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BIOLOGÍA y GEOLOGÍA de la E.S.O. y de 2º de BACHILLERATO
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BLOQUE IV - 1- MICROBIOLOGÍA. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Índice: Concepto y características generales. Procariotas (bacterias). Virus. Eucariotas: Protozoos, algas, hongos. Ciclos biogeoquímicos. Los microorganismos y la enfermedad. La biotecnología. |
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1. CONCEPTO DE MICROORGANISMO Los microorganismos o microbios son organismos de pequeño tamaño, observables únicamente con la ayuda del microscopio. La Microbiología es la rama de la Biología que se encarga del estudio de los microorganismos.
TIPOS DE MICROORGANISMOS Y CLASIFICACIÓN
Los microorganismos se clasifican en:
2. LAS BACTERIAS
CLASIFICACIÓN, MORFOLOGÍA, FISIOLOGÍA Y ECOLOGÍA BACTERIANAS
1) ARQUEOBACTERIAS: Bacterias consideradas "fósiles vivientes" pues viven en habitas que parecen corresponder con los que existieron en la Tierra primitiva, por ejemplo, se encuentran en ambientes termales donde se alcanzan temperaturas por encima del punto de ebullición del agua, en fumarolas, etc. Un ejemplo es el de Pyrococcus furiosus que tiene su óptimo de crecimiento a 104ºC. También pueden vivir en medios halófilos (muy salados), por ejemplo: Halobacterium, que son halófilos estrictos.
2) EUBACTERIAS: Son las bacterias típicas. Por ejemplo Escherichia coli. Se trata de microorganismos unicelulares procariotas, cuyo tamaño oscila entre 1 y 10 micras (como son muy pequeñas no necesitan citoesqueleto), adaptados a vivir en cualquier ambiente, terrestre o acuático, pues en las diferentes estirpes bacterianas pueden observarse todas las formas de nutrición conocidas. Las hay autótrofas: fotosintéticas y quimiosintéticas, y heterótrofas: saprófitas, simbióticas y parasitarias. Esta notable diversidad de funciones convierte a las bacterias en organismos indispensables para el mantenimiento del equilibrio ecológico, ya que, como se verá más adelante, contribuyen al mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos que permiten el reciclaje de la materia en la biosfera. La mayor parte de las bacterias adoptan formas características, aunque en ocasiones la configuración puede verse influida por las condiciones del medio de cultivo. Son unicelulares, pero también aparecen agrupadas cuando se mantienen unidas tras la bipartición. Entre las formas más comunes destacan las siguientes:
ESTRUCTURA DE UNA BACTERIA TIPO
La ultraestructura y la actividad fisiológica de las bacterias solo se puede apreciar con el microscopio electrónico en conjunción con las técnicas bioquímicas y citológicas adecuadas, como la ultracentrifugación, técnicas isotópicas de marcaje, utilización de medios de cultivo diferenciales, etc. Los componentes estructurales básicos de las bacterias son:
* Pared bacteriana: Estructura presente en todas las bacterias. Es una envoltura rígida exterior a la membrana. Da forma a la bacteria y sobre todo soporta las fuertes presiones osmóticas de su interior.
Los componentes fundamentales de la pared son los peptidoglucanos o mureínas, formados por anillos de polisacáridos complejos enlazados con oligopéptidos. Además contiene otros elementos diferentes según pertenezca al grupo de las Gram negativas o al de las Gram positivas:
En las Gram negativas, bacterias que se tiñen de rojo con la tinción de Gram, hay una sola capa de péptidoglucanos sobre la que se dispone una membrana externa constituida por una capa de fosfolípidos y otra de glicolípidos asociados, estos últimos, a polisacáridos que se proyectan hacia el exterior.
En las bacterias Gram positivas la red de peptidoglucanos origina varias capas superpuestas, es gruesa y homogénea y no hay membrana externa, estas bacterias se tiñen de violeta con la tinción de Gram..
