Libro Microbiología Básica Para El Área de La Salud y Afines (HUGO)

Microbiología básica para el área de la salud y afines 2.a edición

Colección Salud © Hugo Humberto Montoya Villafañe © Editorial Universidad de Antioquia ISBN: 978-958-714-090-3 Segunda edición: marzo de 2008 Corrección de texto: Miriam Velásquez Diseño de cubierta: Anastasia Garzón Vidal Diagramación: Marcela Mejía Escobar Impresión y terminación: Imprenta Universidad de Antioquia Impreso y hecho en Colombia / Printed and made in Colombia Prohibida la reproducción total o parcial, por cualquier medio o con cualquier propósito, sin autorización escrita de la Editorial Universidad de Antioquia. Editorial Universidad de Antioquia Teléfono: (574) 219 50 10 Telefax: (574) 219 50 12, (574) 2198382 Página web: www.editorialudea.com E-mail: [email protected] Apartado 1226. Medellín. Colombia Imprenta Universidad de Antioquia Teléfono: (574) 219 53 30. Telefax: (574) 219 53 32 E-mail: [email protected] El contenido de las obras corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos contenidos en las obras, así como por la eventual información sensible publicada en ellas.

Montoya Villafañe, Hugo Humberto Microbiología básica para el área de la salud y afines / Hugo Humberto Montoya Villafañe. —2a. ed. —Medellín : Universidad de Antioquia, 2008. 254 p . : i l . ; 24 cm. —(Colección salud) Incluye glosario p. 229. Incluye bibliografía. ISBN 978-958-714-090-3 1. Microbiología médica 2. Bacteriología médica 3. Parasitología médica I. Tít. II. Serie. 616.01 cd 21 ed. A l 144896 CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Angel Arango

Microbiología básica para el área de la salud y afines 2.a edición Hugo Humberto Montoya Villafañe

Colección Salud Editorial Universidad de Antioquia

Me llena de satisfacción e inmenso orgullo dedicar esta obra a mi madre, motivo de superación constante y motor de mi vida A esas personas irremplazables que partieron del núcleo fami­ liar y ahora se encuentran en compañía de Dios; a mi inolvida­ ble tía, “La gorda Betty”: estarás por siempre en mi memoria A mis estudiantes, para quienes cualquier esfuerzo de mi parte, es insuficiente

Contenido

Prefacio..................................................................................................

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1.Historia de la microbiología.............................................................. Generación espontánea..................................................................... Teoría del germen en la fermentación............................................... Teoría del germen de la enfermedad................................................. Postulados de Koch........................................................................ Aplicaciones de la microbiología...................................................... Distribución de los microorganismos............................................... Clasificación de los microorganismos.............................................. Microscopía....................................................................................... Unidades utilizadas en microscopia............................................... Tipos de microscopios................................................................... 1. Microscopio de luz, óptico o de campo claro............................ 2. Microscopio de luz ultravioleta................................................. 3. Microscopio de campo oscuro................................................... 4. Microscopio de contraste de fases............................................. 5. Microscopio de fluorescencia.................................................... 6. Microscopio electrónico............................................................ Historia de la microbiología: sumario............................................... Preguntas para autocontrol del aprendizaje.......................................

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2 Morfología y fisiología de las bacterias............................................ Características morfológicas mayores de las bacterias..................... Tamaño........................................................................................... Forma ............................................................................................ Ordenamiento................................................................................. Cocos............................................................................................. Bacilos........................................................................................... Espirales o helicoidales................................................................. Características morfológicas menores de las bacterias..................... Estructuras obligadas .................................................................... Pared celular................................................................................... Micoplasmas..................................................................................

22 22 23 23 23 23 25 27 28 30 31 38

Membrana citoplasmática.............................................................. Bacterias Gram positivas............................................................... B acterias Gram negativas............................................................... Membrana externa ........................................................................ Periplasma..................................................................................... Mesosomas..................................................................................... Citoplasma..................................................................................... Ribosomas...................................................................................... Nucleoide....................................................................................... Estructuras facultativas.................................................................. Cápsula........................................................................................... Limo o slime, capa mucosa o capa mucilaginosa.......................... Glicocálix o glicocáliz................................................................... Gránulos de almacenamiento......................................................... Flagelos......................................................................................... Fimbrias......................................................................................... Pili.................................................................................................. Esporo............................................................................................ Germinación................................................................................... Taxonomía......................................................................................... Categorías taxonómicas (taxa)....................................................... Nomenclatura................................................................................. Género........................................................................................... Especie.......................................................................................... Nombres comunes de las bacterias................................................ Nombres científicos de las bacterias.............................................. Morfología y fisiología bacteriana: sumario..................................... Preguntas para autocontrol del aprendizaje.......................................

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3 Nutrición y metabolismo de las bacterias........................................

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Enzimas............................................................................................. Propiedades fisicoquímicas........................................................... Condiciones que afectan la actividad enzimática.......................... Reacciones fundamentales............................................................. Nomenclatura................................................................................ Reglas para nombrar y clasificar las enzimas................................ Naturaleza y mecanismo de la acción enzimática ........................ Inhibición de la acción enzimática................................................. Inhibición reversible...................................................................... Inhibición irreversible.................................................................... Metabolismo bacteriano.................................................................... Nutrición........................................................................................... Condicionantes fisicoquímicos del crecimiento bacteriano........... Concentración de iones de hidrógeno: pH..................................... La luz y otros tipos de radiación.................................................... Temperatura................................................................................... Presión osmótica............................................................................

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Potencial de óxido-reducción: eH.................................................. Presencia de dióxido de carbono: C 02 .......................................... Humedad........................................................................................ Nutrientes como fuente de energía.................................................... Autotróficas.................................................................................... Heterótrofas.................................................................................... Nutrientes necesarios para las bacterias............................................ Nutrientes básicos.......................................................................... Macronutrientes............................................................................. Micronutrientes u oligoelementos................................................. Metabolitos esenciales................................................................... Factores de crecimiento................................................................. Factores estimulantes..................................................................... Origen de los nutrientes bacterianos.............................................. Medios de cultivo.............................................................................. Clasificación.................................................................................. Consistencia................................................................................... Origen ........................................................................................... Composición y utilización ............................................................ Fuentes de energía............................................................................. Energía radiante............................................................................. Energía química............................................................................. Mecanismo de transmisión de la energía química............................. Glucólisis....................................................................................... Fermentación................................................................................. Vía o ciclo de la pentosa fosfato.................................................... Catabolismo de los carbohidratos..................................................... Degradación de los monosacáridos................................................ Ciclo del ácido cítrico.................................................................... Reacción de transición................................................................... Cadena de transporte electrónico................................................... Catabolismo de las proteínas............................................................. Catabolismo de los lípidos................................................................ Reproducción y desarrollo bacterianos............................................. Fisión binaria transversa................................................................ Fragmentación............................................................................... Esporas........................................................................................... Gemación....................................................................................... Ciclo de desarrollo normal de los cultivos bacterianos.................. Fase lag o de adaptación................................................................ Fase logarítmica o exponencial...................................................... Fase estacionaria............................................................................ Fase de declinación, decadencia o muerte .................................... Periodo de transición entre las fases de desarrollo........................ Metabolismo bacteriano: sumario..................................................... Preguntas para autocontrol del aprendizaje.......................................

68 68 68 69 69 69 70 70 70 72 72 72 72 73 73 73 73 73 74 75 75 76 76 78 80 81 82 83 83 84 84 87 90 90 90 90 92 92 92 93 93 94 94 94 94 95

4 Genética bacteriana.............................................................................97 Ácido desoxirribonucleico (ADN).................................................... ..97 Ácido ribonucleico .............................................................................98 Herencia de las características y la variabilidad................................ ..98 Variaciones fenotípicas o temporales (adaptaciones).................... ..99 Variaciones genotípicas o permanentes...........................................101 Tipos de mutantes bacterianos....................................................... ..107 Recombinación genética bacteriana.................................................. ..107 Conjugación....................................................................................107 Sistema F+........................................................................................109 Sistema H fr......................................................................................109 Transformación ...............................................................................110 Transducción....................................................................................111 Genética bacteriana: sumario..............................................................113 Preguntas para autocontrol del aprendizaje.........................................114 5 Inmunología básica............................................................................ ..116 Reseña histórica..................................................................................116 Sistema inmunitario.............................................................................117 Inmunidad inespecífica....................................................................118 Resistencia de especie o genética...................................................118 Barreras mecánicas y químicas......................................................120 Respuesta inflamatoria y fiebre...................................................... .120 Interferón........................................................................................122 Complemento.................................................................................122 Inmunidad específica..................................................................... .122 Linfocitos T ....................................................................................123 Linfocitos B ...................................................................................123 Clases de antígenos............................................................................125 Anticuerpos........................................................................................126 Clases de anticuerpos o inmunoglobulinas.....................................127 Inmunoglobulina G ....................................................................... .127 Inmunoglobulina M .......................................................................128 Inmunoglobulina A ........................................................................128 Inmunoglobulina E ........................................................................ .130 Inmunoglobulina D ....................................................................... .131 Reacciones antígeno-anticuerpo....................................................... .131 Aglutinación...................................................................................133 Precipitación ..................................................................................133 Neutralización................................................................................134 Tipos de inmunidad específica ..........................................................135 Conceptos básicos de inmunología: sumario.....................................135 Preguntas para autocontrol del aprendizaje........................................136 6 V irus.....................................................................................................139 Reseña histórica.................................................................................140 Características de los virus................................................................140

Morfología......................................................................................... ..141 Composición...................................................................................... ..143 Estructura............................................................................................143 Acción de los agentes físicos y químicos sobre los virus...................144 Agentes físicos.............................................................................. ..144 Agentes químicos............................................................................145 Cultivo de los virus............................................................................ ..145 Animales de experimentación........................................................ ..145 Huevos embrionados...................................................................... ..145 Cultivos tisulares.............................................................................146 Cultivos celulares........................................................................... ..146 Detección del desarrollo de los virus................................................ ..148 Patogenia viral.....................................................................................150 Virus bacterianos............................................................................... ..150 Infección viral................................................................................... ..152 Ciclo lítico........................................................................................152 Etapa 1: adsorción.......................................................................... ..153 Etapa 2: infección.......................................................................... ..153 Etapa 3: replicación.........................................................................153 Etapa 4: ensamblaje....................................................................... ..154 Etapa5:lisis................................................................................... ..154 Ciclo lisogénico............................................................................. ..154 “Ecología” y mecanismos de transmisión viral...................................155 Contacto directo persona-persona...................................................155 Transmisión de animal a animal......................................................156 Transmisión si se tiene como vector un artrópodo ....................... ..156 Virus: sumario................................................................................... ..157 Preguntas para autocontrol del aprendizaje.........................................158 7 Hongos................................................................................................. ..159 Importancia........................................................................................ ..159 Composición..................................................................................... ..160 Morfología......................................................................................... ..160 Hongos unicelulares: levaduras..................................................... ..160 Hongos pluricelulares: mohos ........................................................161 Reproducción .....................................................................................163 Reproducción asexual.....................................................................163 Reproducción sexual.......................................................................164 Fisiología y nutrición .........................................................................165 Medios de cultivo................................................................................165 Clasificación........................................................................................166 Chytridiomycota-Chytridiomicetes..................................................167 Zygomycota-Zigomicetes................................................................167 Reproducción...................................................................................167 Ascomycota-ascomicetes.................................................................169 Levaduras.........................................................................................170 Basidiomycota-Basidiomicetes...................................................... ..173

Deuteromycota ................................................................................176 Hongos; sumario............. ................................................................. ..178 Preguntas para autocontrol del aprendizaje......................................... 178 Referencias bibliográficas .................... ..............................................178

