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1.6: Principios Básicos de Microbiología

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    Objetivos de aprendizaje

    • Describir la nomenclatura que se utiliza para clasificar microorganismos
    • Evaluar el crecimiento de microorganismos
    • Evaluar la estructura de microorganismos
    • Describir la clasificación de microorganismos

    Los microorganismos son seres vivos diminutos que son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista. El grupo incluye bacterias, hongos, protozoos y algas microscópicas. También incluye virus. La mayoría de los microorganismos ayudan a mantener el equilibrio de organismos vivos y químicos en el medio ambiente. Los microorganismos marinos y de agua dulce forman la base de la cadena alimentaria en océanos, lagos y ríos. Los microbios del suelo ayudan a descomponer los desechos e incorporar el gas nitrógeno del aire en compuestos orgánicos; por lo tanto, reciclan elementos químicos entre los suelos, el agua, la vida y el aire. Ciertos microbios juegan un papel importante en la fotosíntesis, un proceso de generación de alimentos y oxígeno que es crítico para la vida en la tierra. Los humanos y los animales en la tierra dependen de los microbios en sus intestinos para la digestión y la síntesis del material necesario para la vida.

    Los microorganismos tienen aplicaciones comerciales. Se utilizan en la síntesis de productos químicos como vitaminas, ácidos orgánicos, enzimas, alcoholes y otras drogas. La industria alimentaria utiliza microbios para producir vinagre, chucrut, encurtidos, salsa de soja, queso, yogur, pan y bebidas alcohólicas. Además, las enzimas de los microbios ahora pueden ser manipuladas para hacer que los microbios produzcan sustancias que normalmente no sintetizan, incluyendo celulosa, ayudas digestivas y limpiador de drenajes, además de sustancias terapéuticas importantes como la insulina. Las enzimas microbianas también han ayudado a producir jeans.

    Una minoría de microorganismos son patógenos, productores de enfermedades. Por lo tanto, el conocimiento práctico de los microbios es necesario para una buena salud. Los microorganismos se encuentran en casi todas partes, y deben ser estudiados para entender la naturaleza y el medio ambiente.

    Nomenclatura

    El sistema de nomenclatura para microorganismos se descompone en células procariotas y células eucariotas. Las bacterias y las arqueas se conocen como células procariotas, y los hongos y protozoos se llaman células eucariotas. Las bacterias son organismos simples, unicelulares. Debido a que su material genético no está encerrado en una membrana nuclear, las células bacterianas se llaman procariotas. Las arqueas también se llaman procariotas.

    Las células bacterianas generalmente aparecen en una de varias formas. Los bacilo son en forma de varilla, los cocos son ovoides y las espiroquetas son espirales, sacacorchos o curvas. Estas formas se encuentran entre las formas más comunes que se encuentran. Las bacterias individuales pueden formar pares, cadenas, racimos u otras agrupaciones, tales formaciones generalmente son características de un género o especie en particular.

    Las bacterias están encerradas en las paredes celulares que están compuestas en gran parte de un complejo de carbohidratos y proteínas llamado peptidoglicano. Las bacterias generalmente se reproducen dividiéndose en dos células iguales. Este proceso se llama fisión binaria. Para la nutrición, la mayoría de las bacterias utilizan productos químicos orgánicos, que en la naturaleza pueden derivarse de organismos muertos o vivos. Algunas bacterias pueden fabricar sus alimentos a través de la fotosíntesis, y algunas bacterias pueden derivar la nutrición de sustancias inorgánicas. Muchas bacterias pueden moverse usando apéndices llamados flagelos.

    Las arqueas consisten en células procariotas. Sin embargo, tienen paredes celulares que carecen de peptidoglicano. Las arqueas a menudo se encuentran en ambientes extremos, y se dividen en tres grupos primarios. Los metanógenos producen metano como producto de desecho a partir de la respiración. Los halófilos extremos viven en ambientes extremadamente salados como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto. Los termófilos extremos viven en aguas sulfurosas calientes como las aguas termales del Parque Nacional Yellowstone. No se sabe que las arqueas causen enfermedades en humanos.

    Los hongos son eucariotas. Son organismos cuyas células tienen un núcleo distinto que contiene el material genético de la célula, rodeadas por una envoltura especial llamada membrana nuclear. Los organismos en este reino pueden ser unicelulares o multicelulares. Los hongos no pueden realizar fotosíntesis. Los verdaderos hongos tienen paredes celulares compuestas por quitina. Los hongos unicelulares son levaduras. Son microorganismos ovales que son más grandes que las bacterias. Los hongos se reproducen sexual y asexualmente. Obtienen nutrientes absorbiéndolos del ambiente como suelo, agua de mar, agua dulce, o un hospedador animal o vegetal.