* Cápsula bacteriana. En numerosas bacterias se forma en la parte externa de la pared una cápsula viscosa compuesta por sustancias glucídicas. Esta envoltura, que se presenta en casi todas las bacterias patógenas, las protege de la desecación y de la fagocitosis por los leucocitos del hospedador, así como del ataque de los anticuerpos, lo que aumenta la virulencia de las bacterias encapsuladas. La presencia de la cápsula no es, sin embargo, un carácter diferenciador, pues determinadas bacterias pueden o no formarla en función de los medios de cultivo.
* Membrana. Es una envoltura que rodea al citoplasma. Está constituida por una membrana de tipo unitario de 75 Å de espesor. Su estructura es idéntica a la de las células eucariotas, variando sólo en algunas de las moléculas que la componen; por ejemplo, en la membrana bacteriana no hay esteroides. Una particularidad que presenta la membrana bacteriana es la existencia de unos repliegues internos que reciben el nombre de mesosomas.
Las funciones de la membrana plasmática bacteriana son las mismas que en la célula eucariota, es decir, limitan la bacteria y regulan el paso de sustancias nutritivas. Los mesosomas incrementan la superficie de la membrana plasmática y además tienen gran importancia en la fisiología bacteriana, puesto que en ellos hay gran cantidad de enzimas responsables de importantes funciones celulares, entre las que destacan las siguientes:
* Ribosomas. Son corpúsculos similares a los de las células eucarióticas, aunque de menor tamaño (su velocidad de sedimentación es de 70 S), compuestos por una subunidad pequeña de (30 S) y otra mayor de (50 S). Se encuentran dispersos en el protoplasma bacteriano, aislados o asociados en cadenas de ARNm (polirribosomas), y se encargan de la síntesis de proteínas.
* Cromosoma bacteriano. El ADN de la bacteria está constituido por una sola molécula en doble hélice (esta molécula es muy grande en comparación con el tamaño de la bacteria), circular, superenrollada y asociada a proteínas no histonas. Suele estar unida a los mesosomas. En las células bacterianas puede haber también una o varias moléculas de ADN extracromosómico de menor masa molecular que el cromosoma denominadas plásmidos. Estos plásmidos, en algunas bacterias, pueden tener genes que las protegen de los antibióticos o también genes que intervienen en los procesos de reproducción (plásmido F).
* Inclusiones. En el protoplasma bacteriano se encuentra una gran variedad de granulaciones, que cumplen, generalmente, la función de depósitos de sustancias de reserva.
* Flagelos. Son apéndices filiformes de mayor longitud que la bacteria que permiten su locomoción. Se presentan en número y disposición variable y están formados por fibrillas proteicas compuestas de una proteína llamada flagelina.
* Fimbrias o pili. Son filamentos huecos, delgados y rectos, situados en la superficie de determinadas bacterias y cuya función no está relacionada con la locomoción, sino con la adherencia a los substratos y el intercambio de fragmentos de ADN durante la conjugación.
FUNCIONES DE NUTRICIÓN EN LAS BACTERIAS La mayor parte de las bacterias son heterótrofas y deben tomar el alimento orgánico sintetizado por otros organismos. La obtención del alimento la hacen por diversos caminos:
* Las bacterias de vida libre suelen ser saprófitas, viven sobre materia orgánica muerta. * Muchas viven en relación estrecha con otros organismos. De ellas, la mayoría son comensales y no causan daños ni aportan beneficios a su huésped; algunas son parásitas (producen enfermedades) y otras son simbiontes.
Otras bacterias son autótrofas y utilizan compuestos inorgánicos para su nutrición:
* Las autótrofas fotosintéticas, como las bacterias sulfurosas verdes y purpúreas. No utilizan agua como dador de electrones en la fotosíntesis, sino otros compuestos, como el sulfuro de hidrógeno, y no producen oxígeno. Al poseer pigmentos que absorben luz casi infrarroja, pueden realizar la fotosíntesis prácticamente sin luz visible.
* Las autótrofas quimiosintéticas, a diferencia de las fotosintéticas, utilizan la energía que desprenden ciertos compuestos inorgánicos al oxidarse.
Independientemente del tipo de nutrición, las bacterias pueden necesitar el oxígeno atmosférico (bacterias aerobias) o no (bacterias anaerobias). Para algunas bacterias anaerobias el oxígeno es un gas venenoso (anaerobias estrictas), otras lo utilizan cuando está presente, aunque pueden vivir sin él (anaerobias facultativas).
