad en un infectado.

La tuberculosis de reactivación es cuando los bacilos latentes son capaces de superar las defensas del organismo (semanas o años después) y provocan una enfermedad clínica por exacerbación endógena.

La tuberculosis pulmonar da febrícula, astenia, anorexia y pérdida de peso, tos seca, expectoración y hemoptisis. En rayos X podemos ver el infiltrado generalmente en el lóbulo superior pulmonar, y las cavernas tuberculosas.

Un diagnóstico rápido y fiable de la tuberculosis constituye un elemento fundamental en las medidas de control de la enfermedad. Los métodos microbiológicos de referencia en el diagnóstico de la tuberculosis

continúan siendo el examen microscópico, cultivo y aislamiento de M. tuberculosis y la detección de sus ácidos nucleicos.

La microscopía es rápida y económica, existe una monitorización del tratamiento, de baja sensibilidad, detecta bacilos viables y no viables, y de sensibilidad reducida en muestras extrapulmonares.

Los métodos manuales son el de Lowestein-Jensen y el de Middlebrook; y los automáticos: MB Bac/T, Bactec 460, MGIT.

Los métodos moleculares no son económicos, requiere equipamiento especializado y personal con experiencia, y no son métodos que puedan ser ampliamente utilizados.

El objetivo del tratamiento es destruir todos los bacilos del organismos, las poblaciones micobacterianas son extracelulares, intracelulares (crecimiento lento a pH ácido) y de zona de caseificación (anaerobiosis, crecimiento intermitente a pH neutro). Se trata de un tratamiento prolongado, ya que se deben destruir los bacilos latentes; se presentan resistencias naturales, y existe el riesgo de que provocar una resistencia adquirida. La asociación de fármacos es un arsenal reducido pero muy eficaz formado por Rifampicina (actúa en la zona de caseificación), Isoniacida (destruye rápidamente la población extracelular), Pirazinamida (presenta actividad intracelular), Etambutol, Estreptomicina. La pauta a seguir es de 6 meses, los dos primeros con Isoniacida, Rifampicina y Pirazinamida, y los 4 siguientes con Isoniacida y Rifampicina.

Las personas infectadas con el microorganismo latente presentan un peligro potencial de nuevos casos de tuberculosis. La única manera de controlar la tuberculosis es interrumpir la cadena de infección. Se requieren métodos diagnósticos para la detección de pacientes con el bacilo latente.

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La tuberculina (TST) es una prueba de intradermoreacción que permite la detección de individuos infectados, evitando así el paso de infección a enfermedad y rompiendo la cadena de transmisión. Esta prueba evalúa la hipersensibilidad retardada que determinados compuestos antigénicos del bacilo provocan en el infectado. La tuberculina se obtiene del filtrado del cultivo de M. tuberculosis esterilizado y concentrado. Actualmente está constituido por un derivado proteico purificado (PPD).La reacción positiva nos informa de que existe infección o enfermedad activa. Un inmunodeprimido infectado o enfermo puede tener una reacción falsamente negativa. Hay un periodo de incubación y defectos en las técnicas de administración.

En la profilaxis se rompe la cadena de transmisión con el diagnóstico y el tratamiento rápido, y a los 20 días de iniciar el tratamiento se deja de ser contagiante; y además, se evita el paso de infección a enfermedad: quimioprofilaxis.

Género Streptomyces.

Se trata de una bacteria filamentosa, ramificada. Forman conidios, es decir, exosporas (3-50 por filamento). Es un género con más de 500 especies. Muy abundantes en el suelo, hasta 20% de las bacterias cultivables. Son los responsables del olor a tierra mojada (geosmina). Son grandes degradadores de materia orgánica, principales productores de antibióticos y patógenos ocasionales de animales y plantas.

Arqueobacterias.

Como grupo, Archaea, o las arqueobacterias, es bastante variado, tanto en su morfología como en su fisiología. Pueden ser gramnegativas o grampositivas y tener forma esférica, bacilar, espiral, lobulada, laminada, irregular o pleomórfica. Algunas son células únicas, mientras que otras forman filamentos o agregados. Su diámetro varía desde 0,1 a más de 15µm, y algunos filamentos pueden alcanzar 200 µm de longitud. La multiplicación puede realizarse por fisión binaria, gemación, fragmentación y otros mecanismos. Las arqueobacterias son igualmente variadas desde el punto de vista fisiológico. Pueden ser aerobias, anaerobias facultativas o anaerobias estrictas. Desde el punto de vista de la nutrición, varían desde quimiolitoautotrófas hasta organotrofas. Algunas son mesófilas; otras son hipertermófilas capaces de crecer a temperaturas superiores a 100 ºC.Las arqueobacterias se encuentran a menudo en hábitats acuáticos y terrestres extremos. Con frecuencia están presentes en medios anaeróbicos, hipersalinos o de altas temperaturas. Recientemente se han descubierto arqueobacterias también en medios fríos. Parecen componer el 34% de la biomasa procariota en las aguas costeras superficiales del Antártico. Algunas son simbiontes en los sistemas digestivos animales.