    Los protozoos son microbios eucariotas unicelulares. Los protozoos se mueven por pseudopodos, flagelos o cilios. Las amebas se mueven usando extensiones de su citoplasma llamadas pseudopodos. Otros protozoos tienen flagelos largos o numerosos apéndices más cortos para la locomoción llamados cilios. Los protozoos tienen una variedad de formas y viven como entidades libres o como parásitos que absorben o ingieren compuestos orgánicos de su entorno. Algunos protozoos, como Euglena, son fotosintéticos. Utilizan la luz como fuente de energía y el dióxido de carbono como su principal fuente de carbono para producir azúcares. Los protozoos pueden reproducirse sexual o asexualmente.

    Las algas son eucariotas fotosintéticas con una variedad de formas y formas reproductivas sexuales y asexuales. Las algas de interés para los biólogos son unicelulares. Las paredes celulares de muchas algas están compuestas por un carbohidrato llamado celulosa. Las algas abundan en agua dulce y salada, en el suelo y en asociación con plantas. Las algas necesitan luz, agua y dióxido de carbono para la producción y crecimiento de alimentos. Reciben su energía de la luz solar. Generalmente no requieren compuestos orgánicos del medio ambiente. Como resultado de la fotosíntesis, las algas producen oxígeno y carbohidratos que son utilizados por otros organismos, incluidos los animales. Desempeñan un papel importante en el equilibrio de la naturaleza.

    Los virus son diferentes de los otros microorganismos. Son tan pequeños que la mayoría solo se puede ver con un microscopio electrónico. Se consideran acelulares. Estructuralmente las partículas de virus contienen un núcleo hecho de un tipo de ácido nucleico, ya sea ARN o ADN. Este núcleo está rodeado por una cubierta proteica, que a veces está encerrada por una membrana lipídica llamada envoltura. Todas las células vivas tienen ARN y ADN, llevan a cabo reacciones químicas y se reproducen como unidades autosuficientes. Los virus pueden reproducirse utilizando la maquinaria celular de otros organismos. Se considera que los virus están vivos cuando se multiplican dentro de las células hospedadoras que infectan. En este sentido, los virus son parásitos de otras formas de vida. Por otro lado, no se considera que los virus estén vivos porque son inertes fuera de los huéspedes vivos.

    El crecimiento de microorganismos

    Los requerimientos para el crecimiento microbiano se dividen en dos categorías primarias. Existen requisitos físicos y químicos para que los microorganismos crezcan y se reproduzcan. Los aspectos físicos incluyen temperatura, pH y presión osmótica. Los requerimientos químicos incluyen fuentes de carbono, nitrógeno, azufre, fósforo, oxígeno, oligoelementos y factores de crecimiento orgánico.

    Factores Físicos

    Se requieren diferentes temperaturas para diferentes microorganismos. Estos organismos se clasifican en tres grupos en función de su rango preferido de temperaturas. Los microorganismos psicrófilos son microbios amantes del frío, los microorganismos mesófilos son microbios de temperatura moderada y los termófilos son microbios que se consideran microbios amantes del calor. La mayoría de las bacterias crecen solo dentro de un rango limitado de temperaturas, y sus temperaturas de crecimiento máxima y mínima están separadas por aproximadamente 30oC. Crecen mal en los extremos de alta y baja temperatura dentro de su rango.

    Cada especie bacteriana crece a temperaturas mínimas, óptimas y máximas particulares. La temperatura mínima de crecimiento es la temperatura más baja a la que crecerá el organismo. La temperatura óptima de crecimiento es la temperatura a la que mejor crece la especie. Las temperaturas máximas de crecimiento son las temperaturas más altas a las que es posible el crecimiento. La tasa de crecimiento disminuye rápidamente a medida que se acerca la temperatura máxima de crecimiento debido a que la alta temperatura inactiva el sistema enzimático necesario en la célula.

    La refrigeración es el método más común de conservación de materiales orgánicos. Se basa en el principio de que las tasas reproductivas microbianas disminuyen a bajas temperaturas. Los microbios pueden sobrevivir a temperaturas bajo cero, se vuelven latentes y su número disminuye gradualmente a bajas temperaturas. Algunas especies disminuyen más rápido que otras especies. Los picrótrofos no crecen bien a bajas temperaturas, excepto en comparación con otros organismos. Sin embargo, con el tiempo, son capaces de degradar lentamente el material orgánico. La temperatura dentro de un refrigerador debidamente ajustado ralentizará el crecimiento de los organismos y evitará el crecimiento de organismos mesófilos.