8 Introducción a la parasitología......................................................... ..179 Parásitos .............................................................................................180 Composición bioquímica ................................................................180 Respiración y metabolismo.......................................................... ..181 Fisiología ..................................................................................... ..181 Nomenclatura............................................................ ......................181 Fuentes de las parasitosis.............................................................. ..181 Vías de entrada................................................................................182 Sarcodina (ameboides)........................................................................183 8A Protozoos............................................................................................183 Ciclo biológico................................................................................184 Ciliophora (ciliados)............................................................................185 Mastigophora (flagelados)..................................................................187 Giardia lamblia (flagelado intestinal)..............................................187 Ciclo biológico.................................................................................188 Trichomonas vaginalis (flagelado atrial)..........................................189 Tripanosoma cruzi (hemoflagelado)................................................190 Ciclo biológico................................................................................190 Leishmania braziliensis (hemoflagelado)........................................192 Sporozoa o Apicomplexa (esporozoos)...............................................192 Plasmodium................. ................................................................. ..192 Ciclo biológico.................................................................................193 Toxoplasma gondii............................................. ........................... ..194 Nematelmintos (phylum Nematodá)....................................................195 Platelmintos (phylum Platyhelminthes)...............................................195 Clase Trematoda..............................................................................195 Clase Cestoda o Cestoidea..............................................................195 8B Helmintos...........................................................................................195 Nematoda o nematelmintos ............................................................196 Ascaris lumbricoides........................................................................196 Necator americanus..........................................................................197 Enterobius vermicularis...................................................................198 Platyhelminthes o platelmintos..................................................... ..199 Taenia solium................................................................................ ..199 Taenia saginata................................................................................201 Introducción a la parasitología: sumario.......................................... ..201 Protozoos.........................................................................................201 Helmintos.........................................................................................202 Preguntas para autocontrol del aprendizaje.........................................202

9 Control de microorganismos..............................................................203 Importancia del control .....................................................................203 Terminología básica y su definición...................................................203 Condiciones para la acción de los agentes antimicrobianos .............204 Tipo o clase de microorganismo.....................................................204 Naturaleza del medio......................................................................205 Tiempo de exposición.................................................................... .205 Número de microorganismos......................................................... .205 Intensidad y naturaleza del agente físico....................................... .205 Temperatura aplicada a un agente químico.....................................205 Concentración del agente químico................................................. .205 Mecanismos de acción de los agentes antimicrobianos ................... .205 Daño de la pared celular................................................................ .205 Alteración de la permeabilidad de la membrana citoplasmática.... 206 Alteración de la naturaleza coloidal del citoplasma...................... .206 Inhibición de la acción enzimática.................................................206 Formación de antimetabolitos........................................................206 Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos .................................207 Control con agentes físicos ...............................................................208 Temperatura....................................................................................208 Temperaturas altas .........................................................................208 Calor seco.......................................................................................209 Calor húmedo..................................................................................210 Temperaturas bajas.........................................................................212 Liofilización................................................................................... .213 Presión osmótica........................................................................... .214 Radiación ...................................................................................... .215 Radiaciones ionizantes...................................................................215 Radiaciones no ionizantes...............................................................215 Mecanismo de acción de la luz ultravioleta...................................216 Fotorreactivación.............................................................................216 Reactivación oscura o escotorreactivación.....................................217 Filtración....................................................................................... .217 Limpieza física.............................................................................. .217 Ultrasonido......................................................................................217 Lavado............................................................................................ .217 Control con agentes químicos .......................................................... .221 Efectos de los agentes antimicrobianos sobre el crecimiento........... .222 Agente químico antimicrobiano apropiado....................................... .222 Principales grupos..........................................................................222 Fenol (ácido fénico) y compuestos fenólicos.................................222 Alcoholes........................................................................................222 Halógenos y sus compuestos..........................................................223 Metales pesados..............................................................................223 Colorantes.......................................................................................223 Compuestos de amonio cuaternario............................................... .223 Aldehidos........................................................................................223

Quimioesterilizantes gaseosos....................................................... Concentración mínima inhibitoria (CMI)......................................... Dilución en tubo............................................................................. Difusión en agar............................................................................. Antibióticos y otros agentes quimioterapéuticos.............................. Historia de la quimioterapia.......................................................... Antibióticos................................................................................... Antibiótico útil ............................................................................. Control de microorganismos: sumario.............................................. Preguntas para autocontrol del aprendizaje....................................... Referencias bibliográficas.................................................................

223 224 224 224 224 226 226 226 226 227 227

Glosario................................................................................................. 229 Bibliografía............................................................................................ 253 índice analítico...................................................................................... 255

Prefacio E n el campo de la microbiología reaparece el libro Microbiología básica para el área de la salud y afines, en su segunda edición; me genera un gran placer por poder presentar esta obra a estudiantes, profesores, trabajadores del área de la salud y afines. El libro llega con un planteamiento diferente con respecto a la primera edición, un concepto que bien podría catalogarse como un nuevo texto. He modificado la estructura y contenidos adaptándolos en lo posible a los planes de estudio de las ciencias básicas, que en Colombia han sufrido cambios sustanciales. Además, la impresión en color de esta edición eleva notoriamente el valor pedagógico, porque muestra gráficos más claros, novedosos y atractivos. No se trata de un libro para especialistas en microbiología, por el contrario, es un texto para estudiantes de pregrado y otros profesionales que en su cotidianidad no tienen como prioridad esta especialidad, pero requieren el conocimiento de ciertos conceptos básicos para alcanzar un buen desarrollo en su disciplina laboral y mantener interrelación con otros campos del área de la salud. Mi vinculación actual como docente de la Universidad de Antioquia ads­ crito a la Facultad de Odontología, me enorgullece y me motiva a trabajar en pro de la docencia, por esto vislumbré la necesidad de esta segunda edición al comprender la importancia de avanzar en la producción académica a la par con los cambios curriculares propuestos. Creo que el texto adquiere un carácter multidisciplinario y una mirada pedagógica más amplia. Todos saben que la microbiología es una de las disciplinas más diversas y que exige interrelación con otros estudios muy cercanos, como la biología, la biología molecular, la bioquímica, la patología, la farmacología, entre otras. Obviamente, esta correlación genera gran cantidad de información sobre los microbios en general y los libros sobre microbiología se convierten en ver­ daderas enciclopedias, tan exhaustivos que se vuelven demasiado extensos, profundos y minuciosos para que al estudiante promedio del área de la salud le sean atractivos en su estudio cotidiano, más aún si se tiene en cuenta que deben cursar diferentes materias de forma simultánea. Sin embargo, reconocemos su incalculable valor como obras de consulta. Por causa de esta situación, surge una nueva tendencia de libros con énfasis en la brevedad, hasta el punto de proporcionar una información tan escasa, que no alcanza a cubrir, siquiera, lo que enseñan los docentes en sus clases.

Otros textos ofrecen mucha información clínica, pero la información sobre microbiología básica resulta en realidad insuficiente. El texto de Microbiología básica para el área de la salud y afines, que ahora entrego, se escribió tras una experiencia de casi 20 años de docencia con estudiantes del área de la salud, y su principal propósito es presentar una obra amena, de fácil comprensión y profusamente ilustrada, que cumpla las necesidades de este grupo de personas y satisfaga sus necesidades en el área. Por eso, el lector encuentra un texto más breve, un lenguaje familiar y menos sofisticado que los grandes tratados sobre microbiología, pero que contiene toda la información que requiere cualquier persona que esté en proceso de formación en alguna de las áreas comprometidas con la salud. Así mismo, el libro es una herramienta de repaso, de gran utilidad para quienes piensen validar sus carreras y ejercer su profesión en otros países. La obra se divide básicamente en cuatro secciones, que abarcan igual núme­ ro de disciplinas fundamentales de la microbiología: bacteriología, virología, micología y parasitología. Los capítulos inician con una información general de la disciplina que tratan, así como información básica sobre clasificación, morfofisiología, metabolismo y genética de los organismos descritos. Al final se describen procesos, agentes, mecanismos o modos de acción de diferentes agentes físicos y químicos para lograr un efectivo y continuo control de microorganismos. Todos los temas se apoyan en figuras, esquemas y gráficos, tan claros y com­ prensibles que el texto explicativo, en realidad, resulta mínimo. Prácticamente, la totalidad de los apoyos visuales son de mi autoría o los he modificado y adaptado, con el fin de lograr los objetivos buscados: claridad, comprensión y motivación. Aunque soy consciente de que ningún libro de texto satisface por completo las necesidades de todos, me atrevo a afirmar que con esta obra nos aproximamos de for­ ma muy certera a la transformación académica que se desarrolla en la actualidad. De nuevo, agradezco a aquellas personas que me colaboraron en la primera edición, pues, gracias a ellos se abrió la puerta de entrada para esta nueva. Al estímulo e invaluable ayuda del doctor Uber Alberto Isaza Agudelo, Coordi­ nador del Eje de Complementación Alimentaria del programa, adscrito a la Gobernación de Antioquia, MANA. También dirijo mis agradecimientos, de forma especial, a quienes han colaborado, directa e indirectamente, con mayor o menor intensidad, en este nuevo proyecto. Gracias a mi madre y a otros seres allegados, a quienes durante muchos meses no pude darles la atención que se merecen. Igualmente, mi reconocimiento a otros colaboradores que, aunque anónimos, merecen mi más sincero agradecimiento. Para terminar, agradezco a los lectores del libro, quienes de hecho y defini­ tivamente son los verdaderos jueces de la obra que sale a la luz pública. Espero me disculpen por las erratas que puedan aparecer y tengan la seguridad de que si aparecen, en ningún caso es por falta de atención, sino que, a manera de duendes editoriales, lograron escabullirse de la lupa correctora del autor y de quienes colaboraron en esta función. Mil disculpas por esos involuntarios fallos en los cuales haya podido incurrir. Hugo H. Montoya Villafañe

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Historia de la microbiología D e ese gran árbol de la ciencia que se conoce como biología y se ocupa del estudio e inves­ tigación de los seres vivos con ayuda de otras disciplinas como la química, las matemáticas, la física, entre otras, surge una rama descu­ bierta recientemente: la microbiología, la cual se encarga de estudiar los organismos vivos de tamaño microscópico. Entre los microorganis­ mos o microbios, cuyo estudio es la razón de la microbiología, se encuentran: los protozoos, estudiados por la protozoología\ los hongos, por la micología; las bacterias, por la bacte­ riología; las algas, por la. ficología', estructuras sub o acelulares como los virus y las partículas subvirásicas como los viroides y los priones, por la virología. El término microbiología se deriva de las palabras griegas mikros: pequeño; bios: vida y logos: tratado, por tanto, la microbiología, es la ciencia que trata acerca de los organismos imposibles de ser observados a simple vista (por causa de su ínfimo tamaño), de ahí el nombre de microorganismos o microbios. Una parte de la microbiología tiene carácter general y se encarga de estudiar las características morfofisiológicas, la genética, el metabolismo, las relaciones con otros grupos de organismos, el control e impor­ tancia en la industria, la relación con la salud y el bienestar humano. Otra parte de la microbio­ logía tiene un carácter sistemático y se encarga de la organización o taxonomía, de los grupos o taxones en los cuales se ubican los diferentes microbios. Los microorganismos, algunos útiles y otros dañinos, están íntimamente asociados a la vida. Muchos son habitantes del cuerpo humano.