FUNCIONES DE RELACIÓN EN LAS BACTERIAS
Las bacterias responden a un número elevado de estímulos ambientales diversos mediante modificaciones de su actividad metabólica o de su comportamiento. Ciertas clases, ante los estímulos adversos del ambiente, provocan la formación de esporas de resistencia, que, al ser intracelulares, se denominan endosporas.
Las endosporas bacterianas son estructuras destinadas a proteger el ADN y el resto del contenido protoplasmático, cuya actividad metabólica se reduce al estado de vida latente; pueden resistir temperaturas de hasta 80ºC y soportan la acción de diversos agentes físicos y químicos. En condiciones favorables germinan y dan lugar a una nueva bacteria (forma vegetativa).
Pero la respuesta más generalizada consiste en movimientos de acercamiento o distanciamiento respecto a la fuente de los estímulos (taxias) que pueden ser de varios tipos: flagelar, de reptación o flexuosos (parecido al de las serpientes, pero en espiral).
FUNCIONES DE REPRODUCCIÓN Y GENÉTICA BACTERIANA
* Reproducción por bipartición: Generalmente las bacterias se multiplican por bipartición o división binaria; tras la replicación del ADN, que está dirigida por la ADN polimerasa de los mesosomas, la pared bacteriana crece hasta formar un tabique transversal separador de las dos nuevas bacterias.
Ahora bien, además de este tipo de reproducción asexual, las bacterias poseen también un conjunto de mecanismos, definidos como parasexuales, mediante los cuales se intercambian fragmentos de ADN; esta transferencia de información genética de una bacteria a otra puede realizarse por conjugación, transformación o transducción:
* Conjugación. Es un mecanismo mediante el cual una bacteria donadora (bacteria F+ por tener un plásmido llamado plásmido F) transmite a través de las fimbrias o pili el plásmido F o también un fragmento de su ADN a otra bacteria receptora (a la que llamaremos F- por no tener el plásmido F). La bacteria F- se convertirá así en F+ al tener el plásmido F e incluso podrá adquirir genes de la bacteria F+ que hayan pasado junto con el plásmido F.
* Transformación. Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio donde vive. Sólo algunas bacterias pueden ser transformadas. Las que pueden serlo se dice que son competentes.
* Transducción. En este caso la transferencia de material genético de una bacteria a otra, se realiza a través de un virus bacteriófago que por azar lleva un trozo de ADN bacteriano y se comporta como un vector intermediario entre las dos bacterias. El virus, al infectar a otra bacteria, le puede transmitir parte del genoma de la bacteria anteriormente infectada.
3. MICROORGANISMOS SIN ORGANIZACIÓN CELULAR: LOS VIRUS
Los virus son organismos dotados de extraordinaria simplicidad, pertenecen a un nivel de organización subcelular, y marcan la barrera entre lo vivo y lo inerte. No se nutren, no se relacionan, carecen de metabolismo propio y para reproducirse utilizan la maquinaria metabólica de la célula a la que parasitan; su simplicidad estructural y funcional los convierte en parásitos intracelulares obligados, tanto de bacterias (bacteriófagos o fagos), como de las células animales y vegetales.
Las partículas víricas, llamadas también viriones, están constituidas por una molécula de ADN o ARN, nunca los dos en un mismo virus, contenida en el interior de una cápsula proteica y, en ocasiones, una envoltura membranosa.
ESTRUCTURA Y CARACTERÍSTICAS DE LOS VIRUS
Como ya se ha dicho, todo virus está formado por una envuelta proteica: la cápsida y por un ácido nucleico; además, algunos virus más complejos pueden tener una envoltura membranosa de lípidos y proteínas.
Los virus son muy pequeños y sólo son visibles mediante microscopía electrónica. Su tamaño oscila desde los 10 nm, en los pequeños virus de la poliomielitis, hasta los 300 nm en el virus de la viruela, el mosaico del tabaco -TMV- y otros. Se diferencian entre ellos, además de por el tamaño, por las características estructurales de la cubierta (la cápsida), por la naturaleza de su ácido nucleico, el modo de penetración en la célula hospedadora y el mecanismo de replicación.