    Los organismos mesófilos tienen una temperatura óptima de crecimiento de 25 a 40oC. Este grupo es el más común de los microbios. Estos organismos que se han adaptado para vivir en los cuerpos de los animales tienen una temperatura óptima cercana a la del huésped. La temperatura óptima para las bacterias patógenas es de aproximadamente 37oC. Los mesófilos incluyen la mayoría de los organismos comunes que causan deterioro y enfermedades.

    Los termófilos son microorganismos capaces de crecer a altas temperaturas. Estos organismos tienen una temperatura óptima de crecimiento de 50 a 60oC. Estas temperaturas se pueden alcanzar en suelos iluminados por el sol y en aguas termales como aguas termales y grifos de agua caliente. Muchos termófilos no pueden crecer a temperaturas por debajo de aproximadamente 45oC. Las endosporas formadas por bacterias termófilas son resistentes al calor y pueden sobrevivir al tratamiento térmico habitual dado los productos enlatados. Las elevadas temperaturas de almacenamiento pueden hacer que la endospora sobreviviente germine y crezca; con ello, estropeando los alimentos. Las bacterias termófilas no se consideran un problema de salud pública. Los termófilos son importantes en las pilas de compost orgánico, donde las temperaturas pueden elevarse a 50 a 60oC.

    Los miembros de las Archaea tienen una temperatura óptima de crecimiento de 80oC o superior. Estos organismos se llaman hipertermófilos o termófilos extremos. Viven en aguas termales asociadas a la actividad volcánica; el azufre suele ser importante en su actividad metabólica.

    La mayoría de las bacterias crecen mejor en un rango de pH estrecho cerca de la neutralidad, entre pH 6.5 y 7.5. Pocas bacterias crecen a una acidez por debajo de pH 4. Por esta razón, una serie de alimentos previenen el deterioro mediante el uso de ácidos producidos por la fermentación bacteriana. Aunque algunas bacterias son referidas como acidófilos, y son tolerantes a la acidez. Las bacterias quimioautotróficas, que se encuentran en el agua de drenaje de las minas de carbón, oxidan el azufre para formar ácido sulfúrico, y pueden sobrevivir a un valor de pH de 1.

    Los mohos y las levaduras crecen en un rango de pH mayor que las bacterias. Sin embargo, el pH óptimo para mohos y levaduras generalmente está por debajo del de las bacterias, generalmente alrededor de pH 5 a 6. La alcalinidad también inhibe el crecimiento microbiano. Cuando las bacterias se cultivan en el laboratorio, a menudo producen ácidos que eventualmente interfieren con su crecimiento. Para neutralizar los ácidos y mantener el pH adecuado, se incluyen tampones químicos en el medio de crecimiento. Peptonas y aminoácidos en algunos medios actúan como tampones, y muchos medios también contienen sales de fosfato. Las sales de fosfato tienen la ventaja de exhibir un efecto amortiguador en el rango de crecimiento de pH de la mayoría de las bacterias. No son tóxicos, y aportan fósforo, que es un nutriente esencial.

    Los microorganismos obtienen sus nutrientes en solución del agua circundante. Requieren agua para su crecimiento, y su composición es de 80 a 90 por ciento de agua. Las altas presiones osmóticas tienen el efecto de eliminar el agua necesaria de las células. Cuando las células microbianas están en una solución cuya concentración de solutos es mayor que en la célula (hipertónica) el agua celular pasa fuera de la célula a través de la membrana plasmática a la alta concentración de solutos. Esta pérdida osmótica de agua provoca plasmólisis, o contracción, del citoplasma de la célula.

    El crecimiento de la célula se inhibe a medida que la membrana plasmática se aleja de la pared celular. La adición de sales a una solución, y el aumento resultante de la presión osmótica, se puede utilizar para conservar los alimentos. Los efectos de la presión osmótica están relacionados con el número de moléculas disueltas e iones en un volumen de solución.

    Algunos organismos, halófilos extremos, se han adaptado a altas concentraciones de sal, y requieren altas concentraciones de sal para su crecimiento. Se les llama halófilos obligados. Los organismos de dicha agua salina a menudo requieren casi 30 por ciento de sal, y el ciclo de inoculación utilizado para transferirlos primero debe sumergirse en una solución salina saturada. Más comunes son los halófilos facultativos, que no requieren una alta concentración de sal; sin embargo, son capaces de crecer a concentraciones de sal de hasta el 2 por ciento que es una concentración que inhibe el crecimiento de muchos organismos. Algunas especies de halófilos facultativos pueden tolerar 15 por ciento de sal.