Algunos causan enfermedades y otros están implicados en actividades caseras o industriales como la fabricación del queso, el vino, el kumis, el yogur, etc.; la producción de antibióticos como la penicilina, la estreptomicina, las cefalosporinas y en los procesos de tratamiento de aguas residuales. Como se mencionó antes, la microbiología es una ciencia relativamente joven, pues el mundo de los microorganismos se descubrió hace 300 años y debieron pasar otros 200 antes de apreciar y comprender su significado real. Durante las últimas cinco o seis décadas, la microbiología ha emergido como un campo muy significativo de la biología. Hoy los inves­ tigadores utilizan los microorganismos para el estudio de, prácticamente, todos los fenómenos biológicos importantes. En la evolución histórica de la microbiología intervienen destacados personajes que han hecho grandes aportes a esta ciencia. Algunos de los más destacados se presentan a continuación. Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723), holandés, estudiante de historia natural quien, además, se desempeñó como mercader de oficio y tal vez no fue el único que observó los microor­ ganismos, pero sí el primero en dar a conocer sus observaciones con descripciones y dibujos muy exactos. Leeuwenhoek hizo estas observaciones al practicar su pasatiempo, que consistía en el pulido de lentes y construcción de elementales microscopios. Durante su vida construyó más de 200 microscopios, bastante rudimentarios, que constaban de una sola lente, pulida por métodos caseros, montada en latón y en plata, los más potentes podían aumentar la imagen del objeto

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unas 200 a 300 veces. Con ellos, y gracias a su gran curiosidad científica, observó numerosos organismos microscópicos como bacterias, protozoos y hongos, algunos procedían de las muestras que tomaba de la cavidad bucal. Esos microscopios se parecían poco al micros­ copio compuesto actual, que utiliza una serie de lentes en un sistema capaz de amplificar de 1.000 a 2.000 veces una imagen. Pero las lentes que Leeuwenhoek usó en sus microscopios estaban muy bien hechas y lo principal era que él tenía esa apertura mental, tan importante para un inves­ tigador y además mantenía una correspondencia continua con la Royal Society de Londres. El 9 de junio de 1675, Leeuwenhoek escribió en su diario: “... al observar esta agua, yo tuve la idea de que descubría criaturas vivas; pero como eran tan pocas y no claramente detectables, no pude aceptar esto como c i e r t o . L u e g o , volvió a sus observaciones y anotó: “... yo no tenía ninguna noción que iba a ver criaturas vivas, pero al observar vi maravillado más de un millar de criaturas vivas dentro de una gota de agua, Los “animálculos” eran de la clase más pequeña que yo había visto jamás hasta ahora.. Hizo dibu­ jos de las bacterias presentes en el agua lluvia, la saliva, el vinagre, además de otras sustancias y las describió con fascinantes palabras. Relató y envió sus emocionantes descubrimientos, en una serie de más de 300 cartas, a sus amigos de la Royal Society de Londres y de la Academia de Ciencias de Francia. Una carta del 17 de septiembre de 1683 con­ tiene los primeros dibujos registrados de las bacterias, observadas por Leeuwenhoek en una suspensión de sarro (placa dental o biopelícula dental), que había tomado de sus dientes. La meticulosidad y exactitud de sus observaciones las evidencian los dibujos que realizó. Diseñaba las células bacterianas indicando que eran esfé­ ricas (cocos), cilindricas o en forma de varilla (bacilos) o en espiral (espirilos). Las observaciones de Leeuwenhoek, ma­ nifestadas en sus cartas llenas de entusiasmo, se leyeron con interés, pero no se reconoció el significado de estos descubrimientos (véase figura 1.1).

Figura 1.1

Dibujos de bacterias realizados por Leewenhoek y enviados a la Royal So­ ciety de Londres

.Antes del siglo xix había poca conciencia sobre los microorganismos y, más aún, que ellos pudieran causar enfermedades o producir cambios químicos a la gran cantidad de mate­ riales que cotidianamente se encuentran en el entorno. A pesar de los grandes avances de la mi­ croscopía actual, todavía se reconocen estas 3 formas generales de las bacterias descritas por Leeuwenhoek.

Generación espontánea El descubrimiento de un mundo invisible a sim­ ple vista avivó el interés por descubrir el origen de la vida. En el siglo xix se agudizó la polémica por causa de la teoría que afirmaba que los mi­ croorganismos aparecían espontáneamente, sin progenitores que les dieran la vida. Una de las preguntas más frecuentes de la época era: ¿de dónde vienen estos microorganismos?

Historia de la microbiología

Algunos respondieron que aparecían como resultado de la descomposición de tejidos vegeta­ les y animales muertos. En otras palabras, pensa­ ban que los organismos vivos surgían de materia sin vida, después de su descomposición. A este concepto se le conoció como generación espontánea o abiogénesis: abio: sin vida y genesis: origen. La idea básica de la generación espontánea era: “el alimento se pudre si permanece durante cierto tiempo a la intemperie y al examinar mi­ croscópicamente el alimento putrefacto, se observa que está repleto de bacterias”. Entonces surgía nuevamente la pregunta: ¿de dónde provienen estas bacterias que no se ven en el alimento fresco? La idea de la generación espontánea se remonta a la antigua Grecia, en donde se creía que la carne en descomposición producía gusa­ nos y que las moscas y ranas brotaban del barro, bajo condiciones climáticas apropiadas. Por eso, muchos argüyeron que los microorganismos se originaban por generación espontánea y también hubo muchos fanáticos que abogaban a favor de la generación espontánea de gusanos, insectos e incluso de animales como ratones y ranas. Hubo verdaderos líderes defensores y detrac­ tores de esta teoría, cada uno de ellos construyó nuevas y fantásticas explicaciones o empleó evi­ dencias experimentales, para tratar de demostrar su posición. John Needham (1713-1781). En 1749 realizó experimentos con carne cocida y observó que la carne presentaba microorganismos al iniciar el experimento, por eso, concluyó que estos se originaban de la carne cruda. Hubo, también, quienes tuvieron la valentía de demostrar los garrafales errores en que se apoyaba la teoría de la generación espontánea. Entre ellos se destacaron: Lázaro Spallanzani (1729-1799). Trató de refutar la generación espontánea con un experi­ mento en el cual utilizó matraces donde colocó una solución nutritiva (caldo de carne de buey), después los cerró herméticamente e hirvió la so­ lución, durante una hora. Como es lógico, después de cierto tiempo, no aparecieron microbios en el caldo contenido en los matraces. Pero estos resultados, confirmados en repetidos experi­

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mentos, no lograron convencer a Needham quien defendía la teoría, e insistía en que el aire era esencial para la generación espontánea de microbios. Franz Schulze y Theodor Schwann (18151873). Trataron de demostrar el error que defen­ dían los espontaneístas: Schulze hacía pasar aire a través de soluciones fuertemente ácidas y lo hacía llegar a los matraces que contenían caldo de carne hervido. Por su parte, Schwann pasaba el aire a través de tubos calentados al rojo y lo hacía llegar a los matraces que contenían caldo de carne hervido. En ninguno de los dos casos aparecieron mi­ crobios porque el ácido en el primer experimento y el calor extremo en el otro, les habían causado la muerte. Sin embargo, los persistentes defen­ sores de la generación espontánea no quedaron convencidos y argumentaban que el ácido y el calor alteraban el aire de tal manera que impe­ dían el crecimiento de los microorganismos. Los experimentos continuaron con menor o mayor éxito, pero no lograban convencer definitivamen­ te a los espontaneístas. Durante la misma época en que se realizaban estos experimentos emergía a la luz pública, en Francia, Louis Pasteur, un nuevo científico que re­ volucionaría la ciencia con sus grandes aportes. Louis Pasteur (1822-1895). Estudió química y adquirió fama nacional en Francia, a comienzos de su carrera, al descubrir la estructura química del ácido tartárico. Luego se interesó por la in­ dustria vinícola y los cambios que se producían en los procesos de fermentación, lo que lo llevó forzosamente a debatir sobre la generación es­ pontánea. En esta tarea revisó con cuidado todo trabajo realizado sobre fermentación y luego efectuó numerosos experimentos para comprobar el hecho de que los microorganismos solo pueden surgir de otros microorganismos en un proceso llamado biogénesis. Demostró que en el aire normal se encontraban estructuras muy simi­ lares a los microorganismos encontrados en el material putrefacto. Descubrió que esa diversidad de microorganismos del aire era indistinguible de los que se encontraban, aunque en mayor canti­ dad, en el material en putrefacción. Por tanto,

4 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

concluyó que los microorganismos encontrados en esa podredumbre se originaban a partir de los microorganismos del aire, porque estos estaban suspendidos y se depositaban constantemente sobre la superficie de cualquier tipo de objeto. Estos resultados lo envolvieron en debates muy acalorados con sus oponentes. Uno de los mayo­ res defensores de la generación espontánea, en la época de Pasteur, fue el naturalista francés FélixArchiméde Pouchet, quien en 1859 publicó un amplio informe defendiendo la teoría. Pero chocó con el adversario más ferviente de la generación espontánea: Louis Pasteur, quien, irritado por lógi­ ca y por los datos publicados por Pouchet, realizó experimentos para acabar con sus argumentos. Utilizó el calor para eliminar los microor­ ganismos contaminantes, pues él ya utilizaba el concepto de la destrucción microbiana por calor. Igualmente, otros científicos investigado­ res habían demostrado que si se colocaba una solución nutritiva como el caldo de carne, en un matraz de vidrio, luego se sellaba herméti­ camente, se calentaban hasta ebullición por un tiempo determinado y la solución, en su interior, no se descomponía y permanecía por muchísimo tiempo incorrupta. Claro que los defensores de la generación espontánea alegaban que era necesa­ rio el aire fresco para que se diera la generación espontánea y que el aire del interior del matraz se modificaba por causa del calentamiento, e impedía así la generación espontánea. Pasteur preparó soluciones nutritivas en matraces de vidrio en forma de balón, los cuales poseían un cuello largo y estrecho o cuello de cisne (hoy se conoce como m atraz Pasteur ) y las llevó a ebullición, dejando entrar y salir el aire sin hacerle ningún tratamiento y sin filtrar. Después, al enfriarse el matraz, el aire podía pasar libremente. En los caldos no aparecieron microor­ ganismos. La razón de esto era que las partículas de polvo que contenían los microorganismos, no podían llegar hasta el caldo nutritivo, porque se habían sedimentado en la parte en forma de U del tubo en cuello de cisne y las corrientes de aire eran tan reducidas que las partículas de polvo no habían sido arrastradas hasta el interior de los matraces (véase figura 1.2). Pero si el matraz se

inclinaba lo suficiente como para permitir que el caldo nutritivo estéril hiciera contacto con el cuello en U del matraz, el caldo se llenaba de mi­ croorganismos y obligatoriamente se presentaba la putrefacción. Con este sencillo pero brillante experimento, Pasteur aclaró en definitiva la con­ troversia suscitada por la teoría de la generación espontánea y con ella a sus defensores. En la Sorbona de París, Pasteur expuso sus resultados el día 7 de abril de 1864 y como sus ma­ traces no mostraban signo alguno de vida, dijo: Yo les he resguardado y sigo aún resguardándo­ los de la única cosa que está por encima de las posibilidades del hombre hacer; los he resguar­ dado de los gérmenes que flotan en el aire, los he resguardado de la vida...

Con la exuberancia de su refinado y florido lenguaje, Pasteur lanzó una serie de dardos con­ tra los que disentían de él: ... no hay ninguna condición en la que se pueda afirmar que los seres microscópicos vienen al mundo sin gérmenes, sin padres semejantes a ellos mismos. Los que alegan esto, han sido víctimas de sus ilusiones, de experimentos defectuosos, vicia­ dos por los errores que ellos no han sido capaces de percibir y que no han sabido cómo evitar...

Con la aceptación del concepto de bio g é­ nesis se desterró por completo y para siempre a los espontaneístas, se facilitó el camino para trabajos futuros y Pasteur continuó sus estudios sobre fermentación y luego sus investigaciones sobre microorganismos como agentes causales de enfermedades.

