Microorganismos Procariotas: Tipos, Funciones y Ciclos

2.1. Tipos de microorganismos procariotas

Para determinar si son Gram positivas o Gram negativas se usa la tinción de Gram, que se lleva a cabo según los siguientes pasos:

1. Se tiñen las bacterias con el colorante llamado cristal violeta o violeta de genciana. Se tiñen de azul violáceo todas las bacterias.
2. Se añade un decolorante (alcohol y acetona). Las bacterias Gram negativas se decoloran, y las Gram positivas mantienen la coloración.
3. Se añade un segundo colorante de contraste (fucsina o safranina), para visualizar las bacterias Gram negativas. Las bacterias Gram positivas, al no haberse decolorado, no captan este segundo colorante.

Resultado: las bacterias Gram positivas aparecen de color azul-violáceo mientras que las Gram negativas se ven rojas o rosas.

Las eubacterias Gram positivas

El 90% de la pared de estas bacterias es una gruesa envoltura de peptidoglicano (mureína). La pared contiene también ácido teicoico y se une a la membrana plasmática por medio de moléculas de ácido lipoteicoico.

Endosporas: Formas de resistencia que pueden desarrollar algunos bacilos y cocos Gram positivos (si los nutrientes escasean o si las condiciones del medio son adversas). Para generarlas, la membrana plasmática de la bacteria rodea al ADN, forma una gruesa cubierta y pierde agua. El resto de la célula se desorganiza. En este estado, el microorganismo puede resistir durante meses o años la desecación, la congelación o incluso la radiación y 'germinar' y desarrollar de nuevo la célula cuando vuelven las condiciones favorables.

Bacterias Gram positivas: géneros como Bacillus, Staphylococcus, Streptococcus y Clostridium, entre otros.

Las eubacterias Gram negativas

La pared celular de las bacterias Gram negativas consta de una delgada lámina de peptidoglicano (10% de la pared), cubierta por una membrana externa lipídica similar a la membrana plasmática. Esta pared carece de ácido teicoico y lipoteicoico.

Bacterias Gram negativas: Escherichia coli, Legionella pneumophila o Salmonella enterica, entre otras.

Las eubacterias sin pared celular

A pesar de carecer de pared, muestran tinción Gram negativa. Son muy pequeñas (entre 0,2 y 0,3 um) y cilíndricas, redondeadas o helicoidales. Se denominan, de forma general, micoplasmas, fitoplasmas y espiroplasmas. Son parásitos intracelulares obligados de animales y plantas.

Las arqueobacterias

Las arqueobacterias evolucionaron de forma independiente al resto de procariotas, con lo que presentan importantes diferencias bioquímicas y genéticas. Se clasifican como un dominio separado: Archaea.

Algunas de sus características son comunes a las eubacterias: flagelos, pared celular en forma similar. Se diferencian de las eubacterias en algunos genes y rutas metabólicas y en la composición química de sus membranas y paredes celulares.

• Son las únicas células que presentan éteres lipídicos en sus membranas celulares (gran resistencia a condiciones adversas).
• Sus paredes celulares no contienen peptidoglicano, sino glicoproteínas.
• Se nutren de compuestos orgánicos y son capaces de utilizar compuestos inorgánicos como hidrógeno, dióxido de carbono, alcoholes, azufre o hierro, entre otros.

El dominio Archaea se divide en cinco grupos evolutivos según el tipo de ARN ribosómico. Muchas arqueobacterias son extremófilas: hipertermófilos (toleran altas temperaturas), hiperhalófilos (toleran alta salinidad) o acidófilos (toleran valores de pH extremos), etc.

2.2. La función de relación en los procariotas

Reaccionan a los estímulos del medio mediante el movimiento a favor o en contra de estos (taxias o taxismos positivas si el microbio va hacia el estímulo, y negativas, si se aleja de él).

Según el estímulo que provoca la respuesta son:

• Fototaxias: a la luz.
• Quimiotaxias: a la presencia de sustancias.
• Geotaxias: a la gravedad.
• Termotaxias: a la temperatura.
• Barotaxias: a la presión atmosférica.
• Hidrotaxias: a la presencia de agua.

Además de reaccionar con taxias, algunos microorganismos procariotas son capaces de reaccionar a condiciones adversas del medio mediante la formación de endosporas de resistencia.

2.3. La reproducción bacteriana

Es asexual, aunque pueden llevar a cabo ciertos procesos parasexuales que permiten el intercambio de ADN y aumentan la variabilidad genética.

La reproducción asexual procariota

Tiene lugar mediante bipartición o fisión binaria, que da lugar a dos células hijas de tamaño similar y con la misma dotación genética que la progenitora.

1. El ADN se duplica y las dos moléculas de ADN se unen a la membrana.
2. La célula genera nueva membrana y pared entre las zonas de unión de las moléculas de ADN. Así, en la mitad de la célula se crea una invaginación de las envueltas externas, que divide al citoplasma en dos partes y se forman dos células hijas independientes (clones).