    La mayoría de los microorganismos crecen en un medio que es casi todo agua. Si la presión osmótica es inusualmente baja, hipotónica, el agua tiende a entrar en una celda. Algunos microbios que tienen una pared celular relativamente débil pueden ser lisados por dicho ambiente.

    Factores Químicos

    Además del agua, un requisito importante para el crecimiento de microorganismos es el carbono. El carbono es la columna vertebral estructural de la materia viva. Se necesita para compuestos orgánicos que conforman una célula viva. El carbono constituye la mitad del peso de las células bacterianas. Los quimioheterótrofos reciben su carbono de su fuente de energía, materiales orgánicos como proteínas, carbohidratos y lípidos. Los quimioautótrofos y fotoautótrofos, derivan su carbono del dióxido de carbono.

    Los microorganismos necesitan otros elementos para sintetizar material celular. La síntesis de proteínas requiere cantidades considerables de nitrógeno así como algo de azufre. La síntesis de ADN y ARN también requiere nitrógeno y algo de fósforo, al igual que la síntesis de ATP, la molécula que es importante para el almacenamiento y transferencia de energía química dentro de las células. El nitrógeno constituye aproximadamente el 14 por ciento del peso de una célula bacteriana, y el azufre y el fósforo juntos constituyen aproximadamente el 4 por ciento del peso de la célula.

    Muchos microorganismos tienen sistemas metabólicos que requieren oxígeno para la respiración aeróbica. Los átomos de hidrógeno que han sido despojados de los compuestos orgánicos se combinan con el oxígeno para formar agua. Este proceso produce grandes cantidades de energía a la vez que neutraliza un gas potencialmente tóxico. Los microbios que usan oxígeno molecular, aerobios, extraen más energía de los nutrientes que los microbios que no usan oxígeno, anaerobios. Los organismos que requieren oxígeno para vivir se denominan aerobios obligados.

    Los aerobios obligados están en desventaja porque el oxígeno es poco soluble en agua. Por lo tanto, las bacterias aeróbicas han desarrollado, o retenido, la capacidad de continuar creciendo en ausencia de oxígeno. Tales organismos se llaman anaerobios facultativos. Los anaerobios facultativos pueden usar oxígeno cuando está presente; sin embargo, pueden continuar creciendo mediante el uso de fermentación o respiración anaeróbica cuando no se dispone de oxígeno. Su eficiencia en la producción de energía disminuye en ausencia de oxígeno. Escherichia coli es un anaerobio facultativo que se encuentra en el tracto intestinal humano. Muchas levaduras también son anaerobios facultativos. Algunos microbios son capaces de sustituir a otros aceptores de electrones y utilizar la respiración aeróbica. Estas moléculas son iones nitrato e iones sulfato.

    Los anaerobios obligados son bacterias que no pueden usar oxígeno molecular para reacciones de rendimiento energético. Estos organismos se ven perjudicados por la presencia de oxígeno. Clostridium contiene las especies que causan tétanos y botulismo. Estos organismos se ven perjudicados por la presencia de oxígeno. No utilizan átomos de oxígeno presentes en los materiales celulares, sino que obtienen átomos de oxígeno del agua.

    Las formas tóxicas de oxígeno incluyen oxígeno singlete que es un estado de alta energía del oxígeno normal y es altamente reactivo. Los radicales superóxido o aniones superóxido se forman durante la respiración normal de organismos que utilizan el oxígeno como aceptor final de electrones formando agua. En presencia de oxígeno, los anaerobios obligados parecen formar radicales superóxido que son tóxicos para los componentes celulares. Los organismos que intentan crecer en oxígeno atmosférico deben producir una enzima, la superóxido dismutasa, para neutralizarlos. Su toxicidad es causada por su inestabilidad que los lleva a robar electrones. Las bacterias aeróbicas y los anaerobios facultativos crecen aeróbicamente, y los anaerobios aerotolerantes producen superóxido dismutasa con la que convierten el radical superóxido en oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno contiene el anión peróxido que también es tóxico. Debido a que el peróxido de hidrógeno producido durante la respiración aeróbica normal es tóxico, los microbios han desarrollado enzimas, la catalasa, para neutralizar el peróxido de hidrógeno. La catalasa y otra enzima, la peroxidasa, son utilizadas por los microbios para neutralizar el peróxido. Otra forma importante de oxígeno reactivo es el ozono. El radical hidroxilo es otra forma intermedia de oxígeno y es el más reactivo. Se forma en el citoplasma celular por radiación ionizante. La mayoría de la respiración aeróbica produce trazas de radicales hidroxilo pero son transitorios.