3.1) Constitución y morfología de la cápsida Todos los virus presentan, sin excepción, una envoltura proteica, denominada, cápsida, compuesta por el ensamblaje de una o varias subunidades proteicas llamadas capsómeros, dispuestas a menudo en varias capas concéntricas.
La geometría de la cápsida es uno de los criterios que permite clasificar los virus en cuatro grupos: icosaédricos, helicoidales, complejos y con envoltura.
* Icosaédricos: son los virus de aspecto esférico, cuya cápsida adopta la estructura de un icosaedro (poliedro de 20 caras triangulares, 30 aristas y 12 vértices); por ejemplo: los adenovirus, el virus de la polio y los picornavirus.
* Helicoidales o cilíndricos: están representados por el virus del mosaico del tabaco y el virus de la rabia; presentan un aspecto alargado, que en realidad corresponde a un cilindro hueco, donde los capsómeros se ensamblan siguiendo un ordenamiento helicoidal, similar a los peldaños de una escalera de caracol.
* Complejos, como bacteriófagos (virus parásitos de bacterias) que parecen adoptar las dos estructuras anteriores. Al igual que los icosaédricos poseen una región icosaédrica llamada cabeza donde se aloja el ADN y una cola formada por una banda de simetría helicoidal en cuyo interior se encuentra un eje tubular. La cola está terminada en un conjunto de fibras y espinas caudales que constituyen el sistema de anclaje del virus a la bacteria a la que infecta.
* Virus con envoltura membranosa: La mayoría de los virus animales, como los de la gripe, la viruela, la hepatitis, el virus del SIDA, etc. poseen, además de la cápsida, una envoltura membranosa que no es mas que un fragmento de la membrana plasmática de la célula hospedadora que el virus arrastra al abandonarla mediante un proceso de gemación. La bicapa lipídica que forma esta envoltura posee un conjunto de glucoproteínas codificadas por el virus y dispuestas hacia el exterior, a modo de espículas, que constituyen su sistema de anclaje en los receptores de membrana de las células hospedadoras y, por tanto, median en el mecanismo de penetración por endocitosis o por fusión de membranas. La envoltura membranosa es muy importante desde el punto de vista inmunológico
3.2) El ácido nucleico
Es el componente esencial del virus y puede ser ADN monocatenario, por ejemplo, en el fago O-X-174, o ADN bicatenario, como el fago T4 , y los adenovirus; pero también existen virus con ARN bicatenario (los reovirus) y otros portadores de ARN monocatenario, como es el caso de los virulentos retrovirus, entre los que se encuentran el de la gripe, el sarampión, la rabia, el SIDA y determinados virus oncógenos causantes de ciertos tipos de cáncer (sarcoma de Rous, determinadas leucemias, etc.). Este último grupo contiene, además de los otros componentes mencionados, un enzima particular llamado retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, que le va a permitir transcribir su ARN en un ADN dentro de la célula infectada.
MECANISMOS DE REPLICACIÓN: CICLO VITAL DE LOS VIRUS
Aunque el genoma de un virus contiene escaso número de genes, es suficiente para inhibir la expresión génica de la célula hospedadora y obligarla a transcribir y traducir su breve mensaje. El modo de penetración , los mecanismos y los compartimentos celulares utilizados para la replicación, son diferentes en los distintos tipos de virus. De todos ellos, se pondrán como ejemplo el de los retrovirus y los bacteriófagos.
a) Ciclo vital de un retrovirus: El VIH causante del SIDA.
Los retrovirus son un grupo muy especial de virus animales. Son virus cuyo ácido nucleico es ARN, poseen envoltura y el enzima transcriptasa inversa.
EL VIH es un retrovirus relativamente complejo. Está constituido por una membrana lipídica con glucoproteínas dispuestas al exterior a modo de espículas. En el interior encontramos una cápsida proteica que encierra el material genético, formado por dos moléculas de ARN monocatenario y se encuentran ligadas, cada una de ellas, a una molécula de una enzima, la transcriptasa inversa.
b) Ciclo vital del fago T4.