Teoría del germen en la fermentación En la antigüedad, muchas culturas desarrollaron bebidas y alimentos que eran producto de la fermentación microbiana. Grecia fue uno de los países más sobresalientes por la producción de vino; Mesopotamia, 500 años a. C., tenía la pro­ fesión de cervecero; las salsas de soya de China

Historia de la microbiología

y Japón, obtenidas de legumbres fermentadas, se han fabricado durante siglos; el kumis, bebida alcohólica fermentada y elaborada a partir de leche de muía o de camello, la disfrutaban desde mucho tiempo atrás las tribus de Asia Central. En esas épocas la gente iba mejorando la cali­ dad de sus productos de fermentación con base en prueba y error, sin saber que la calidad dependía de las condiciones de crecimiento de los microor­ ganismos responsables de la fermentación. Hacia 1850, Pasteur enfocó su atención en una de las industrias más importantes de Francia: la fabricación del vino. Al examinar muchos lotes de vino, descubrió microbios de diferentes clases. En los lotes buenos encontró predominio de cierta clase de microorganismos; en los lotes malos o peores estaban presentes otras clases. Posterior­ mente, Pasteur determinó que con la selección apropiada de un microorganismo, el fabricante obtendría un producto consistente, bueno y uniforme. Para lograr esto debía eliminar los mi­ crobios que ya estaban en los mostos y comenzar una nueva fermentación con un cultivo (masa de microorganismos en crecimiento), procedente de una cava de vino que había sido satisfactorio.

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Pasteur sugirió que las clases de microbios indeseables podrían eliminarse calentando los mostos, no tanto como para estropear el aroma del zumo de frutas, pero sí lo suficiente para matar esos microbios. Descubrió que sometiendo los mostos a temperaturas de 62,8 °C (145 °F) por 30 min se lograba el objetivo deseado. Este proceso se conoce en la actualidad como pasteu­ rización, y se utiliza ampliamente en industrias de fermentaciones, como en la láctea, para des­ truir los microorganismos presentes en la leche y derivados que causan enfermedades.

Teoría del germen de la enfermedad Esta teoría también causó gran revuelo entre los investigadores (incluso antes de aparecer Pasteur se mencionaba), pero lógicamente también la sustentaron teorías populares con buenos defen­ sores. Entre otras, las que más auge tuvieron y obviamente las de mayor popularidad fueron: 1. Teoría teúrgica. Afirmaba que la enferme­ dad afectaba a una persona debido a un castigo divino, por causa de las ofensas que los humanos hacían a los dioses.

6 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

2. Teoría miasmática. Decía que la enfermedad la causaban los miasmas o pestilencias que emana­ ban de las calles, los pantanos, las basuras, los cuer­ pos enfermos o la materia en descomposición. 3. Teoría contagium fo m ites. Atribuía la en­ fermedad a un contagio causado por objetos in­ animados utilizados por una persona enferma. 4. Teoría contagium vivo. La enfermedad se produce por contagio directo de una persona enferma a otra sana. En 1546, Fracastoro de Verona (1483-1553) sugirió que la enfermedad la podrían causar or­ ganismos demasiado pequeños para ser vistos, que se transmitían de una persona a otra. En 1762, Von Plenciz de Viena no solo asegu­ raba que estos agentes vivos eran los causantes de la enfermedad, sino que sugería que diferentes agentes eran responsables de una gran variedad de enfermedades. También hubo planteamientos no muy exi­ tosos en un comienzo, como los del médico y letrado Oliver Wendell Holmes, quien en 1843 insistía en que la fiebre puerperal, una grave y con frecuencia fatal enfermedad de la madre después del parto, era contagiosa y que probablemente la causaban microorganismos transportados de una madre a otra por comadronas y médicos. En 1870, el médico alemán Robert Koch (18431910) se dejó tentar por la nueva y fascinante ciencia de la bacteriología y contribuyó de forma decisiva al desarrollo de la microbiología. Aisló y cultivó las bacterias (bacilos) productores del car­ bunco, a partir de la sangre de ovejas que habían muerto por causa de esta enfermedad. Cultivó en su laboratorio las bacterias, supuestamente responsables y las observó al microscopio para estar seguro que solo había una clase de ellas y luego las inyectó en ratones, para ver si desarro­ llaban la enfermedad. A partir de estos ratones, aisló bacterias iguales a las que había encontrado originalmente en las ovejas que habían muerto de carbunco. Así demostró por primera vez que una bacteria era el agente causal de una enfer­ medad en un animal. Luego Koch descubrió las bacterias causantes de la tuberculosis y el cólera. Los criterios obtenidos en los experimentos de Koch se conocen como postulados de Koch , los

cuales se convirtieron y siguen como normativa para tener evidencia de que una enfermedad la causa un microorganismo específico.

Postulados de Koch 1. Un microorganismo específico puede en­ contrarse siempre asociado a una enfermedad determinada. 2. El microorganismo puede aislarse y culti­ varse en un cultivo puro en el laboratorio. 3. El cultivo puro del microorganismo produce la enfermedad al ser inyectado en un organismo sano, a partir del animal infectado experimentalmente. 4. Es posible, por procedimientos de labora­ torio, recuperar el microorganismo inyectado a partir del animal infectado. Estas demostraciones tuvieron éxito gracias a la implementación de los laboratorios de bac­ teriología y al uso de medios de cultivo, como el agar con nutrientes que facilita el crecimiento y desarrollo de los microorganismos. Una nue­ va terminología comenzó a utilizarse rutina­ riamente, destacándose, entre otros, términos como: 1) colonia: grupo de microorganismos de la misma especie que puede observarse macroscópicamente; 2) cultivo: grupo de micro­ organismos en crecimiento, y 3) cultivo puro o cepa pura: grupo de colonias conformadas por microorganismos de la misma especie. En 1880, Pasteur aisló y cultivó la bacteria causal del cólera aviar que estaba produciendo estragos en las aves de corral. Para demostrar que había aislado en un cultivo puro la bacteria responsable de esta enfermedad, hizo uso de las técnicas fundamentales diseñadas por Koch y organizó una demostración pública en la que repitió un experimento que había tenido éxito en muchos ensayos previos realizados en su laboratorio. Inoculó, es decir, le inyectó a pollos sanos sus cultivos puros del cólera aviar y esperó a que se desarrollara la enfermedad y murieran. Pero ante su asombro, los pollos no enfermaron ni se murieron (véase figura 1.3). Desconcertado revisó con detalle cada uno de los pasos de su experimento y encontró que acci­ dentalmente había utilizado en la demostración

Historia de la microbiología / 7

8 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

los cultivos viejos (que tenían varias semanas de sembrados), en lugar de los recién sembrados. Unas semanas después, repitió el experi­ mento utilizando 2 grupos de pollos: el primero, había sido inoculado en la primera demostración, con cultivos viejos que habían sido ineficaces. El segundo, no había sido previamente expuesto a estos cultivos. Ambos grupos se inocularon con bacterias de cultivos frescos y jóvenes. Esta vez los pollos del segundo grupo murieron y los del primer grupo permanecieron vivos. Pasteur explicó convincentemente el hecho: las bacterias pueden, de alguna manera, perder su poder de virulencia, o sea, la capacidad para producir enfermedad, después de permanecer en reposo y hacerse viejas. Sin embargo, estas bacterias atenuadas o menos virulentas, pueden todavía estimular al hospedero (en el caso des­ crito, el pollo), para que produzca anticuerpos; es decir, sustancias de defensa orgánica contra la infección causada por una nueva exposición al microorganismo virulento. De esta manera, Pasteur llamó a los cultivos atenuados de bacterias vacunas y a la inmuniza­ ción con cultivos atenuados vacunación. Con este experimento Pasteur demostró que el cultivo viejo, aunque incapaz de producir la enfermedad, podía hacer que los pollos produje­ ran en su sangre sustancias protectoras denomi­ nadas anticuerpos. Después del descubrimiento de la vacuna contra el cólera aviar, continuó con sus estudios inmunológicos y descubrió la vacuna contra la rabia o hidrofobia. Para hacerlo,

inoculaba un conejo con saliva de perro rabioso, luego obtenía un extracto del cerebro y la médula espinal del conejo del cual, atenuaba el virus y lo inyectaba al paciente que había contraído la rabia. La figura 1.4 lo ilustra claramente.

Aplicaciones de la microbiología Existen diferentes ramas que se generan del propio tallo de la microbiología, entre ellas se destacan, por causa de su interés en las pato­ logías infecciosas humanas, la microbiología médica y la clínica, pero ninguna de las dos puede calificarse como ciencia independiente del ser humano porque ambas comprenden en >u vertiente general sistemática, la inmunología microbiana (respuesta del hospedador u hospe­ dero a los agentes infecciosos), la bacteriología, la protozoología, la micología, la virología y el estudio de los priones (se exceptúan las algas porque rara vez tienen interés en la enfermedad humana). Las siguientes son las principales divi­ siones y aplicaciones de la microbiología: 1. Microbiología del suelo. Se encarga de los microorganismos que mejoran la fertilidad de los teiTenos convirtiendo el nitrógeno atmosférico en compuestos nitrogenados que luego utilizarán las plantas para la síntesis de proteínas. También estudia la transformación de materia orgánica, que llevan a cabo los microorganismos en compuestos inorgáni­ cos haciéndolos así utilizables por las plantas. 2. Microbiología de los alimentos. Estudia los microorganismos implicados en la contami-

Historia de la microbiología

nación de alimentos que pueden causar enfer­ medades o intoxicaciones. También incluye los microorganismos utilizados industrialmente para mejorar la calidad de los alimentos o para obte­ ner productos nuevos a partir de un compuesto orgánico determinado. 3. Microbiología de la leche. Investiga los microorganismos que pueden ser utilizados en la fabricación de quesos, leches fermentadas, mantequillas y una gran diversidad de productos lácteos. 4. Microbiología de lasfermentaciones indus­ triales. Estudia los productos que se obtienen en

escala industrial, utiliza las actividades bioquí­ micas de los microorganismos: medicamentos, suplementos vitamínicos, bebidas alcohólicas, enzimas, ácidos orgánicos, concentrados para animales y vacunas, entre otros. 5. Microbiología del carbón y del petróleo. La intervención de los microorganismos en la forma­ ción del carbón de piedra es importante, aunque limitada a la conversión del material orgánico en humus y a algunas modificaciones ulteriores, en el estado de turba (depósito de materias vegetales en descomposición, de color pardusco y estructura porosa). En la formación del petróleo parece que los microorganismos actúan oxidando la materia orgánica hasta obtener compuestos de estructura semejante a la del petróleo. 6. Microbiología de drenajes. Desde los albores de la ciencia sanitaria y la ingeniería se utilizan los microorganismos para depurar los residuos domésticos e industriales. 7. Microbiología acuática. Se ocupa de los microorganismos que se encuentran en el mar, los estuarios y las aguas dulces: lagos, manan­ tiales, ríos, etc. 8. Microbiología médica. Esta rama de la microbiología se relaciona directamente con la sa­ lud, se dedica al estudio de los microorganismos patógenos, es decir, que causan enfermedad y a los que hacen parte, imprescindible, de la flora bacteriana normal. 9. Microbiología clínica. Aplica los conoci­

mientos adquiridos en la microbiología médica, para el diagnóstico de los eventos infecciosos humanos con fines asistenciales.

