Microbiología: definición, historia y procesos metabólicos microbianos

¿De qué trata la microbiología?

La microbiología es una rama de la biología que estudia los microorganismos, seres vivos tan pequeños que no pueden observarse a simple vista. Estos incluyen bacterias, virus, hongos, protozoos, entre otros. Tiene aplicaciones en:

• El medio ambiente (como el reciclaje de nutrientes).
• La industria (producción de alimentos, antibióticos, etc.).
• La salud de animales, plantas y humanos (enfermedades y su prevención o tratamiento).

Etimología de la palabra "Microbiología"

Viene del griego:

• Mikros: pequeño
• Bios: vida
• Logos: estudio o ciencia

Por lo tanto, microbiologia significa "el estudio de la vida pequeña".

Origen de la vida y evolución microbiana

La vida en la Tierra comenzó con microorganismos. Todos los seres vivos provienen de un ancestro comun llamado LUCA (Last Universal Common Ancestor).

Existen tres dominios celulares principales:

• Bacteria
• Archaea
• Eukarya

Contexto histórico de la microbiología

Primeras observaciones

• Robert Hooke: observo estructuras vegetales microscópicas.Antony van Leeuwenhoek: descubrió microorganismos con lentes simples.

Experimentos de Pasteur

Demostró que la generación espontánea (la idea de que la vida surge de materia inerte) es falsa. Sus experimentos con matraces de cuello de cisne mostraron que los microorganismos venian del aire.

Aportes de Tyndall

Confirmo que el aire contiene microorganismos resistentes, lo cual explico por que algunos caldos no se esterilizaban.

Experimentos de Koch

Relaciono microorganismos con enfermedades infecciosas. Desarrollo los postulados de Koch, que son criterios para establecer si un microorganismo causa una enfermedad.

Microscopia

La microscopia permite observar organismos invisibles al ojo humano. Hay dos tipos principales:

Microscopio óptico

• Usa luz.
• Se utiliza en prácticas rutinarias.
• Permite ver microorganismos mayores de 0,2 micras.

Microscopio electrónico

• Usa electrones.
• Mayor poder de resolución (hasta 0,001 micras).
• Permite ver estructuras subcelulares.

Tamaño de las células

Se mide en micrómetros (um):

• Células animales/vegetales: ~ 10 um
• Bacterias: ~ 1 um
• Virus: ~ 0,1 pm

Glosario de términos clave

• Microorganismo: ser vivo microscópico.
• Patógeno: microorganismo que causa enfermedades.
• Dominio: categoria que agrupa a Bacteria, Archaea y Eukarya.
• Endospora: estructura resistente generada por algunas bacterias.
• Estéril: sin organismos vivos.
• Cultivo puro: contiene un solo tipo de microorganismo.
• Resolución: capacidad del microscopio para distinguir dos puntos cercanos.

Comparación entre células bacterianas y células eucariotas microbianas

• Bacterianas (procariotas): pequeñas (~1 um), sin núcleo definido ni orgánulos membranosos.
• Eucariotas: incluyen hongos, protozoos y algas. Tienen nucleo, orgánulos como mitocondrias y aparato de Golgi, y estructuras mas complejas.

Tamaño, forma y agrupaciones bacterianas

Las bacterias suelen medir alrededor de 1 um y pueden presentar diversas formas:

• Cocos (esféricas)
• Bacilos (alargados)
• Espinlos (helicoidales)

Y diferentes agrupaciones:

• Diplococos, estreptococos, estafilococos, etc.

Estructura de la envoltura celular bacteriana

Está compuesta por:

• Capsula o capa de limo: protección adicional y adhesión a superficies.
• Pared celular: brinda forma y rigidez.
• Membrana citoplasmatica: regula el paso de sustancias.

Membrana citoplasmatica

• Compuesta por una bicapa lipidica con fosfolipidos.
• Tiene funciones clave:

a Permeabilidad selectiva = Transporte de sustancias. = Generación de energía (fuerza proton motriz). = Detección de señales ambientales.

Pared celular bacteriana y tinción de Gram

• La tinción de Gram permite clasificar bacterias según su pared:

= Gram positiva: pared gruesa de peptidoglicano. = Gram negativa: pared delgada + membrana externa con LPS (lipopolisacáridos).