    Los anaerobios obligados no producen ni superóxido dismutasa ni catalasa. Debido a que las condiciones aeróbicas conducen a una acumulación de radicales superóxido en el citoplasma, los anaerobios obligados son sensibles al oxígeno.

    Los anaerobios aerotolerantes no pueden usar oxígeno para el crecimiento, pero lo toleran. En la superficie de un medio sólido, crecerán sin el uso de técnicas especiales. Muchas de las bacterias aerotolerantes fermentan característicamente los carbohidratos a ácido láctico. A medida que el ácido láctico se acumula, inhibe el crecimiento de competidores aeróbicos y establece un nicho ecológico favorable para los productores de ácido láctico. Los lactobacilos son un ejemplo.

    Los compuestos orgánicos esenciales que un organismo es incapaz de sintetizar se conocen como factores de crecimiento orgánicos. Estos factores de crecimiento se obtienen del ambiente. Algunos de estos factores de crecimiento son aminoácidos, purinas y pirimidinas.

    Clasificación de microbios

    La clasificación de los organismos en grupos progresivamente más inclusivos se basa en la filogenia y el fenotipo. La nomenclatura es el proceso de aplicación de reglas formales en la nomenclatura de organismos.

    Dominios

    Los organismos se clasifican por tipo de célula en los tres sistemas de dominios. Animales, plantas y hongos son reinos en el Dominio Eukarya. La Bacteria de Dominio incluye a los procariotas patógenos así como a muchos de los procariotas no patógenos que se encuentran en el suelo y el agua. Los procariotas fotoautotróficos también están en este dominio.

    El Dominio Archaea incluye procariotas que no tienen peptidoglicano en sus paredes celulares. Suelen vivir en ambientes extremos y llevar a cabo procesos metabólicos inusuales. Archaea incluye tres grupos principales:

    • Los metanógenos: anaerobios estrictos que producen metano a partir de dióxido de carbono e hidrógeno
    • Halófilos extremos: requieren altas concentraciones de sal para sobrevivir
    • Hipertermófilos: normalmente crecen en entornos extremadamente calurosos
    El tronco del árbol filogenético es un antepasado universal. El árbol forma dos ramas. Una rama conduce al dominio bacteria, que incluye las proteobacterias phyla, clamidias, espiroquetas, cianobacterias y bacterias Gram-positivas. La otra rama se ramifica de nuevo, en los dominios eukarya y archaea. Las arqueas de dominio incluyen los phyla euryarchaeotes, crenarchaeotes, nanoarchaeotes y korarchaeotea.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Sistema de tres dominios: la imagen de OpenStax está licenciada bajo CC BY 4.0

    Las bacterias se clasifican en cinco grupos en función de sus formas básicas. Estas formas incluyen esférica (cocos), espiral (spirilla), varilla (bacilos), coma (vibrios) o sacacorchos (espiroquetas). Estas células pueden existir como células individuales, en pares, cadenas o en grupos.

    Formas Células Procariotas Comunes. El término Ccus (plural: cocos) es el nombre que se le da a las formas redondas y esféricas. El término bacilo (plural: bacilos) es el nombre que se le da a las células en forma de bastón. Estas celdas tienen forma de rectángulos largos y redondeados. El término vibrio (plural vibrios) es el nombre que se le da a las varillas curvas, estas celdas tienen forma como una coma larga. El término coccobacilos (coccobacilos plurales) es el nombre para los bastones cortos; estas células parecen óvalos. El término spirillum (plural spirilla) es el nombre de celdas espirales largas; estas parecen tornillos de corcho. El término espiroqueta (espiroquetas plurales) es el nombre de las celdas helicoidales largas y sueltas en forma de espiral. Estos se parecen a los spirillum pero son más flojos.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Formas básicas de bacterias — La imagen de OpenStax está licenciada bajo CC BY 4.0

    Nomenclatura

    La Nomenclatura Científica es una nomenclatura binomial para que cada organismo tenga una identificación binomial única que indica al individuo y su ubicación taxonómica entre otros organismos. La taxonomía es la ciencia de la clasificación. Hasta el momento se han identificado casi 2 millones de organismos, y la estimación es que 10-100 millones de organismos totales ocupan la tierra. Todos los organismos celulares evolucionaron a partir de un ancestro común:

    • Membrana plasmática similar
    • Use ATP para obtener energía
    • Usar ADN para almacenamiento genético

    Las diferencias observadas entre organismos se deben a la mutación aleatoria y a la selección natural. Los organismos se organizan en categorías taxonómicas por relación. Sistemática/Filogenia son los estudios de la historia evolutiva y la relación de los organismos. La taxonomía moderna se basa en información de secuencias genéticas o biología molecular.