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10. Microbiología bucal. Se circunscribe al estudio de los microorganismos que habitan normalmente en la cavidad bucal y los que por medio de sus propios mecanismos logran im­ plantarse en la boca y producir enfermedades. La microbiología bucal hace parte de las dos ramas anteriores y sin duda tiene en sus aspectos generales y sistemáticos los mismos contenidos, lógicamente enfatiza en los microorganismos propios y relacionados con la cavidad bucal y la respuesta de esta frente a aquellos. También estudia la ecología bucal, es decir, las relaciones que los microorganismos establecen entre sí y con los tejidos bucales. 11. Microbiología del espacio. También se conoce con el nombre de exobiología, estudia la posible presencia de microbios en el espacio exterior, así como su empleo potencial como pro­ visión alimenticia y energética de los astronautas y para mantener, en los vehículos espaciales, el equilibrio conveniente entre el oxígeno y el dióxido de carbono.

Distribución de los microorganismos Los microorganismos se encuentran dispersos en casi toda la naturaleza. Las corrientes de aire los llevan desde la superficie de la tierra a las capas superiores de la atmósfera. Aun los procedentes del océano pueden encontrarse a mucha distancia sobre las montañas más elevadas. Igualmente, se han hallado microorganismos en el fondo del océano en profundidades donde la vida normal sería imposible. El suelo rebosa de ellos. Los arroyos y los ríos arrastran microorganismos a los lagos y grandes embalses. Se presentan en más abundancia cuando encuentran materias nutritivas, humedad y temperatura favorable para su desarrollo y multiplicación. Las condiciones que favorecen la supervi­ vencia y el crecimiento de muchos microor­ ganismos son las que rodean normalmente al hombre, por lo que es inevitable vivir entre una multitud de microbios. Están en el aire y en los alimentos, se encuentran en la superficie del cuerpo humano, los intestinos, la boca, la nariz, y en otras cavidades abiertas del organismo. Por

10 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

fortuna, la mayoría de los microorganismos son inocuos. Además, disponemos de los medios para resistir la invasión de aquellos que puedan causar daño.

Clasificación de los microorganismos En microbiología, como en cualquier otra rien­ da, clasificación significa la disposición ordena­ da de las unidades en estudio, formando giupos de unidades mayores. En 1753, el botánico sueco Linneus intentó clasificar todas las especies que se conocían hasta ese entonces, en categorías inmutables. Muchas de esas categorías todavía se usan en biología actual. La clasificación je­ rárquica linneana se basaba en la premisa que las especies eran la menor unidad y que cada especie (o taxón), está comprendida dentro de una categoría superior o género. Los nombres científicos de animales, plantas y microorganismos se escriben con dos palabras que corresponden al género y la especie. Linneus también denominó a este concepto nomenclatura binomial, y eligió el latín, en ese entonces el len­ guaje de los “hombres cultos” en todo el mundo, para su escritura, con el objeto de asegurar que todos los científicos entendieran la nomenclatu­ ra. En la actualidad aún se utiliza el latín por ser una lengua muerta. Hasta el siglo xviii, la clasificación de los organismos vivos colocaba a todos los organis­ mos dentro de uno de los dos reinos existentes: vegetal y animal, clasificación que venía desde la época de Aristóteles, pero a medida que se obtenían mayores conocimientos acerca de los microorganismos se evidenciaba que algunos de ellos no encajaban adecuadamente en ninguno le los dos reinos. Una de las primeras propuesta? para la clasificación mejorada de los reinos la hizo, en 1866, el zoólogo alemán E. H. Háeckel, quien sugirió que se creara el reino protista (primera vida), donde solo se incluyeran los microorganis­ mos unicelulares con características intermedias entre animales y plantas. El reino protista, a su vez, se subdividió en protistas inferiores o célu­ las procarióticas y protistas superiores o células eucarióticas.

1. Protistas inferiores o células procarióticas. Presentan un nucleoide no delimitado por membrana, un solo cromosoma circular, son haploides y no presentan nucléolo, cloroplastos, aparato de Golgi, mitocondrias ni retículo endoplásmico; no hacen mitosis, meiosis ni picnocitosis, su citoplasma es coloidal y poco fluyente. Su membrana celular no contiene este­ róles, pero sí actividad metabólica, pues algunas de estas células realizan procesos biológicos como respiración y fotosíntesis. Otras poseen mesosomas y la pared celular la conforman peptidoglucanos. 2. Protistas superiores o células eucarióticas. Presentan núcleo delimitado por la membrana nuclear con uno o más cromosomas lineales, son diploides y hacen división nuclear por mitosis. Estas células poseen nucléolo, histonas, mitocon­ drias, aparato de Golgi, retículo endoplásmico, membrana celular con esteróles y sin actividad metabólica. Carecen de peptidoglucanos, pueden hacer picnocitosis y algunas células presentan cloroplastos. Un esquema de clasificación de 5 reinos lo propuso R. H. Whittaker, en 1969, en él se incluían las bacterias y cianobacterias en un reino que se denomina Mónera. Este reino se reemplazó por el reino Prokaryotae. De esta manera los microorganismos se encontraban ubicados en 3 de los 5 reinos: 1) rei­ no F ungi, que comprende levaduras y hongos filamentosos o mohos; 2) reino Protista, que incluye algas y protozoos microscópicos, y 3) reino P rokaryotae, en él se ubican las bacterias y las cianobacterias (antes se conocían como algas verdes, azules o cianofíceas). Sin embargo, por causa de su carácter provisional y evidentemente discutible, siguieron surgiendo nuevas propues­ tas de clasificación. W oese y colaboradores, entre 1981 y 1990, fueron los primeros en realizar estudios molecu­ lares comparativos para analizar la sistemática filogenética de los organismos celulares. A partir de estos estudios, se establecen relaciones entre diversos organismos y se reúnen en árboles filogenéticos de carácter universal. A partir de las secuencias de RNA ribosomal, descubrieron

Historia de la microbiología / I I

que el reino Prokaryotae incluía dos grupos filogenéticos distintos: Archeobacterias, que se encuentran en nichos ecológicos con condiciones de vida extremas, incluyen los microorganismos que producen metano (metanógenos o metanogénicos), ciertos metabolizadores del azufre que pueden crecer en ambientes muy ácidos y calientes (termófilos extremos) y otros que viven en ambien­ tes salinos (halobacterias o bacterias halófilas) y Eubacterias que son las formas más habituales y se encuentran en cualquier nicho ecológico, aisla­ das en su mayoría del cuerpo, el suelo y el agua. Observándolas microscópicamente, todas las bacterias parecen similares, además la escasez de fósiles ha dificultado el establecimiento de las relaciones evolutivas entre ambos grupos. La evidencia presentada por la biología mole­ cular sugiere que los primitivos procariotas se separaron en esos dos grupos muy temprano en el desarrollo de la vida en la tierra, de modo que los descendientes de estas dos líneas son: Eubacterias y Archeobacterias consideradas como el sexto reino (véase figura 1.5).

La conclusión más sorprendente que se extrae de estos estudios filogenéticos es que las arqueobacterias tienen mayor relación con los eucariotas que las eubacterias. Se ha determinado que la acumulación de mutaciones concretas en eubacteria es más baja que en plantas y animales, por lo cual, los procariotas han requerido del doble de tiempo para poder evolucionar. Así, según las teorías de Woese y sus colabo­ radores, la vida en la Tierra puede clasificarse en 3 dominios celulares: Bacteria (bacterias), Archaea (arqueobacterias) y Eucarya (eucariotas). En la figura 1.5 aparece un esquema con una raíz única que tiene en su base a Luca, úl­ timo antepasado común universal de las células modernas, equivale a lo que es Lucy en el árbol evolutivo de Homo sapiens, es decir, no la pri­ mera célula, sino una célula ya evolucionada, con todas las características de sus futuros descen­ dientes: los actuales procariotas y eucariotas. Muchos autores han realizado diversas pro­ puestas y otros continúan haciéndolo con base en avances bioquímicos, moleculares, etc., per.

1 2 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

aún no cuentan con amplia aceptación de la comunidad científica en general. Los virus, las partículas subvirales, viroides, virusoides, ARN satélites y los priones, son entidades no celulares que por poseer caracte­ rísticas muy peculiares no están incluidos en este esquema de los seres vivos. Actualmente existe una propuesta para incluirlos en un nuevo grupo o imperio o dominio (solo en el caso de ser aceptada la propuesta de considerarlos como seres vivos), que se llamaría Viridae.

Microscopía El conocimiento necesario para la inteipretación de los fenómenos, a los cuales se refiere esta primera parte, se ha desarrollado principalmente en los últimos 100 años. A finales del siglo x v i i i , cuando muy pocos creían en la existencia de microorganismos y no se conocían todavía

lentes perfeccionadas que permitieran su es­ tudio. apareció en escena el holandés Anthony van Leeuwenhoek e inició el desarrollo de la microscopía, utilizaba lentes convergentes de gran potencia, para la época, que producían una imagen virtual muy aumentada de un objeto situado en el foco, de esta manera lograba un poder de resolución que le permitía observar partículas hasta de dos mieras (jum) de diáme­ tro. Este primer y rudimentario microscopio se modificó paulatinamente y en la época actual se cuenta con una muy buena variedad de estos implementos indispensables para el estudio de la microbiología (véase figura 1.6).

Unidades utilizadas en microscopía La unidad de medida es la miera = jli, equiva­ lente a la unidad de medida micrómetro = jum. En este texto para facilitar la comprensión se

Historia de la microbiología

Tabla 1.1

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Equivalencia de las unidades métricas de longitud utilizadas en microscopia

Unidad

Prefijo

Equivalencia métrica

Decímetro (dm)

Deci = 1/10

0,1 m = 10'1

Centímetro (cm)

Centi = 1/100

0,01 = 10"2

Milímetro (mm)

Mili = 1/1.000

0,001 = 10'3

Micrómetro o miera (pm o p)

Micro = 1/1.000.000

0,000001 m = 10~6

Nanómetro (nm)

Nano = 1/1.000.000.000

0,000000001 =10 8

Angstrom (Á)

La unidad Angstrom no pertenece al sistema métrico, pero como su uso está muy extendido en microbiología, se incluye en esta tabla

0,0000000001 = 10“10

refiere el micrómetro (|iin) como unidad de medida microscópica. Las equivalencias de las unidades utilizadas en microscopia aparecen en la tabla 1.1.