• Esta estructura es clave para entender su resistencia y susceptibilidad a antibióticos.

Protección osmótica

La pared celular protege frente a cambios osmoticos. En soluciones:

• Hipotónicas: el agua entra, puede causar lisis si no hay pared.
• Hipertónicas: el agua sale, causando plasmólisis.
• Isotónicas: equilibrio.

Citoplasma bacteriano

Composición:

• Agua + macromoléculas (proteínas, lípidos, polisacáridos, ácidos nucleicos).

Estructuras internas:

• Inclusiones: almacenamiento de nutrientes.
• Vacuolas de gas: flotación.
• Ribosomas: sintesis proteica.
• Nucleoide: ADN bacteriano.

Estructuras externas para el movimiento

• Flagelos: responsables del movimiento bacteriano.
• Fimbrias (o pili): adhesión a superficies, intercambio genetico.

Endosporas bacterianas

• Producidas por algunas bacterias Gram positivas.
• Resisten condiciones extremas (desecación, calor, pH, radiación, quimicos).
• Pueden germinar cuando las condiciones mejoran, volviendo a la forma vegetativa.

Resumen funcional de estructuras bacterianas

Estructura Función Membrana plasmática Barrera selectiva y transporte Vacuola de gas Flotación Ribosomas Sintesis de proteinas Inclusiones Almacenamiento de compuestos Nucleoide Material genético Pared celular Protección osmótica y forma Cápsula Adherencia y protección Fimbrias/pili Adhesión y conjugación Flagelos Movimiento Endospora Supervivencia extrema

Células eucariotas microbianas

Caracteristicas:

• Pared celular (cuando está presente) es distinta quimicamente a la bacteriana.
• Tienen nucleo con membrana nuclear.
• Reproducción por mitosis.
• Poseen organelos: mitocondrias, cloroplastos, reticulo endoplasmático, Golgi, etc.

I

¿Qué es el metabolismo microbiano?

Es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren dentro de la célula, necesarias para:

• Obtener energía
• Crecer

Moverse

• Transportar sustancias

La energía puede provenir de:

• Luz
• Compuestos quimicos
• Otros nutrientes

Anabolismo y catabolismo

• Catabolismo: procesos de degradación de nutrientes - liberan energía.
• Anabolismo: procesos de sintesis de componentes celulares _ consumen energía.

Ambos usan:

• ATP como fuente energetica.
• Poder reductor (como NADH).
• Metabolitos precursores para construir moleculas.

Energía libre (G) y reacciones químicas

• AG'' negativo: la reacción libera energía -> exergonica
• AGº' positivo: la reacción requiere energía -> endergónica

Energía de activación y enzimas

• La energía de activación es la mínima necesaria para que ocurra una reacción.
• Las enzimas (catalizadores biológicos) reducen esta energía -> hacen que las reacciones ocurran más rápido y eficientemente.
• Son proteínas específicas y reutilizables.

Componentes de las enzimas

• Apoenzima: parte proteica.
• Coenzima: unida débilmente (NAD+, FAD, NADP+).
• Grupo prostético: unido fuertemente y de forma permanente.

Clasificación de los microorganismos según sus fuentes

• Fuente de energía: Luz: Fototrofos ○ ○ Química: Quimiotrofos
• Fuente de electrones: ○ Orgánicos: Organótrofos ○ Inorgánicos: Litótrofos
• Fuente de carbono: ○ CO2: Autótrofos ○ Orgánicos: Heterótrofos

Quimioorganotrofos y conservación de energía

Utilizan compuestos orgánicos como:

• Fuente de energía y electrones

Y usan tres vías:

1. Respiración aeróbica
2. Respiración anaeróbica
3. Fermentación

Principales vías catabólicas

Oxidan glucosa y generan:

• ATP
• Poder reductor
• Precursores biosintéticos

Vías:

• Glucolisis o EMP
• Pentosas fosfato
• Entner-Doudoroff (ED)
• Ciclo de Krebs

ATP: energía celular

• Es la "moneda energética" de la célula.
• Se forma principalmente por: ○ Fosforilación a nivel de sustrato ○ Fosforilación oxidativa

Reacciones REDOX

• Oxidación: pérdida de electrones
• Reducción: ganancia de electrones

Estas reacciones permiten liberar energía útil para la célula.