    Clasificación de organismos vivos
    Figura\(\PageIndex{3}\): Sistema jerárquico de nomenclatura científica para la clasificación de organismos vivos — la imagen de Pengo es de dominio público

    De todos los diferentes sistemas de clasificación, la tinción Gram ha resistido la prueba del tiempo. La tinción de Gram sigue siendo una técnica importante y útil. Permite clasificar una gran proporción de bacterias clínicamente importantes como Gram positivas o negativas en función de su morfología y propiedades diferenciales de tinción.

    Los microorganismos también se pueden agrupar en función de su necesidad de oxígeno. Las bacterias anaerobias facultativas pueden crecer con alto contenido de oxígeno o bajo contenido de oxígeno y se encuentran entre las bacterias más versátiles. En contraste, las bacterias estrictamente anaerobias crecen solo en condiciones, donde el oxígeno mínimo o nulo está presente en el ambiente. Bacterias como bacteroides que se encuentran en el intestino grueso son ejemplos de anaerobios. Los aerobios estrictos solo crecen en presencia de cantidades significativas de oxígeno. Pseudomonas aeruginosa, un patógeno oportunista, es un ejemplo de aerobio estricto. Las bacterias microaerofílicas crecen en condiciones de oxígeno reducido y a veces requieren mayores niveles de dióxido de carbono.

    Árbol filogenético

    Se ha desarrollado un árbol filogenético universal para organismos vivos que establece una división tripartita de todos los organismos vivos: bacterias, arqueas y eucarya. La clasificación se basa en una comparación de secuencias de ARN ribosómico 16s. Estas secuencias están altamente conservadas y experimentan cambios a una velocidad lenta, gradual y consistente. Por lo tanto, son útiles para hacer comparaciones entre diferentes organismos vivos.

    Este árbol filogenético muestra que los tres dominios de la vida, bacterias, arqueas y eukarya, surgieron todos de un ancestro común.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Árbol filogenético para microorganismos. - imagen de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0

    El análisis de secuencias de ARN ribosómico (ARNr) ha surgido como un método importante para la clasificación. Se ha utilizado para establecer un árbol filogenético. Además, también se utiliza para diagnosticar rápidamente patógenos responsables de infecciones, para ayudar a seleccionar la terapia adecuada e identificar microorganismos no cultivables.

    La subtipificación molecular es necesaria para determinar si cepas de la misma especie son iguales o diferentes. Se pueden obtener pistas examinando los estudios bioquímicos o el perfil de susceptibilidad a antibióticos, pero un método más confiable es mediante análisis molecular. La Electroforesis en Gel de Campo Pulsado (PFGE) es la técnica molecular más utilizada. El ADN cromosómico se digiere con una enzima de restricción que realiza cortes relativamente poco frecuentes en el ADN y como resultado crea grandes fragmentos de ADN. Los fragmentos de ADN de las diferentes cepas se ejecutan luego en un gel y se comparan.

    • Eucariotas (animales, plantas, hongos, protistas)
    • Bacterias
    • Archaea (previo a la secuenciación, Bacterias y Archaea se habían agrupado en el reino Monera)

    Los grupos de Jerarquía Taxonómica/Filogenética se basan en similitudes. Los grupos comienzan de manera muy general y se vuelven más restringidos. La hibridación de ADN y la secuenciación de ARNr se utilizan para determinar las relaciones evolutivas y la clasificación. Los organismos que se agrupan se basan en la relación; una relación muy general en la parte superior, seguida de subgrupos cada vez más específicos y restringidos donde el género es todas las especies relacionadas, y las especies son un único grupo de organismos único.

    • Reino Protista (eucariotas unicelulares) son algas y protozoos y son nutricionalmente diversos: autótrofos, heterótrofos y parásitos intracelulares
    • Los hongos del reino son levaduras, mohos y hongos que absorben material orgánico a través de su membrana plasmática
    • Kingdom Animalia son animales multicelulares que ingieren alimentos orgánicos a través de la boca y tienen células organizadas en tejidos
    • Kingdom Plantae son plantas multicelulares que se someten a fotosíntesis para convertir el dióxido de carbono y el agua en moléculas orgánicas, y este Reino tiene células organizadas en tejidos

    Clasificación procariota: los procariotas tienen dos dominios:

    1. Las bacterias son todas procariotas patógenas, muchas procariotas no patógenas y todas las procariotas fotoautotróficas
    2. Las arqueas son todas procariotas con paredes que no son peptidoglicanos, que llevan a cabo un metabolismo inusual y viven en ambientes extremos, y son agrupaciones basadas completamente en la secuenciación génica ya que la mayoría se parecen

    Las especies procariotas se definen como una población de células con características similares que no demuestran reproducción sexual. Los cultivos puros son clones porque son poblaciones derivadas de una sola célula. Son genéticamente idénticos. Las cepas son células de la misma especie que no son genéticamente idénticas.