Tipos de microscopios Una de las herramientas más importantes para el estudio de la microbiología es el microscopio. Este aparato aumenta el tamaño de una imagen hasta tal punto que facilita su visualización. A partir del primer microscopio, elaborado por Anthony van Leeuwenhoek, esta invaluable ayuda ha sufrido cambios paulatinos que lo han perfeccionado cada vez más. En la actualidad existe gran variedad de microscopios ópticos compuestos que se emplean según las necesi­ dades de observación: 1. M icroscopio de luz, óptico o de cam po claro

En esencia, fue el primero que se desarrolló cuando la microbiología hizo su aparición. Inicialmente era un microscopio tan simple que sólo poseía una lente biconvexa y la fuente de luz que iluminaba la muestra era externa y tan elemental como la llama de una vela. Después se perfeccionó adicionándole un sistema de lentes separados con los cuales se conseguía mayor au­

mento, por esto, tomó el nombre de microscopio compuesto, que es el mismo microscopio óptico o microscopio de luz conocido actualmente. El microscopio óptico, utilizado con mayor frecuencia para la mayoría de los estudios, utili­ za el sistema de iluminación que se conoce con el nombre de campo claro, en el cual el campo del microscopio se ilumina brillantemente, mientras que el objeto que se va a estudiar se ve oscuro o coloreado. Se ve coloreado cuando se somete a procedimientos en los cuales se utilizan uno o varios colorantes específicos que permiten ver con más detalle el objeto que se observa. En este sistema el aumento se consigue gracias al empleo de varias lentes ópticas. La mayoría de los microscopios alcanzan los 1.000 y algunos hasta los 2.000 aumentos, con ocula­ res de 10 diámetros y objetivos de 100 diámetros de aumento, haciendo posible que partículas de0,2 jim de diámetro pueda ser amplificadas a 0,2 mm, así resultan claramente visibles. En este tipo de microscopio, mayor amplificación no da mejor resolución de los detalles, porque se reduce el área de observación o campo visual (véase figura 1.7). El poder de resolución del microscopio óptico, en condiciones ideales, es aproximada­ mente la mitad de la longitud de onda de la luz empleada. El factor que limita el aumento en el microscopio ordinario es el poder de resolucíc n

14 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

que corresponde a la distancia que debe separar a dos fuentes luminosas puntiformes, para que se visualicen como dos imágenes diferentes. En la mayoría de los laboratorios relaciona­ dos con microbiología se encuentran microsco­ pios de luz equipados con tres o cuatro objetivos con amplificaciones diferentes cada uno. El grado de amplificación se calcula multiplicando el poder de amplificación del ocular por el poder de amplificación del objetivo correspondiente. Por lo general, el poder de amplificación es de diez veces, aunque pueden encontrarse oculares de menor y mayor aumento. NA del objetivo + NA del condensador Longitud de onda de la luz Poder de resolución = Longitud de onda de la luz NA del objetivo + NA del condensador

NA = apertura numérica NA = n seno 0 Donde: n: es el índice de refracción del medio que se encuentra entre el objeto y la lente. 0: es la mitad del ángulo del cono de luz que entra en el objetivo. Cuando el medio entre la lente y el objeto es el aire, la apertura numérica es siempre menor que 1.0: en consecuencia, el poder de resolución obtenido es de 0,3 a 0,4 jum. Cuando se coloca aceite de inmersión, la apertura alcanza valores entre 1,2 y 1,4, y el poder de resolución alcanza un máximo de 0,2 |um, es decir, que con el uso de aceite de inmersión pueden observarse los objetos cuyo tamaño esté en las cercanías de las 2 |im o más (véanse figuras 1.7-1.10).

Historia de la microbiología í

Ocular IPX

Ocular 10X

Ocular 10X

Ocular 10X

Objetivo

Objetivo

Objetivo:

4X

10X

Objetivo. 100X

y

’

Aumento total

Aumento total

Aumento total

Aumento total

10Xx4X= 40

10Xx 10X= 100

10X x 40X= 400

10Xx 100X= 1000

}

Distancia de

Portaobjetos

Figura 1.8

40X

15

Distancia de

enfoque

/

'}

enfoque

Portaobjetos

Portaobjetos

Distancia de enfoque

Aceite de inm ersión'-*’ Portaobjetos

Distancia de í

enfoque

Objetivos utilizados con mayor frecuencia en el microscopio de luz: 4X, 10X, 40X y 100X Obsérvese la disminución del diámetro del orificio que permite la entrada de luz al objetivo y la disminución de la distancia de enfoque a medida que el valor del objetivo va aumentando.

2. M icroscopio de luz ultravioleta Utiliza longitudes de onda de aproximadamente 0,2 jum, lo que permite la resolución de partícu­ las de 0,1 ¡um de diámetro. Estos microscopios emplean lentes de cuarzo y sistemas fotográficos demasiado complicados y costosos para uso general. 3. M icroscopio de campo oscuro

Se emplea arreglando el sistema de lentes del condensador de tal manera que no llegue la luz al ojo a menos que sea reflejada por algún objeto que se encuentre en el campo microscópico. Las estructuras que proporcionan un contraste insuficiente con el medio que las rodea pueden hacerse visibles. Esta técnica es particularmente valiosa para observación de organismos como las espiroquetas, que son difíciles de observar con luz transmitida.

4. M icroscopio de contraste de fa ses

Se basa en el hecho de que las ondas luminosas que pasan a través de objetos transparentes, como las células, emergen en fases diferentes, según las propiedades de los materiales que atraviesan. Un sistema óptico especial convierte esta diferencia de fase en una diferencia de intensidad, de esta forma unas estructuras aparecen más oscuras que otras. Una característica importante es que en las células vivas las estructuras internas pueden ser diferenciadas, lo que no se consigue con el microscopio ordinario. Entre estos microscopios puede incluirse el microscopio de Nomarsky o de contraste diferencial, porque por causa de su sistema de prismas, ofrece unas bellísimas imágenes tridimensionales. 5. M icroscopio de fluorescencia Tipo de microscopio muy especializado, se utiliza en inmunología, cuando se realizan los

16 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

métodos de inmunofluorescencia. Este método permite localizar el antígeno o el anticuerpo sobre la superficie de las células vivas en suspensión o en el citoplasma o en los núcleos de las células en secciones congeladas de tejido. Los dos colorantes de fluorescencia más comúnmente utilizados son el isotiocianato de fluoresceína (fluoresceína) y el isotiocianato de tetrametilrodamina (rodamina). Este microscopio es una modificación del microscopio común: un rayo de luz de un arco

de mercurio o de una lámpara de cuarzo pasa a través de una serie de filtros de vidrio o gelatina, cuya función es actuar como excitadores y están ubicados entre la lámpara y el portaobjetos. El rayo de excitación choca sobre el material del portaobjetos y hace el colorante fluorescente. Otro filtro, el filtro de bloqueo, que se localiza entre el portaobjetos y el ocular, permite que pase solo la longitud de onda emitida. Se utiliza tanto para diagnóstico directo como indirecto.

Historia de la microbiología / 17

6. Microscopio electrónico La microscopía electrónica proporciona am­ plificaciones útiles y ostensiblemente mayores que las que pueden obtenerse por medio del microscopio de campo claro (microscopio ópti­ co). Es posible lograr estos inmensos aumentos gracias al gran poder de resolución que se obtiene a partir de longitudes de onda de los haces de electrones, que se utilizan en lugar de luz. Los haces de electrones tienen longitudes de onda del orden de 0,005 a 0,0003 nm, muy cortas en comparación con las longitudes de onda de la luz visible que se utiliza en microscopia óptica. Estas longitudes de onda permiten alcanzar poderes de resolución varios cientos de veces más elevados que los obtenibles en microscopia óptica. Utilizando la microscopia electrónica es posible resolver objetos que caen dentro del rango de los 0,003 ¡im. Las amplificaciones finales que se acercan al 1.000.000 de veces, pueden lograrse al ampliar la imagen fotografiada.

Para la microscopia electrónica, la muestra que se va a examinar se prepara en forma de una finísima película seca sobre pequeñas rejillas y se introducen en el instrumento en un punto que que­ da entre el condensador magnético y el objetivo magnético (en microscopia electrónica no se usan sistemas ópticos de vidrio), que son comparables al condensador y el objetivo del microscopio óptico. La imagen ampliada se visualiza sobre una pantalla fluorescente o se registra sobre una película fotográfica que utiliza una cámara incor­ porada al instrumento (véase figura 1.10). Se han desarrollado muchas técnicas para el examen de los microorganismos por microscopia electrónica. Entre ellas figuran: los nuevos mé­ todos de tinción; los métodos para hacer cortes finos de las células microbianas, que permiten su observación microscópica, y las técnicas con radiactivos. Estos procedimientos son aplicables a la microscopia electrónica de transmisión (TEM). En esta clase de microscopia, el haz de electrones pasa a través de la muestra preparada

18/ Microbiología básica para el área de la salud y afines

Tabla 1.2

Observación comparativa de algunos tipos de microscopios, sus características y sus utilidades

Microscopios ópticos compuestos

Características

Utilidad

De campo claro o de luz

- Luz visible - Hasta 0,23 pm - Muestra sobre un fondo brillante

- Tinciones - Fácil utilización

De campo oscuro

- Luz visible difractada - Muestra brillante sobre fondo oscuro

- Microorganismos de difícil tinción

De contraste de fases

- Luz difractada - Muestra con diferentes grados de brillo y contraste

- Estructuras internas

De fluorescencia

- Luz ultravioleta - Muestra fluorescente sobre un fondo no fluorescente

- Inmunofluorescencia - Auramina

Electrónico

- Haces de electrones Estructuras menores de 0,23 |jm

-V irus - Ultraestructuras

con un corte extraordinariamente delgado, para lo cual las células o tejidos se introducen en un material plástico (parañna), que posteriormente se corta con una cuchilla de diamante o vidrio. Luego se coloca la muestra en una rejilla de metal por donde pasa el haz de electrones que se dirige a una placa fotográfica o a una pantalla fluorescente y de esta manera la dispersión de los electrones da lugar a la imagen. Hacia 1960 se desarrolló una modificación que se conoce como microscopia electrónica de barrido (scanning : SEM). Este procedimiento expone la muestra a un haz de electrones, que no pasan a través de ella, sino que ia muestra se recubre con una película de oro; así, cuando el haz de electrones choca con diversos puntos de la superficie de la muestra, se emiten electrones secundarios cuya intensidad varía con el con­ torno de la superficie. De esta manera se logran imágenes tridimensionales de la superficie del objeto, que proporcionan información respecto a su morfología y características externas, las cuales no pueden ser resueltas mediante microscopia de transmisión electrónica.

En las tablas 1.2 y 1.3 se comparan los tipos de microscopia y las preparaciones para realizar un examen utilizando el microscopio óptico.

Historia de la microbiología: sumario La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos y sus actividades, además estu­ dia su forma, estructura, reproducción, fisiología, metabolismo e identificación. Así mismo, trata acerca de su distribución en la naturaleza, las re­ laciones recíprocas y con los demás seres vivos, los efectos beneficiosos y perjudiciales para el hombre y las transformaciones físicas y químicas que ejercen en su medio circundante. La microbiología se ocupa, principalmente, de los organismos unicelulares, en los cuales todos los procesos vitales se llevan a cabo en una sola célu­ la. Todas las células vivas son semejantes y están constituidas por el protoplasma (citoplasma), (del griego protos: primaria, y plasma: formación), que es un complejo coloidal compuesto principal­ mente de proteínas, grasas, ácidos nucleicos, etc.

Historia de la microbiología

Tabla 1.3

/ 19

Preparaciones más comunes para la observación de muestras utilizando microscopia óptica

Técnica

Preparación

Aplicación

Examen en fresco: - Preparación húmeda - Gota pendiente

Preparación húmeda o técnica lámina laminilla: una gota del fluido que contie­ ne los organismos entre un portaobje­ tos y un cubreobjetos

Estudio de la morfología estructu­ ras celulares internas, movilidad o cambios celulares

Gota pendiente: la gota de fluido se co­ loca sobre un cubreobjetos en la mitad de un círculo hecho con vaselina y se cubre con un portaobjetos excavado. Se invierte la preparación y se observa por un periodo de tiempo prolongado Procedimiento de tinción

La suspensión de las células se fija a un portaobjetos, generalmente por el calor

Varios procedimientos de tinción

Tinción simple

El frotis o extendido se tiñe con un solo tipo solución colorante

Muestra la forma, tamaño y orde­ namiento de las células.