El bacteriófago T4 es un virus complejo con una cabeza icosaédrica y una cola en la que hay una placa basal y fibras de fijación. El genoma se compone de una molécula de ADN bicatenaria que se encuentra profusamente empaquetada dentro de la cabeza.
El fago se fija en la pared bacteriana, en las regiones denominadas puntos de adherencia, a través de los cuales inyecta su ADN mediante la contracción de la vaina de la cola. Una vez en el protoplasma bacteriano, el ADN puede seguir dos caminos: multiplicarse y originar nuevos virus (vía lítica), con lo que se produce la destrucción de la bacteria, o integrarse en el cromosoma bacteriano y adoptar la forma de profago (vía lisogénica).
i) Ciclo lítico.
1) Fijación y entrada: Inicialmente el bacteriófago fija su cola a receptores específicos de la pared de la bacteria donde una enzima, localizada en la cola del virus, debilita los enlaces de las moléculas de la pared. A continuación el fago contrae la vaina helicoidal, lo que provoca la inyección del contenido de la cabeza a través del eje tubular de la cola del fago: el ácido nucleico penetra en la célula.
2) Multiplicación: Una vez dentro el ADN del virus, utilizando nucleótidos y la enzima ARNpolimerasa de la bacteria, dirige la síntesis de gran cantidad de ARNm viral. Este ARNm viral sirve de base para la síntesis de proteínas del virus (capsómeros, endonucleasas, endolisinas). El ADN vírico, utilizando los complejos enzimáticos de la bacteria, se replica muchas veces. Tanto los ácidos nucleicos replicados, como el resto de los componentes víricos que se han sintetizado, se ensamblan dando lugar a nuevos virus.
3) Lisis y liberación. En una bacteria pueden formarse unos 100 bacteriófagos que salen al exterior debido a la acción de la endolisina, enzima que lisa la pared bacteriana. Debido a ello se produce la ruptura de la pared bacteriana y la muerte de la célula. Los virus quedan libres para infectar nuevas células.
ii) Ciclo lisogénico.
No siempre se produce la lisis inmediata de la célula. Hay fagos atemperados o atenuados que se integran en el ADN bacteriano por entrecruzamiento de dos regiones idénticas del fago y de la bacteria, del mismo modo a como ocurre en los plásmidos. Estos fagos integrados se denominan profagos, y se replican pasivamente con el ADN de la bacteria. Las bacterias capaces de establecer esa relación con los fagos atenuados se denominan lisogénicas.
El ADN del profago puede permanecer en forma latente durante varias generaciones de la bacteria, hasta que un estímulo induzca la separación del profago que iniciará un ciclo lítico típico. Mientras la célula posea el ADN profago será inmune frente a infecciones de este mismo virus. Otros virus que no son bacteriófagos pueden también tener ciclos lisogénicos.
CLASIFICACIÓN DE LOS VIRUS
MECANISMOS DE TRANSCRIPCIÓN DE LOS VIRUS EN FUNCIÓN DE SU MATERIAL GENÉTICO.
VIROIDES
Son extremadamente sencillos y forman un escalón inferior a los virus. Son simplemente genomas desnudos, ARN de una cadena (pero en forma de horquilla, pues hay complementariedad entre sus bases, simulando un ARN doble para protegerse de los enzimas hidrolíticos celulares que atacan a los ARN simples) y no presentan cápsida proteica. Solamente causan enfermedades en los vegetales. Los viroides han producido pérdidas económicas importantes en cultivos de patata en USA y en cocoteros en Filipinas.
Son de menor tamaño que cualquiera de los genomas víricos conocidos, pero suficiente para poder codificar una proteína, pero no se cree que lo hagan ya que el ARN de los viroides carece de señales que se necesitan para la traducción del ARN a una proteína. Por lo tanto su información no se traduce, solo se replica. Parece probable que sea la ARNpolimerasa del hospedador, que está en el núcleo de las plantas, la que replica el genoma del viroide. No está claro cómo se transmiten entre células, dada la dificultad que opone la pared celular de las células vegetales a las que infectan.