La reproducción parasexual en los procariotas

Las bacterias pueden llevar a cabo mecanismos de intercambio de material genético (reproducción parasexual), adquiriendo características diferentes a las originales. Esto, unido a las altas tasas de mutación en los procariotas, les proporciona una gran variabilidad genética. Puede tener lugar mediante tres mecanismos:

• La conjugación. Consiste en transferir plásmidos, a través de los pili, desde una bacteria donadora a una bacteria receptora. Los plásmidos transferidos suelen permanecer sin integrarse en el genoma bacteriano o recombinarse con él. Confieren al microorganismo receptor características nuevas como resistencia a antibióticos.
• La transducción. Tiene lugar por la infección de virus bacteriófagos: Un virus infecta a una bacteria A e integra su genoma viral en el de la bacteria A. Cuando el virus se replica, capta algunos genes de A. Al infectar a nuevas bacterias B puede llevar a ellas fragmentos del ADN de la bacteria A.
• La transformación. Algunas bacterias pueden introducir en su célula ADN presente en el medio, e integrarlo en su genoma. Esta capacidad se aprovecha en ingeniería genética para introducir plásmidos con ciertas características.

4. LOS VIRUS Y OTRAS FORMAS ACELULARES

Los virus son formas celulares constituidas por ADN o ARN encerrado en una cápsida proteica que puede estar rodeada por una envoltura lipoproteica. Son parásitos obligados de células.

4.1. La estructura de los virus

Partículas víricas o viriones: virus cuando no están infectando a su hospedador. Está formado por:

• Genoma del virus (ARN o ADN, de cadena sencilla o de cadena doble).
• Proteínas virales: Pueden ser estructurales (forman la cápsida que encierra al genoma) y no estructurales (factores de transcripción, proteasas, etc.).
• Envoltura lipoproteica o membrana viral: Muchos virus (el de la gripe, el VIH o el SARS-CoV-2) tienen, alrededor de la cápsida, una envoltura lipoproteica similar a una membrana plasmática celular. La envoltura tiene glicoproteínas que permiten la adhesión a la célula hospedadora.

Cápsidas virales: Pueden estar formadas por varias moléculas de una única proteína o de varias proteínas diferentes. Se organizan formando estructuras simétricas con varias formas:

• Cápsidas helicoidales. El ácido nucleico se enrolla en forma de hélice y las proteínas se unen alrededor de él, formando una estructura alargada. Ejemplo: virus del mosaico del tabaco.
• Cápsidas icosaédricas. Son estructuras huecas con 20 caras triangulares y 12 vértices. Formada por capsómeros (subunidades de una misma proteína o de proteínas diferentes). Algunos virus icosaédricos cuentan con proyecciones llamadas fibras o espículas en los vértices, implicadas en la adhesión a la célula que infectan. Muchos virus de animales son de este tipo.
• Cápsidas complejas. Están formadas, al menos, por dos partes:
  • La de la mayoría de los virus bacteriófagos tiene una cabeza icosaédrica que contiene el ácido nucleico, y una cola helicoidal y dividida en cuello, varilla y fibras. La cola se une a la bacteria e inyecta el ácido nucleico.
  • Las de virus como el VIH se componen de nucleocápsides adheridas al ARN, rodeadas por una cápside troncocónica que, a su vez, está recubierta por una matriz icosaédrica.

4.2. La clasificación de los virus

David Baltimore propuso siete clases de virus en función del tipo de ácido nucleico y de su replicación:

• Clase I: Virus de ADN de doble cadena.
• Clase II: Virus de ADN de cadena sencilla.
• Clase III: Virus de ARN de doble cadena.
• Clase IV: Virus de ARN de cadena sencilla y polaridad +. El genoma viral actúa directamente como ARN mensajero. Coronavirus (resfriados, COVID-19, etc.).
• Clase V: Virus de ARN de cadena sencilla y polaridad -.
• Clase VI: Virus de ARN de cadena sencilla y polaridad + pero que se retrotranscriben. El virus tiene una retrotranscriptasa que copia el ARN en ADN de doble cadena por transcripción inversa. A partir de este ADN viral se producen los ARNm y los nuevos genomas virales. Retrovirus, como el VIH.
• Clase VII: Virus con genoma de ADN de doble cadena, pero con ARN intermediario en su ciclo de replicación.

4.3. El ciclo infeccioso de los virus

Los virus infectan una célula, se replican en ella, generan copias del virión y salen para extenderse e infectar otras células. El proceso de infección típico tiene las etapas siguientes:

1. Adhesión del virión a la célula uniéndose a receptores específicos de la célula hospedadora.
2. Entrada en la célula. Se puede producir por varios mecanismos: por endocitosis, a través de aberturas causadas por daño mecánico en la pared celular vegetal, fusión de membranas y la inyección de la nucleocápsida al interior celular. Muchos bacteriófagos inyectan su genoma a través de la membrana de la bacteria y la cápside queda fuera.
3. A partir de aquí, los virus pueden seguir dos procesos:

• El ciclo lítico
  • Transcripción de los genes virales en ARNm con la ARN polimerasa viral.
  • Traducción de los ARNm a proteínas virales estructurales y no estructurales.
  • Replicación del genoma vírico.
  • Ensamblado de viriones. Las proteínas estructurales se empaquetan, se forma la cápsida y se introduce el ácido nucleico para formar los viriones.
  • Salida de viriones de la célula por la rotura o lisis de esta, por gemación, o por los poros intercelulares (en el caso de virus de plantas).
• El ciclo lisogénico
  • En el ciclo lisogénico, la célula infectada no se destruye, sino que el genoma viral se integra en el genoma del hospedador y se replica junto a él. En este estado el virus se denomina provirus. En determinadas condiciones, el genoma vírico se activa y se desencadena un ciclo lítico.
  • Los retrovirus humanos como el VIH y algunos bacteriófagos pueden tener los dos ciclos.