Tinciones complejas: dife­ renciales y especiales

En el proceso de tinción se usan 2 o más reactivos o soluciones colorantes

Pueden observarse diferencias entre las células, porque se apre­ cian partes específicas de las células

Gram

El colorante primario (cristal violeta) se aplica al extendido, luego se trata con reactivos y se hace una tinción de con­ traste con safranina

Caracteriza a las bacterias inclu­ yéndolas en 1 de 2 grupos: Gram positivas (violeta oscuro) y Gram negativas (rojo claro)

Ziehl Neelsen (ácido-alcohol resistente)

El frotis se tiñe con fucsina fenicada, se decolora y se hace tinción de contraste con azul de metileno

Separa a las bacterias ácido-al­ cohol resistentes, o sea, aquellas que no se decoloran al aplicar la solución ácida (por ejemplo, las micobacterias), de las que son decoloradas por el alcohol ácido

Giemsa

Se aplica el colorante a un frotis de sangre o a películas de otras muestras

Permite observar: protozoos en frotis de sangre; rickettsias (pequeñas bacterias parásitas) en ciertas células del nospedador y el material nuclear de las bacterias

De esporas

El colorante primario (verde malaquita) se aplica calentándo­ lo para que penetre en las esporas; las células vegetativas reciben coloración de contraste con safranina

Pueden verse endosporas en especies de Bacillus y Clostridium

De cápsulas

Se tiñe el frotis después de un tratamien­ to con sulfato de cobre

La cápsuia aparece como una zona clara que rodea a los orga­ nismos que la poseen

Tabla 1.3

Continuación

De flagelos

Un mordiente o fijador actúa aumentan­ do el grosor de los flagelos, antes de ser teñidos

Observar flagelos en bacterias

Tinción negativa

La muestra se mezcla con nigroslna o tinta china y se extiende formando una película fina

Estudio de la morfología. El procedimiento de tinción y los reactivos son muy suaves en su efecto sobre los microorganismos se llama tinción negativa porque estos no se tiñen, pero se hacen visibles porque el fondo aparece oscuro

El desarrollo de las técnicas de microscopia elec­ trónica han revelado la organización enormemente intrincada de la estructura intracelular. Todos los sistemas biológicos tienen los siguientes caracteres comunes: 1) capacidad de reproducción; 2) propiedad de absorber sus­ tancias nutritivas y metebolizarlas para obtener energía y desarrollarse; 3) facultad de excretar los productos de desecho; 4) aptitud de respuesta a los estímulos del medio, se llama a veces irri­ tabilidad, y 5) capacidad de mutación.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1. 2. 3. 4.

5.

6.

7.

Defina microbiología y explique el objeto de esta ciencia. Describa las contribuciones de Leeuwen­ hoek a la microbiología. Compare las contribuciones de Pasteur con las de Koch. ¿Cuál es la relación entre la teoría de los gérmenes en la fermentación y la teoría de los gérmenes en la enfermedad? ¿Por qué se necesitó el desarrollo de la microbiología para refutar la teoría de la generación espontánea? Cite un importante aporte a la microbiolo­ gía realizada por cada uno de las siguien­ tes científicos: Schulze, Pasteur, Koch, Schwam, Spallanzani, Lister y Holmes. ¿A qué criterios debe ajustarse un mi­ croorganismo específico para demostrar

que causa una determinada enfermedad?, ¿cómo se denominan estos criterios? 8. Describa la importancia de los microor­ ganismos en cinco áreas aplicadas a la microbiología. 9. Enumere y explique las características comunes a todos los sistemas biológicos. 10. ¿Cómo nació el término protista?, ¿a qué organismos se alude cuando se usa este tér­ mino?, ¿cuál es la diferencia entre protistas inferiores y protistas superiores? 11. ¿Cuál es la base del esquema de clasifica­ ción de Woese? Explique las razones por las cuales es tan ampliamente aceptada por la comunidad biológica, tanto que ha desplazado la propuesta de Whittaker. 12. ¿Qué se entiende por dominio Bacteria y Archaea!

13. ¿Qué organismos y por qué quedaron ubi­ cados en estos dominios? 14. Analice el lugar de los microorganismos en el esquema del árbol filogenético. 15. ¿Por qué cree que las bacterias actualmente no continúan clasificadas en el reino móneral 16. Explique el nuevo esquema de clasificación de los seres vivos propuesto por Woese. 17. Defina los siguientes términos: cultivo, cultivo puro, cepa, cepa pura, cultivo mixto, cultivo contaminado, colonia. ¿Por qué no siempre debemos estudiar los microorga­ nismos en cultivo puro? 18. Explique claramente el principio de inmu­ nización, ¿cómo lo demostró Pasteur?

Historia de la microbiología

19. ¿Qué vacuna descubrió Pasteur después de la del cólera aviar y cómo fue su proceso? 20. Explique la distribución de los microorganis­ mos en la naturaleza. ¿En qué lugares no es posible encontrar microorganismos? ¿Cómo se trasladan los microorganismos de un lugar a otro? 21. ¿Qué es un cultivo atenuado de bacterias? Analice su importancia en las ciencias de la salud. 22. ¿Cuáles son las unidades de medida utiliza­ das en microscopia? Haga una conversión de milímetros a unidades de microscopia óptica y electrónica. 23. ¿Qué es poder de aumento y qué poder de resolución? Por medio de ejemplos expli­ que estos dos términos. 24. Identifique las partes o elementos que com­ ponen el microscopio óptico y explique la función de cada una de ellas.

/ 21

25. ¿A qué se debe el gran poder de resolución del microscopio electrónico? 26. Mencione algunas limitaciones del micros­ copio electrónico. 27. ¿Qué es una preparación húmeda? ¿Qué características de los microorganismos puede observar con esta técnica? 28. ¿Qué es una preparación coloreada? ¿Qué características de los microorganismos pueden observarse con esta técnica? 29. Explique la coloración de Gram y los resultados obtenidos. Por medio de un gráfico represente los cambios que se producen en el interior de la célula bacteriana al ir adicionando cada uno de los reactivos que se utilizan en esta técnica. 30. Haga lo mismo de la pregunta anterior, pero con la coloración de Ziehl Neelsen. 31. En los procedimientos de tinción defina los términos: extendido o frotis, fijado y tinción y por qué se realizan.

Morfología y fisiología de las bacterias E n el capítulo anterior se trabaja el concepto de ubicuidad de los microorganismos y se afirma que, éstos, se encuentran en cualquier lugar del entorno humano: suelo, aguas (desde arroyos hasta océanos), atmósfera, entre otros lugares. Los de­ terminantes ecológicos (condiciones ambientales) establecen las características de los microorganis­ mos presentes. Esas características, se ven repre­ sentadas en la variedad de especies, el número poblacional, los requerimientos nutricionales, utilización del oxígeno para su metabolismo, etc. Los microorganismos poseen estructuras que les permiten coexistir con otros tipos de microorga­ nismos y también con organismos superiores. En la morfología bacteriana se encuentran características mayores como: el tamaño, la for­ ma o estructura y el tipo de agrupación. Algunas veces, estas características se relacionan con el género y en ocasiones con una especie determi­ nada. Sin embargo, actualmente el tamaño de una bacteria puede medirse con máxima exactitud, sin importar sus dimensiones microscópicas. Según la especie las bacterias pueden ser es­ féricas, en forma de bastón o de espiral. Estas formas pueden sufrir variaciones por diferentes circunstancias externas (exógenas) a las bacte­ rias, como aumento de la presión osmótica del medio, escasez de humedad, entre otras. En ciertas especies bacterianas, sus integran­ tes se organizan en grupos y conforman: pares, cadenas, racimos y filamentos. Con frecuencia estas formas de agrupación son características de un grupo taxonómico o taxón, por ejemplo, de un género bacteriano cuyos integrantes se agrupan genéticamente en forma de racimos.

Otras especies bacterianas poseen apéndices, que se ponen de manifiesto con técnicas espe­ ciales de tinción o por medio de la microscopia electrónica, como los flagelos, los cuales confor­ man un sistema de propulsión que le proporciona movilidad a la célula bacteriana. Para facilitar el estudio y la comprensión de este capítulo, se divide así: 1. Características morfológicas mayores de las bacterias. Se encarga de estudiar los aspectos

“grandes” o más notorios de las bacterias, como la forma, el ordenamiento y el tamaño. Estas características pueden ser observadas con los microscopios ópticos compuestos. 2. Características morfológicas menores de las bacterias. Esta sección se dedica al estudio de la

estructura fina de las bacterias que comprende la pared celular, la membrana citoplasmática y el citoplasma, además de otras organelas que se encuentran en el citoplasma.

Características morfológicas mayores de las bacterias Los primeros estudios sobre morfología bacte­ riana los realizo Anthony van Leeuwenhoek y se limitaron a la descripción del aspecto “grande”, “brusco” o “grueso” de estos microorganismos. Con las mejoras realizadas al microscopio óptico, y la implementación de las técnicas de tinción bacteriana, se mejoró notoriamente la ob­ servación de los aspectos morfológicos externos como el tamaño, la forma y la agrupación que son considerados como características morfológicas generales de las células bacterianas:

Morfología y fisiología de las bacterias

Tamaño El micrómetro (pm) es la unidad de medida que se utiliza para determinar el tamaño bacteriano, equivale a 1/1.000 mm o 1/25,00 pulgadas. Aunque el tamaño de las bacterias, por lo ge­ neral, varía considerablemente de una especie bacteriana a otra, la mayoría está dentro de un rango aproximado de 0,5 a 2,0 pm de ancho y 1 a 10 pm de largo. Hay especies bacterianas que pueden medir mucho más, como las formas alargadas que pueden estar en el rango de 2 a 100 pm de longitud o más. Actualmente se conocen reportes de algunos microbiólogos, que sugieren que en la naturaleza existen bacterias en extremo pequeñas a las cuales se les ha dado el nombre de nanobacterias, que al parecer tienen un papel importante en la formación de precipitados y biopelículas (bioftlms) en ambientes muy diversos como los tejidos humanos y las superficies mine­ rales. El tamaño de estas posibles bacterias está en el orden de 0,1 pin de diámetro, por supuesto, menor que el tamaño estándar de los procariotes. Esta propuesta todavía genera mucha controver­ sia y obviamente un sinnúmero de opositores, quienes niegan su existencia aduciendo que son solo artefactos originados a partir de materiales inertes por causa de reacciones químicas o geoquímicas. Al margen de la discusión, si las nanobac­ terias existen, serían las estructuras vivas más pequeñas conicidas en la actualidad. En teoría, puede afirmarse que el tamaño de las bacterias se mantiene constante, con excep­ ción del momento de la división. Esto se explica porque su crecimiento difiere del concepto que se utiliza en los seres superiores. De cualquier manera, existirán bacterias más grandes o más pequeñas por causa de factores exógenos, como la edad del cultivo, los nutrientes disponibles, etapa de desarrollo del cultivo, entre otros, y por factores endógenos como los estadios del crecimiento normal de las bacterias. Aunque estos microorganismos son tan di­ minutos, es posible medir sus dimensiones con relativa facilidad y precisión. Para este fin el microscopio se equipa con un dispositivo llamado

/ 23

ocular micrométrico (disco que lleva grabadas líneas equidistantes, con distancias preestableci­ das) que permiten calcular, con mucha exactitud el tamaño de las bacterias (véase figura 2.1). El tamaño, en este caso, se ve mínimamente afectado por las técnicas de tinción que se utilizan, las cua­ les producen algún grado de deshidratación a las células bacterianas que están en observación.

Forma En los estudios biológicos la palabra morfo­ logía se refiere a la forma de un determinado organismo. La forma de las células bacterianas depende de la pared celular que les proporciona rigidez y algo de elasticidad. Individualmente las bacterias pueden aparecer como elementos elipsoidales, esféricos, alargados (cilindricos), o en espiral (helicoidales). Cada una de estas formas es propia de una especie determinada, por esto, las bacterias se clasifican en: cocos, bacilos y espirales.

Ordenamiento El ordenamiento de las bacterias es un mecanis­ mo por el cual ellas pueden adoptar ciertas formas cuando están en grupos. El ordenamiento puede depender de un factor genético, como ocurre con las células esféricas o cocos, o bien a un patrón caprichoso o al azar como ocurre con las células rectas, cilindricas o alargadas: los bacilos.