4. MICROORGANISMOS CON ORGANIZACIÓN CELULAR EUCARIOTA
Son organismos formados por una sola célula, es decir, poseen la estructura típica de una célula eucariótica animal, aunque en ocasiones presenta una mayor complejidad en su organización. Tienen una membrana plasmática que los rodea y delimita, algunos forman un caparazón duro, calizo o silíceo, o bien una fina envoltura de quitina.
Su forma y tamaño son variables, pero casi todos ellos son microscópicos por lo que deben observarse al microscopio.
Algunos viven libres en aguas dulce o saladas. Cuando se deseca el medio en que viven forman un caparazón y se enquistan. Otros viven parásitos en animales o vegetales produciendo enfermedades, o bien, simbiosis con ellos.
Se suelen reproducir por bipartición simple, aunque algunos tienen otras modalidades e incluso se conocen procesos de reproducción sexual.
ALGAS MICROSCÓPICAS UNICELULARES
Son las algas formadas por una sola célula, viven en el agua y son capaces de realizar la fotosíntesis. Entre ellas podemos citar las Diatomeas que son algas de color amarillo que viven tanto en el mar como en el agua dulce y poseen un caparazón de sílice (frústula) constituido por dos piezas que encajan como una caja y su tapadera. Algunas algas unicelulares poseen flagelos merced a los cuales se mueven en el agua como es el caso de la Euglena viridis. Las algas unicelulares forman parte importante del llamado plancton.
HONGOS MICROSCÓPICOS
Bajo esta denominación se incluye un amplio grupo de organismos de gran heterogeneidad. Entre las características comunes a todos los hongos pueden destacarse dos:
a) Estar formados por una o más células eucariotas. b) Encontrarse desprovistos de clorofila u otro pigmento fotosintético.
Los hongos son organismos heterótrofos que necesitan para su nutrición sustancias orgánicas ya elaboradas; la mayoría son saprófitos - se desarrollan sobre materia orgánica en descomposición - y otros son parásitos que producen enfermedades en el hombre y otros animales y vegetales.
Dentro de los hongos podemos encontrarlos unicelulares (levaduras) y pluricelulares (mohos), estos tienen una estructura denominada "talo" y que suele estar constituida por una serie de filamentos denominados "hifas", que pueden ser ramificadas y tabicadas, formando, en su conjunto, una estructura denominada "micelio". Su reproducción puede ser sexual o asexual (gemación, esporulación, fragmentación) y su clasificación es compleja y se puede realizar atendiendo a diferentes caracteres
APLICACIONES Y SU PAPEL EN EL ECOSISTEMA
El papel que los hongos ejercen en la naturaleza resulta de gran importancia, sobre todo si tenemos en cuenta su actividad descomponedora en los ecosistemas (reciclaje de materia orgánica) y también forman parte fundamental en la actividad humana, así es conocido su papel en la alimentación humana, en la agricultura, silvicultura, industria química, enfermedades humanas...etc. Los hongos son capaces de descomponer algunos materiales fabricados y usados por el hombre a partir de materiales de origen orgánicos (vegetal y animal); reciclan por tanto estos materiales como si se tratara de la materia orgánica que forma parte del ecosistema (biodeterioro). Por otra parte, desde hace cientos de años el hombre ha utilizado diferentes especies de hongos para la transformación de alimentos, un claro ejemplo son las levaduras utilizadas en la elaboración de la cerveza y del vino (Saccharomyces), de los quesos (algunas especies de Penicillium), del pan, etc. Los hongos son muy importantes en la industria química como productores de numerosas sustancias como vitaminas, cortisonas, ácidos orgánicos y sobre todo antibióticos (en este sentido cabe recordar que la penicilina fue descubierta por Fleming a partir de una especie de Penicillium). Los hongos también pueden ser agentes patógenos directos sobre el ser humano, son causantes de numerosas micosis superficiales en la piel, uñas, pelo, etc. y micosis profundas con mayor riesgo para la salud. También puede haber alergias micógenas provocando molestias respiratorias (por las esporas).
5. INTERVENCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LAS TRANSFORMACIONES O CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.