5. LOS MICROORGANISMOS Y LOS CICLOS DE LA MATERIA

Un ciclo biogeoquímico es la circulación cíclica de los elementos químicos entre la biosfera, la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera. Los microorganismos tienen gran importancia en estos ciclos.

5.1. El ciclo del carbono

El carbono se encuentra como CO2 en la atmósfera y en la hidrosfera, en forma de rocas calizas y combustibles fósiles en la geosfera y como biomoléculas en la biosfera.

Microorganismos que intervienen en el ciclo del C:

• Fijación del CO2 atmosférico: Fotosíntesis oxigénica (cianobacterias y algas unicelulares). Fotosíntesis anoxigénica (otras bacterias).
• Liberación de CO2 y a la atmósfera: Respiración de los microorganismos. Fermentación (bacterias y hongos descomponedores). Putrefacción (bacterias).
• Transformación del CO2 en CH4: arqueobacterias metanogénicas.
• Oxidación del CH4 a CO2: bacterias metanótrofas.
• Paso del C a la geosfera: las bacterias contribuyen a la formación de los combustibles fósiles. Los foraminíferos aportan el CaCO3 de sus caparazones a los sedimentos.

5.2. El ciclo del nitrógeno

El nitrógeno terrestre se encuentra principalmente en la atmósfera como N2. En la hidrosfera y en el suelo está como nitratos o nitritos. En la biosfera forma biomoléculas, sobre todo proteínas.

Microorganismos que intervienen en el ciclo del N:

• La fijación del N2 atmosférico: Lo transforman en NH3, algunas cianobacterias, bacterias del suelo o bacterias simbióticas en las raíces de plantas leguminosas.
• La transformación del NH3 en sales nitrogenadas:
  1. Las bacterias nitrosificantes oxidan el NH3 a nitritos (NO2-).
  2. Las bacterias nitrificantes oxidan los nitritos a nitratos (NO3-).
• La incorporación de los nitratos del agua y del suelo a los seres vivos la realizan los microorganismos productores.
• La salida del nitrógeno de los seres vivos: bacterias y hongos descomponedores, que liberan amoniaco al suelo.
• Vuelta del nitrógeno a la atmósfera: bacterias desnitrificantes que transforman los nitratos del suelo en nitrógeno atmosférico.

6.3. La lucha contra las enfermedades infecciosas

Todos los estudios que se hacen sobre las enfermedades infecciosas están encaminados a conocerlas para poder prevenirlas, es decir, evitar que las personas sean infectadas, o para curarlas en el caso de que se produzcan.

1. La prevención:

Consiste en evitar las infecciones. Las principales medidas preventivas son la higiene y las vacunas.

• La higiene: Para reducir la presencia de los patógenos en las fuentes infecciosas o minimizar el riesgo de exposición a esas fuentes por parte de los hospedadores susceptibles:
  • Lavar el cuerpo y las manos. Limpiar y desinfectar regularmente las superficies en contacto con alimentos y los objetos de uso compartido.
  • Utilizar barreras: guantes, mascarillas o EPI, preservativo.
  • Mantener una distancia segura con individuos infectados o sospechosos de estar infectados.
  • Tener una conducta responsable ante estos temas.
• La vacunación.

2. El diagnóstico

El primer paso para tratar una enfermedad infecciosa es su correcta identificación o diagnóstico.

• Registro de los síntomas, lo que a veces permite su identificación inmediata.
• Recogida de muestras corporales para realizar análisis clínicos para la identificación del patógeno.

3. El tratamiento

Los tratamientos son fármacos antimicrobianos cuyo principio activo debe ser tóxico para el patógeno pero inocuo o tolerable para la persona enferma.

• Antibióticos: Son fármacos antibacterianos. Pueden ser:
  • Antibióticos naturales: Son sustancias producidas por algunas bacterias y hongos para eliminar competidores. Matan o inhiben el crecimiento de otros microorganismos, principalmente bacterias.
  • Las sulfamidas: Son antibióticos sintéticos. Interfieren el metabolismo de microorganismos.
  • Las quinolonas: Son antibióticos sintéticos. Inhiben la replicación del genoma bacteriano.
• Antimicóticos: Son sustancias que matan a los hongos parásitos o inhiben su crecimiento.
• Antivirales: Son sustancias que inhiben la síntesis de los ácidos nucleicos virales.