    Clasificación Viral

    Los virus no encajan en un sistema de dominios porque son acelulares. Por lo general, solo se clasifican por Familia y Género. Las especies virales se definen como una población de virus con características similares (incluyendo morfología, genes y enzimas) que ocupan un nicho ecológico particular. Los virus son parásitos intracelulares obligados que han evolucionado para infectar células, y por lo general solo infectan un tipo de célula que es la que mejor soporta la replicación viral. Los virus suelen ser muy específicos sobre su nicho.

    Estructura

    Procariotas: estructura/función

    Los procariotas se distinguen de los eucariotas por su menor tamaño (0.2- 10µm), su falta de orgánulos internos (mitocondrias), la presencia de una pared celular y su división celular por fisión binaria en lugar de mitosis. Carecen de intrones, no son capaces de endo/exocitosis y tienen ADN circular monocatenario en lugar de múltiples cromosomas discretos.

    Las bacterias comparten una serie de estructuras comunes tales como:

    • El limo (polisacárido extracelular) es un material extracelular, poco asociado con la bacteria, que es elaborado por algunas especies bacterianas que facilitan la colonización de superficies lisas
    • Cápsula es polisacárido recubrimiento exterior de la superficie bacteriana a menudo juega un papel en la prevención de la fagocitosis de bacterias
    • El peptidoglicano (pared celular) proporciona forma bacteriana y rigidez. La pared celular consiste en unidades alternas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico. Las cadenas de polisacáridos están reticuladas por un puente peptídico. Es un objetivo primario de la terapia antimicrobiana porque es específica para procariotas.
    • La membrana citoplásmica es una bicapa fosfolipídica que asume muchas de las funciones de los orgánulos eucariotas como los procesos biosintéticos
    • Los flagelos proporcionan a las bacterias la capacidad de locomoción. Varían en número y ubicación.
    • Los pili son estructuras que se proyectan desde la superficie celular permitiendo que las bacterias se adhieran a las superficies del tejido huésped. Basándose en su estructura de aminoácidos, su afinidad por superficies de tejido huésped particulares puede ser notablemente específica.
    • Los productos secretados son una variedad de productos que incluyen exotoxinas que son proteínas agrupadas en toxinas A-B, como las elaboradas por vibrio que causan cólera

    Características distintivas entre bacterias Gram positivas y negativas

    Las bacterias Gram positivas tienen una gran estructura de peptidoglicanos. Esta estructura da cuenta de la tinción diferencial con tinción de Gram. Algunas bacterias Gram positivas también son capaces de formar esporas bajo condiciones ambientales estresantes como cuando hay disponibilidad limitada de carbono y nitrógeno. Las esporas, por tanto, permiten que las bacterias sobrevivan la exposición a condiciones extremas.

    Las bacterias Gram negativas tienen una pequeña capa de peptidoglicano pero tienen una membrana adicional, la membrana citoplásmica externa. Esta membrana crea una barrera de permeabilidad adicional y da como resultado la necesidad de mecanismos de transporte a través de ella. Un componente principal de la membrana citoplásmica que es exclusivo de Gram negativos es la endotoxina.

    Tinción de Gram de células bacterianas para identificación
    Figura\(\PageIndex{5}\): Tinción de Gram de célula bacteriana para identificación — Imagen de Michigan State University. Microbiología 301-702 Verano 2016 está licenciado bajo CC BY-SA 4.0

    Identificación de microorganismos

    La clasificación se basa en características morfológicas que se refieren al tamaño, forma, características celulares (cápsula, flagelos, endosporas), tinción diferencial (tinción Gram, tinción ácida rápida) y pruebas bioquímicas que investigan actividades enzimáticas específicas que conducen a la fermentación de carbohidratos, nitrógeno fijación, oxidación de azufre, producción de gas, producción de ácido y reducción de nitratos.