Paredes celulares de Archaea.

Aunque las arqueobacterias pueden ser tanto grampositivas como gramnegativas, la estructura y la composición química de su pared difiere de las eubacterias. Muchas arqueobacterias grampositivas tienen una pared con una gruesa capa homogénea única como las eubacterias grampositivas. Las arqueobacterias gramnegativas carecen de la membrana externa y de la compleja red o sáculo de peptidoglucano de las eubacterias

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gramnegativas. En cambio suelen tener una capa superficial de subunidades proteicas o glucoproteínas.La composición química de las paredes celulares de las arqueobacterias es también bastante diferente de la de las eubacterias. Ninguna contiene el ácido murámico y los D-aminoácidos característicos del peptidoglucano de eubacterias. Por ello, no es sorprendente que todas las arqueobacterias resistan el ataque de las lisozimas y los antibióticos β-lactámicos como la penicilina. Las paredes de Methanobacterium y de algunos otros metanógenos contienen pseudomureína, un polímero similar al peptidoglucano con L-aminoácidos en sus enlaces cruzados, ácido N-acetiltalosamurónico en vez de ácido N-acetilmurámico, y enlaces glucosídicos en β(1→ 3) en vez de β(1→ 4).

La membrana de las arqueobacterias es muy característica; los lípidos de la membrana celular están formados por esterificaciones tipo éter en lugar de éster. Forman bicapas y/o monocapas.

Las arqueobacterias están ampliamente distribuidas, especialmente en hábitats extremos: termófilos, halófilos, metanógenos.

Dentro del grupo de las arqueobacterias tenemos los metanógenos: anaerobios estrictos productores de metano. Habitan en rumen, intestino, fangos activados, suelos y sedimentos. Algunos ejemplos son el Methanococcus y el Methanobacterium. Los sustratos que necesitan son CO2, CO, metanol, acetato, etc. Sus coenzimas propios son: CoM, CoF-420.

Las halobacterias extremas, son aerobios que requieres NaCl en concentraciones superiores a 1,5 M. Habitan en zonas hipersalinas, como las salinas, el mar Muerto, lagos salados, salazones… Contienen plásmidos muy grandes. Un ejemplo de este tipo de arqueobacteria sería el Halobacterium, el cual contiene pigmentos tipo rodopsina. En anaerobiosis produce bacteriorodopsina con retinol y produce una fotosíntesis simple.

Los termófilos extremos, son aerobios, facultativos o anaerobios. Su temperatura óptima de crecimiento es entre los 70 ºC y los 110 ºC. habitan en fuentes termales polares o marinas, sulfataras, géiseres y volcanes; algunos ejemplos serían Sulfolobus y Thermoproteus.

Virus.

Se detectaron en el siglo XIX, 50 años antes de la aparición del microscopio electrónico, por deducción a partir de sus efectos. En 1884, con elementos filtrables, Pasteur descubrió la rabia; en 1886, también con elementos filtrables, Mayer estudió el virus del mosaico del tabaco. Hacia 1915 y 1917, Twort y Herelle, dieron el concepto de bacteriófagos. Fue en 1930’s Stanley, descubrió la composición química sencilla, proteínas y ácidos nucleicos. Al fin, en 1942, se obtuvieron las primeras fotografías al microscopio electrónico.

Los virus son partículas infecciosas acelulares muy pequeñas, de entre unos 20-300 nm, de composición química simple (proteína más ácido nucleico), requieren una célula huésped para multiplicarse, y pueden infectar tanto a animales, plantas como procariotas.

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Al ser de tamaño reducido, pueden pasar filtros que retienen a otras bacterias; es decir, pasan 0,2µ y se retienen en 0,01 µ. Son parásitos intracelulares obligados, solo se pueden reproducir intracelularmente, las formas inactivas, viriones, sobreviven fuera de la célula. Presentan una organización única: un ácido nucleico envuelto por proteína o lipoproteína, sin metabolismo

intermediario, con un mecanismo de replicación único para la síntesis de componentes, ensamblaje y sin ningún crecimiento progresivo.

Hay varios tipos de infecciones víricas:- Agudas: producen una enfermedad con síntomas típicos y de desarrollo rápido.

Un ejemplo sería el virus de la gripe.- Latentes: el virus permanece en equilibrio con el huésped durante años; durante

ese período no hay enfermedad ni síntomas. Más tarde, se desencadena la sintomatología por agente externo. Un ejemplo sería el herpes labial, desencadenado por fiebre, quemaduras, sol…

- Lentas: desarrollo de la enfermedad progresivo, con afección larga. Un ejemplo seria la hepatitis.