Las bacterias y los hongos son los microorganismos que, junto a los productores, permiten la existencia del ciclo de la materia en la biosfera. Su función es descomponer la materia orgánica procedente de restos vegetales, cadáveres y excrementos, convirtiéndola en materia inorgánica que vuelve a ser utilizada por los productores.
La actividad de los descomponedores en la biosfera permite que la materia se recicle y no se disperse en las sucesivas transferencias, como ocurre con la energía.
Muchos de los elementos químicos que componen los materiales terrestres están sometidos a unos circuitos cíclicos que consisten, básicamente, en que pasan de formar parte de materia inorgánica inerte a formar parte de materia constitutiva de seres vivos y de éstos, posteriormente, de nuevo a materia inorgánica inerte, cerrándose el ciclo. Estos ciclos de la materia son los ciclos biogeoquímicos.
Como ejemplos de ciclos biogeoquímicos, y el papel que desempeñan los microorganismos en ellos, estudiaremos el ciclo del carbono y el ciclo del nitrógeno:
Mediante el proceso de fotosíntesis, las plantas toman el carbono en forma de CO2 de la atmósfera o del agua, asimilándolo durante la fase oscura de dicho proceso para formar moléculas orgánicas. Parte del carbono vuelve al medio inerte en la misma forma de CO2 como resultado de la respiración tanto de las propias plantas como de los organismos consumidores y descomponedores. Los desechos, restos o cadáveres que contienen carbono vuelven también al medio inorgánico por acción de los descomponedores (bacterias y hongos).
Una parte muy importante del carbono, puede tardar millones de años en incorporarse al medio inerte. Es el caso del carbono que llega a formar parte del petróleo y del carbón mineral. Este carbono puede volver al ciclo por combustión de estos combustibles fósiles.
La fuente principal de nitrógeno es la atmósfera, de la que este gas constituye un 78%; sin embargo, este nitrógeno atmosférico sólo puede ser fijado por un grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno que transforman este gas en compuestos nitrogenados utilizados directamente por las plantas. Entre el grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno está el género Rhizobium que se encuentra en simbiosis con las raíces de las plantas leguminosas (guisantes, judías, tréboles, alfalfa, etc.), estas bacterias se introducen en los tejidos del vegetal, donde proliferan y desarrollan una especie de nódulos fijadores del nitrógeno.
El resto de las plantas depende del nitrógeno que se encuentra en el suelo, de donde lo toman en forma de nitratos.
Cuando cualquier organismo muere, el nitrógeno de los restos orgánicos, como son las proteínas y los ácidos nucleicos, por acción de bacterias y hongos presentes en el suelo, se convierte en amoniaco o ión amonio (amonificación).
Otros grupos de bacterias del suelo oxidan los iones amonio a nitritos y finalmente las bacterias nitrificantes oxidan los nitritos a nitratos. Los nitratos son ya fácilmente absorbidos por las raíces de las plantas y utilizados para formar moléculas propias, que contienen nitrógeno (proteínas y ácidos nucleicos). Mediante las cadenas tróficas posteriores, el nitrógeno asimilado en estas moléculas del vegetal pasa a los animales.
Existe un grupo de bacterias desnitrificantes que en condiciones anaerobias y de inundación convierten los nitratos del suelo en nitrógeno molecular que escapa a la atmósfera. Por eso los agricultores drenan las tierras para reducir la desnitrificación y añaden fertilizantes para incrementar los niveles de nitrato del suelo.
6. LOS MICROORGANISMOS COMO AGENTES DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS
La mayoría de los microorganismos son inocuos para los demás seres vivos. Muchos de ellos incluso se han adaptado a las condiciones especiales que tienen los tejidos de los animales, viviendo en ellos, en su piel, en sus conductos digestivos o respiratorios; son la denominada flora normal. Sin embargo, los microbios más conocidos son aquellos que producen enfermedades infecciosas en las plantas, en los animales y en la especie humana; estos son los microorganismos patógenos.
El grado de patogenidad se denomina virulencia y se mide, generalmente, por el número de microorganismos necesarios para desarrollar la enfermedad. Hay microorganismos que normalmente no son patógenos pero pueden serlo cuando disminuyen los mecanismos defensivos de un animal: son los microorganismos oportunistas.