    Formas de bacterias: Coccos, Bacilos y Spirilla
    Figura\(\PageIndex{6}\): Clasificación de bacterias por forma y apariencia ambiental — Imagen de CKRobinson está licenciada bajo CC BY-SA 4.0

    Las herramientas de determinación rápida incluyen:

    • Medios selectivos: inhiben el crecimiento de un grupo mientras permiten que otro grupo florezca, como el caldo de tolerancia a la sal selecciona para organismos que son tolerantes al 6.5% de NaCl (Staph y Streps)
    • Medios diferenciales que permiten que los organismos crezcan pero que un grupo aparezca diferente
    • Sistemas de múltiples pruebas/identificación numérica como los sistemas de prueba API de Enterotube

    La serología es otro método para identificar microorganismos donde la ciencia de las respuestas séricas e inmunes son la evidencia que identifica a un organismo. El proceso implica el uso de anticuerpos para detectar antígenos microbianos específicos (proteínas extrañas) que se utilizan para detectar proteínas en muestras. Los anticuerpos son proteínas especiales, producidas por animales, para unirse a una diana específica (antígeno /epítopo, proteína). La respuesta inmune de un animal puede producir anticuerpos contra cualquier molécula (antígeno) que sea ajena a ese animal, y estos anticuerpos diagnósticos pueden producirse para detectar microbios particulares e identificarlos. Las pruebas de aglutinación se utilizan para identificar anticuerpos específicos al producir grupos de antígenos cuando se inyectan.

    El ensayo de tipificación de fagos/placa son virus bacterianos. Cada fago es específico, e infecta solo una especie o incluso cepa de bacterias. Cuando los fagos infectan a un microorganismo, provoca la lisis de la bacteria. Al aplicar fagos conocidos a bacterias desconocidas y buscar la muerte celular bacteriana, se pueden identificar bacterias.

    FISH (Fluorescent In Situ Hybridiation) utiliza sondas de ADN marcadas con colorante fluorescente que se mezclan con una muestra (biopsia, muestra ambiental), la hibridación marca las células con la secuencia de ADN y las células se observan con luz UV.

    Diagrama de morfología bacteriana
    Figura\(\PageIndex{7}\): Morfología de células bacterianas — Imagen de LadyOfHats es de dominio público

    Preguntas de revisión

    1. Nombra los dos tipos principales de células que se encuentran en la naturaleza.
    2. Enumerar y definir los diversos tipos de microorganismos vivos.
    3. Enumerar las clasificaciones en orden descendente para el sistema jerárquico de nomenclatura científica para la clasificación de organismos vivos.
    4. Distinguir las características entre bacterias gram positivas y gram negativas.
    5. Describir cómo se utiliza la serología para identificar microorganismos.

    Cuestionario de capítulo

    1. Los microorganismos que producen enfermedades se denominan ___________.
      1. Patógena
      2. Streptococcus
      3. Staphylococcus
      4. Gram negativo
    2. Las bacterias y las arqueas se denominan células ___________.
      1. Eucariotas
      2. Procariotas
      3. Gram negativo
      4. Gram positivo
    3. Las células con paredes celulares que carecen de peptidoglicano son ___________.
      1. Bacterias
      2. Algas
      3. Protozanos
      4. Archaea
    4. ___________ son eucariotas. Son organismos cuyas células tienen un núcleo distinto que contiene el material genético de la célula, rodeadas por una envoltura especial llamada membrana nuclear.
      1. Archaea
      2. Bacterias
      3. Virus
      4. Fungii
    5. ___________ las bacterias tienen una estructura grande de peptidoglicanos.
      1. Streptococcus
      2. Staphylococcus
      3. Gram negativo
      4. Gram positivo
    6. La mayoría de las bacterias crecen mejor en un rango de pH estrecho cerca de la neutralidad, entre ___________.
      1. 2.0 a 6.5
      2. 6.5 a 7.5
      3. 8.0 a 10.0
      4. 11.0 a 14.0
    7. En la Jerarquía Taxonómica/Filogenética, los grupos se basan en similitudes. Los grupos comienzan de manera muy general y se vuelven más restringidos. ___________ se utilizan para determinar las relaciones evolutivas y la clasificación. Los organismos que se agrupan se basan en la relación; una relación muy general en la parte superior, seguida de subgrupos cada vez más específicos y restringidos donde el género es todas las especies relacionadas, y las especies son un único grupo de organismos único.
      1. Técnicas de tinción de Gram
      2. Hibridación de ADN y secuenciación de ARNr
      3. Pruebas serológicas
      4. Exámenes morfológicos
    8. Un componente principal de la membrana citoplasmática que es exclusivo de Gram negativos es ___________.
      1. peptidoglicano
      2. Exotoxinas
      3. Clorofila
      4. Endotoxinas
    9. ___________ es una nomenclatura binomial para que cada organismo tenga una identificación binomial única que indique al individuo y su ubicación taxonómica entre otros organismos.
      1. Taxonomía
      2. Nomenclatura científica
      3. Hibridación de ADN
      4. Especies de género
    10. ___________ es la ciencia de la clasificación.
      1. Taxonomía
      2. Nomenclatura científica
      3. Hibridación de ADN
      4. Especies de género

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