Virus y cáncer.

Los virus son agentes causales de tumores benignos o malignos (cánceres) tanto en animales como en el hombre. El cáncer es una de las enfermedades más graves y objeto de interés e investigación sustancial. Un tumor es un crecimiento o bulto de tejido debido a neoplasia o crecimiento y reproducción de células nuevas anormales causado por una pérdida de regulación. Las células tumorales tienen formas aberrantes y membranas plasmáticas alteradas que contienen antígenos tumorales característicos. Pueden invadir los tejidos adyacentes para formar masas celulares desorganizadas. A menudo pierden las actividades metabólicas características de las células tisulares diferenciadas y dependen en gran media del metabolismo anaeróbico. Esta regresión a un estado primitivo o menos diferenciado se denomina anaplasia.Existen dos tipos principales de tumores con respecto a la forma o patrón de crecimiento global. Si las células tumorales permanecen en el mismo lugar y forman una masa compacta, el tumor es benigno. Por el contrario, las céulas tumorales malignas o cancerosas pueden diseminarse de forma activa por todo el cuerpo en un proceso

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conocido como metástasis, a menudo circulando por la sangre y estableciendo tumores secundarios. Algunos ejemplos de cánceres humanos víricos son:

- Linfoma de Burkitt: virus Epstein-Barr.- Carcinoma nasofaríngeo: virus Epstein-Barr.- Carcinoma hepatocelular: virus hepatitis B.- Cirrosis hepática que deriva al hepatocarcinoma: virus de la hepatitis C.- Sarcoma de Karpossi: herpes virus 8 humano.- Cáncer de cuello uterino: virus del papiloma humano.- Dos tipos de leucemia: HTLV-1 (células T) y la HTLV-2 (células peludas).

Viroides y priones.

Aunque algunos virus son extremadamente pequeños y simples, existen agentes infecciosos aún más sencillos. Alrededor de 16 enfermedades diferentes de las plantas, como la enfermedad del tubérculo filiforme de la patata, la exocortis de los cítricos y el enanismo del crisantemo, están causadas por un grupo de agentes infeccioso que reciben el nombre de viroides. Se trata de organismos de RNA circular monocatenario de unos 250 a 370 nucleótidos de longitud, que pueden transmitirse entre plantas por medios mecánicos o por el polen y los óvulos, que se replican en sus huéspedes. El RNA monocatenario existe normalmente como un círculo cerrado colapsado en forma de bastón por un apareamiento de bases intracatenario. Los viroides se localizan principalmente en el nucléolo de las células infectadas; puede haber entre 200 y 10.000 copias. No actúan como mRNA para dirigir la síntesis proteica, y todavía no se sabe cómo causan los síntomas. El origen hipotético es que son fragmentos de mRNA de expresión anómala. Su dosis de infección es baja, tan solo 10 moléculas. Los viroides no presentan cápside.

Existen pruebas que indican que un agente infeccioso diferente de los viroides y los virus es capaz de causar enfermedades en el ganado y en los seres humanos. Este agente ha recibido el nombre de prión (partícula proteinácea infecciosa). El prión mejor estudiado provoca un trastorno degenerativo del sistema nervioso central de cabras y ovejas que recibe el nombre de prurito lumbar (scrapie). Los animales afectados pierden la coordinación de los movimientos, tienen a rascarse o frotarse la piel, y finalmente les es imposible caminar. Este agente ha sido purificado al menos en parte, y todavía no se ha detectado ácido nucleico alguno en él. Parece ser una proteína hidrófoba de membrana de 33 a 35 kDa, a menudo denominada PrP (proteína criónica). El gen PrP está presente en muchos vertebrados e invertebrados normales, y la proteína criónica se une a la superficie de las neuronas. Cabe suponer que una PrP alterada es al menos parcialmente responsable de esta enfermedad.

Al entrar la PrP anormal en un encéfalo normal, podría unirse a la PrP normal e inducir su plegamiento para adoptar la conformación anormal. La molécula anormal recién formada podría entonces atacar a otras proteínas PrP normales. La PrP podría activar enzimas que modificaran la estructura de la PrP

Por lo tanto, los priones son los causantes de enfermedades mortales del sistema nervioso central. Por el momento no hay ningún tratamiento, sólo prevención. Los priones son altamente resistentes a proteasas, autoclavado a 121 ºC, 1 bar, y biocidas y

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radiaciones. Su eliminación se lleva a cabo con incineración, altas presiones (300-1000 MPa a temperatura ambiente), hidrólisis ácida o alcalina (poco fiable).Las enfermedades que producen son diversas en humanos y animales:

- Creutzfeldt-Jakob y Kuru en humanos.- Scrapie en ovejas.- Creutzfeldt-Jakob (nueva variante) en humanos infectado por el consumo de

vacas infectadas.- Encefalopatía espongiforme bovina (vacas locas).

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