VÍAS DE INFECCIÓN
El primer paso en una infección es la colonización por parte de los microorganismos de tegumentos y mucosas corporales, donde deben competir con otros microorganismos comensales. Los que superan esta primera fase con más éxito son los que producen las enfermedades más contagiosas.
La entrada de microorganismos en el cuerpo del hospedador puede tener lugar a través de distintas vías:
- Heridas o abrasiones en los tegumentos. - Roturas microscópicas en las mucosas. - Picaduras de artrópodos. - Adherencia específica del microorganismo a las células del hospedador y paso a través de células epiteliales. - En determinadas circunstancias, algunos microorganismos forman colonias muy numerosas en los tegumentos, las cuales son responsables de una lesión epitelial, produciéndose inflamación y rotura, a través de la cual penetran.
Una vez dentro, los microbios tienen que reproducirse, ya sea en una lesión superficial, ya sea en un tejido específico al que son conducidos por vía linfática o sanguínea. En esta primera fase tienen que superar los mecanismos defensivos del hospedador, lo que incluye la inflamación, la detención en los ganglios linfáticos y su eliminación de la sangre por acción de los fagocitos. Si consiguen superarlos, se desarrolla la enfermedad. El tiempo que transcurre desde que penetran hasta la manifestación de los síntomas de enfermedad se denomina período de incubación.
Las infecciones pueden ser superficiales, si el microorganismo se multiplica en las células epiteliales de la zona de entrada, o sistémicas si alcanzan los vasos sanguíneos y se multiplican en varios órganos a la vez.
Factores de patogenicidad. Toxinas
Según la infección va progresando, se empiezan a manifestar los síntomas de la enfermedad. Esto nos indica que el hospedador ya ha sufrido una lesión por diversas causas:
* La producción de enzimas extracelulares como la lecitinasa que hidroliza los lípidos de membrana de las células huésped; las hemolisinas que lisan los glóbulos rojos, liberando al plasma su hemoglobina, etc.
7. BIOTECNOLOGÍA
La biotecnología es el conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales para obtener determinados productos comerciales o para realizar importantes transformaciones químicas.
La biotecnología se ocupa, entre otros, de procesos tan diferentes como la clonación, la terapia génica, la inseminación in vitro, la obtención de bebidas alcohólicas, etc.
Aunque el término es moderno, reúne técnicas y métodos conocidos desde la antigüedad. Por ejemplo, la fabricación del pan, que ya realizaban los antiguos egipcios, la mejora de las razas de animales y la obtención de plantas con mayor producción de frutos.
El término biotecnología se comenzó a usar a finales de los años setenta, tras la aparición de la ingeniería genética, que se basa en la manipulación del material genético de las células.
En la actualidad, con la expansión de la biotecnología y los métodos de manipulación genética, los microorganismos han sido modificados para fabricar productos útiles que los microorganismos no producen de manera natural.
BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DEL MEDIO AMBIENTE
Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver, de diferentes y novedosas maneras, el problema de la contaminación ambiental.
Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química de distintos ecosistemas. La ingeniería genética permite combinar las características de estos microorganismos para aumentar su eficacia o generar microbios recombinantes con nuevas características.
Aunque muchos microorganismos diferentes juegan un papel esencial en los equilibrios ambientales, la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas actuales se realizan con ciertos tipos de bacterias.
Algunas de las aplicaciones de la biotecnología a la mejora del medio ambiente son las siguientes:
BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DE LA SALUD
La biotecnología tiene en la salud humana, entre otros, los siguientes campos de aplicación:
- Prevención de enfermedades hereditarias. - Terapia génica. - Producción de vacunas. - Obtención de anticuerpos monoclonales e interferones. - Producción de hormonas (por ejemplo insulina y hormona del crecimiento). - Producción de antibióticos y otros productos farmacéuticos.
BIOTECNOLOGÍAS DE LOS ALIMENTOS
El hombre desde la antigüedad ha obtenido productos alimenticios con la intervención de los microorganismos, a pesar de desconocer su existencia. Hoy día gracias al conocimiento de sus características y metabolismo, son explotados industrialmente en la fabricación de numerosos alimentos y bebidas. Por ejemplo:
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