Respiración aeróbica

• Donador de electrones: compuesto orgánico
• Aceptor final de electrones: oxígeno
• Forma ATP mediante cadena de transporte de electrones
• Utiliza ATP sintasa y fuerza protónmotriz

Respiración anaeróbica

• Igual que la aeróbica pero el aceptor final de electrones no es oxígeno (ej: nitrato, sulfato).
• Menor rendimiento energético.

Fermentación

• No requiere cadena de electrones.
• El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico.
• Menor generación de ATP (solo por glucólisis).

Productos comunes:

• Ácido láctico (ej: bacterias lácticas)
• Etanol + CO2 (ej: Saccharomyces cerevisiae)

Fermentación de diversos sustratos

Enzimas involucradas:

• ß-galactosidasa
• Invertasa
• Isomerasa
• Celulasa
• Amilasa

Permiten degradar distintos azúcares complejos.

Resumen de las vías de oxidación

Tipo de Aceptor final de e- Producto final Oxidación de C catabolismo Respiración aeróbica O2 CO2 Total Anaeróbica Otro inorgánico CO2 Total Fermentación Compuesto orgánico Diversos Parcial

Preguntas para reflexionar

• ¿ Qué pasaría sin enzimas?
• ¿ Diferencia entre respiración aeróbica y anaeróbica?
• ¿ Una reacción con AGº' negativo es exergónica o endergónica?
• ¿ Por qué el ATP es de alta energía?
• ¿ Qué rol cumple NAD+/NADH en la glucólisis?

¿Qué pasaría sin enzimas?

Las reacciones serían muy lentas y la célula no podría vivir.

¿Diferencia entre respiración aeróbica y anaeróbica?

• Aeróbica: usa oxígeno, produce más ATP.
• Anaeróbica: usa otro aceptor, menos ATP.

¿AGº' negativo es ...?

Exergónica: libera energía.

¿Por qué el ATP es de alta energía?

Libera mucha energía al romperse sus enlaces fosfato.

¿Función de NAD+/NADH en glucólisis?

Transporta electrones y permite que continúe la glucólisis.

Nutrición Microbiana

Composición Química de la Célula

• Las células microbianas están compuestas principalmente por agua (70-80% del peso húmedo).
• El agua es vital para las reacciones químicas y el transporte de nutrientes.

Necesidades Básicas de la Célula

Una célula necesita:

• Agua
• Fuente de energía
• Macronutrientes (en grandes cantidades)
• Micronutrientes (en pequeñas cantidades)
• Factores de crecimiento (como vitaminas)
• Condiciones ambientales adecuadas: temperatura, pH, luz, atmósfera, actividad de agua, y potencial redox.

Macronutrientes

Principales Macronutrientes:

• Carbono (C): indispensable para formar compuestos orgánicos.
• Nitrógeno (N): necesario para ácidos nucleicos y proteínas.
• Hidrógeno (H) y Oxígeno (O): importantes para el agua y moléculas orgánicas.
• Fósforo (P): vital en ATP y ácidos nucleicos.
• Azufre (S): se encuentra en ciertos aminoácidos y coenzimas.

Otros Macronutrientes:

• Hierro, Magnesio, Calcio, Potasio y Sodio: participan en estructuras celulares, transporte y funciones enzimáticas.

Micronutrientes y Factores de Crecimiento

• Incluyen metales como Cobalto, Zinc, Níquel, Manganeso, Cobre, Molibdeno y Selenio.
• Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos que el microorganismo no puede sintetizar: vitaminas, purinas y pirimidinas.

Crecimiento Microbiano

Definición

• Es el aumento en el número de células (no en tamaño) y el crecimiento ordenado de sus componentes.

Fisión Binaria

• Forma de reproducción asexual típica en bacterias y arqueas.
• Una célula madre se divide en dos células hijas idénticas.

Crecimiento en Sistema Cerrado (Cultivo en Batch)

Este crecimiento sigue una curva con 4 fases:

1. Fase Lag (Latencia):