Cocos Los cocos son células bacterianas cuya forma habitual es esférica pero, eventualmente, apa­ recen formas elipsoidales o las que poseen un extremo afilado con apariencia de lanza (lan­ ceoladas), también se encuentran algunas con formas ligeramente ovoides, con uno de sus lados cóncavos que las asemeja a un riñón o a un grano de café, cuando se observan aisladas o en forma individual (véase figura 2.2). Cuando aparecen en agrupaciones se organi­ zan en formas diferentes según la especie. Este tipo de ordenamientos obedece a un patrón ge-

24 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

nético, propio de cada especie. Según este patrón de ordenamiento los cocos se clasifican así: 1. Diplococos. En este caso los cocos se observan en pares con un solo plano de división. Ejemplo: Diplococcus pneumoniae y Neisseria gonorrhoeae (véase figura 2.3). 2. Estreptococos. Agrupación bacteriana que al observarse microscópicamente, permite detec­ tar una célula detrás de la otra, formando filas o

cadenas semejantes a un rosario y también pre­ sentan un solo plano de división. De esta forma, los cocos se organizan en cadenas compuestas por 5,20,100 elementos. Ejemplo: Streptococcus lactis, Streptococcus pyogenes y Streptococcus mutans (véase figura 2.4). 3. Tétradas. También se llaman tetracocos. Se observan en grupos conformados, cada uno, por cuatro unidades celulares y presentan dos

Morfología y fisiología de las bacterias

planos de divis ón perpendiculares. Ejemplo: Micrococcus tetragenus (véase figura 2.5). 4. Estafilococos. Esta agrupación bacteriana se presenta en forma de masas irregulares que recuerdan a los racimos de uvas y poseen los tres planos del espacio. Ejemplo: Staphylococcus aureus, Staphylococcus saccharolyticus y Sta­ phylococcus epidermidis (véase figura 2.6). 5. Sarcinas. Esta agrupación bacteriana se ordena en forma bastante regular, donde apare­ cen ocho o más unidades celulares, organizadas en form a de cubos. Los cocos con esta forma de agrupación, muestran divisiones sucesivas en los tres p iaro s del espacio en forma per­

/ 25

pendicular. Ejemplo: Sarcina ventriculi (véase figura 2.7). Raramente todas las células bacterianas, de una especie dada, están ordenadas exactamente según el mismo patrón. El ordenamiento predo­ minante es la característica más importante.

Bacilos Los bacilos son formas bacterianas alargadas que pueden ser cortas, rectas o cilindricas y a veces son tan cortas y difíciles de identificar que se denominan cocobacilos. Si se observa detenidamente, se encuentra que los extremos

26 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

de los bacilos pueden variar y esta característica contribuye a su identificación. Existen bacilos cuyos extremos aparecen en form a de ángulo recto, afilados, redondeados y en algunas espe­ cies toman forma de mazo, semejantes al palo de bastos de la baraja española, entre otras formas (véase figura 2.8). La agrupación de los bacilos es diferente a la de los cocos, pues al contrario de éstos, aquellos casi nunca se agrupan. Algunas especies, sin em­ bargo, muestran tendencia a un ordenamiento de sus células, que no obedece a un patrón genético.

sino que depende de las etapas de desarrollo o de las condiciones del cultivo. Por eso algunos autores hablan de un ordenamiento o agrupación al azar (véase figura 2.9). En algunas observaciones m icroscópicas pueden aparecer conformando parejas (algunos autores los referencian como diplobacilos), en cadenas (también son referenciados por algu­ nos autores como estreptobacilos) o en grupos irregulares que forman verdaderas empalizadas, ovillos o rosetas y masas entrecruzadas de célu­ las bacilares (véase figura 2.10).

Morfología y fisiología de las bacterias / 27

Los taxonomistas han utilizado las formas individuales y algunas agrupaciones para darles un nombre determinado, por ejemplo: algunos bacilos cuyos extremos terminan en mazo se les llama corineformes porque así se presentan ciertos bacilos pertenecientes al género Corynebacterium; si se agrupan en empalizadas se les denomina como difteromorfos o difteroid.es, por­ que así se agrupan algunos bacilos relacionados con el agente etiológico de la difteria.

Espirales o helicoidales Células bacterianas que no presentan ordenamien­ to específico porque generalmente se encuentran

aisladas con una o varias curvaturas. Según la especie, los espirales presentan una longitud, am­ plitud de la espira y rigidez de la pared diferentes. Entre estas formas bacterianas se encuentran: 1) vibrios; 2) espirilos; 3) espiroquetas (véase figura 2.11). 1. Vibrios o vibriones. Estas bacterias tienen una sola curvatura y toman la forma de una especie de espiral incompleta, muy similar al símbolo de la coma gramatical. Ejemplo: Vibrio cholerae (véase figura 2.12). 2. Espirilos. Son bacilos incurvados helicoi­ dalmente, móviles, generalmente, por penachos de flagelos polares. Ejemplo: Spirillum volutans. Algunos espirilos son muy grandes y es probable

28 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

que el padre de la microbiología, Antony van Leewenhoek, los hubiera descrito en la época de 1670 y posteriormente Eherenberg, en 1832, creó oficialmente el género Spirillum (véase figura 2.13). 3. Espiroquetas. Son formas alargadas que presentan gran cantidad de curvaturas muy próxi­ mas entre ellas, semejando un tirabuzón. Ejemplo: Treponema pallidum (véase figura 2.14).

Características morfológicas menores de las bacterias La microbiología aunque había avanzado como ciencia todavía no era capaz de dilucidar muchas incógnitas, que el ínfimo tamaño de los micro­ organismos no perm itía desvelar por causa de la falta de herramientas microbiológicas propias para este fin. Solo a comienzos de la década de

Morfología y fisiología de las bacterias / 29

1940 se pudo disponer del microscopio electró­ nico como instrumento de laboratorio para los microbiólogos. El poder de resolución alcanza­ do con este microscopio resulta increíble y si se aúna a nuevos métodos para la preparación de las muestras, han posibilitado la identificación de las partes estructurales de una célula individual. Se desarrollaron técnicas mediante las cuales una bacteria puede cortarse en secciones muy finas y examinarse por microscopia electrónica. Estos estudios revelaron las partes estructu­ rales de las bacterias, lo que hoy se conoce como la morfología menor o estructura fina, en contraste con su morfología mayor o gruesa.

Paralelamente a los avances en microscopia electrónica se han desarrollando técnicas para desintegrar células bacterianas, aislar los com­ ponentes celulares y analizar su composición química. De este modo, hemos sido testigos de una era en la que se nos han revelado las partes estructurales de la célula bacteriana. Se conoce con exactitud la composición química de estas partes y se han adquirido los conocimientos relativos a las funciones llevadas a cabo por las organelas bacterianas. Gracias a estos avances tecnológicos, emergieron nuevos campos de especialización, como la citología bioquímica que relaciona forma y función.

30 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Para facilitar y organizar el estudio de las estructuras bacterianas se dividen en: estructuras obligadas y estructuras facultativas. De estas estructuras, algunas han sido catalogadas como envolturas y se localizan externas al citoplasma celular bacteriano y otras internas o contenidas dentro del mismo (véase figura 2.15).

Estructuras obligadas Las estructuras obligadas de las bacterias son: la pared celular, la membrana externa, la mem­ brana cituplasmática, unas invaginaciones que surgen de la membrana citoplasmática se llaman mesosomas (aunque se presentan especialmente

Morfología y fisiología de las bacterias / 31

en las bacterias Gram positivas, por ser prolon­ gaciones de la membrana hacia el interior del citoplasma, se van a tratar en esta división), el periplcisma, el citoplasma, los ribosomas y el nucleoide.

Pared celular La pared celular, también se conoce con el nombre de pared bacteriana; es una estructura fundamental para la bacteria. Se ubica inmediata­

mente antes de la membrana citoplasmática y se constituye en su elemento obligado más externo. Es una cubierta rígida que le da la forma peculiar a la bacteria y la protege de las injurias exter­ nas, principalmente de los posibles cambios de presión osmótica que puedan surgir en el medio donde se encuentra. La pared puede visualizarse mediante una téc­ nica de tinción bacteriana de tipo diferencial, des­ cubierta por el científico danés Christian Gram. la cual se conoce popularmente como coloración de

32 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Gram. Esta coloración se basa en la capacidad de las bacterias de retener el colorante primario (cris­ tal violeta), aun después de haber sido decoloradas con alcohol acetona. Esta situación se presenta por causa de las diferencias estructurales de las paredes celulares de las bacterias. Como esta coloración se clasifica como compleja y diferencial, el resultado de la técnica clasifica a las bacterias en bacterias Gram positivas (color violeta) y bacterias Gram negativas (color rojo claro o rosado). Composición. La microscopia electrónica de transmisión revela que la pared bacteriana la componen proteínas, polisacáridos y lípidos, estructurados según se trate de bacterias Gram positivas, Gram negativas o las conocidas como ácido-alcohol resistentes (BAAR), que pueden ser visualizadas microscópicamente por medio de otra coloración compleja y diferencial llamada co­ loración de Ziehl Neelsen, cuyo resultado clasifica las bacterias como BAAR positivas (color rojo) y BAAR negativas (color azul). Sin embargo, todas poseen un componente común que hace las veces de esqueleto de la pared: el peptidoglucano.

Morfología y fisiología de las bacterias

Este compuesto se menciona en algunos textos con diferentes nombres, entre ellos: mureína, glucopéptido, glicopéptido, m ucopéptido, mucocom plejo de Park o peptidoglicano.

Los peptidoglucanos son grandes polímeros, es decir, moléculas grandes formadas por unida­ des que se repiten un sinnúmero de veces. Sus componentes son dos aminoazúcares ubicados en forma alterna, unidos por enlaces glucosídicos p-1-4 y aminoácidos de la serie D y L. Estos aminoazúcares son: N-acetil glucosamina (NAG) y N-acetil murámico (NAM). Cada ca­ dena permanece unida a la adyacente mediante un pequeño grupo de aminoácidos que se unen entre sí para formar un tetrapéptido, conocido como tetrapéptido de glucano (por lo general cuatro o cinco aminoácidos de la serie mencio­

/ 33

nada), que se unen por su aminoácido esencial, generalmente la L-alanina, al grupo carboxilo del ácido N-acetil murámico y luego se encuentra un enlace interpeptídico mediado por una pentaglicina (cinco moléculas de glicina) (véanse figuras 2.16 y 2.17). En las figuras 2.18 y 2.19 se observan esque­ mas que representan la unión entre las cadenas peptídicas del peptidoglucano de la pared de las bacterias Gram positivas y Gram negativas. P ared ce lu la r de las b a cteria s Gram p o ­ sitivas. En estos microorganismos la pared se

identifica fácilmente debido a la gran capa de peptidoglucano o mureína que poseen: se reporta un grosor de 10 a 20 nm, donde la secuencia de aminoácidos unidos al NAM se da en este orden:

L-alanina (L-Ala); D-glutámicc (D-Gíu); L-

34 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

(3-1-4

(3-1-4

-------— AMA

(3-1-4

(3-1-4

(Glicina);

(Glic¡na)5

AMA

P-1

(3-1-4

AGA

Tetrapéptido

Figura 2.16

AGA -

Tetrapéptido

Tetrapéptido

(3-1-4

(3-

---------- AGA ---------- AMA ----------

(3-1-4

AGA

AMA

Tetrapéptido

Composición química de la pared celular de las bacterias

lisina (L-Lys); D-alanina (D-Ala); el enlace interpeptídico es indirecto y está mediado por una pentaglicina (Gly)s. Solo en estas bacterias se encuentran los ácidos teicoicos, los cuales son polímeros de ribitol-fosfato y glicerol-fosfato so­ lubles en agua, que se integran en cadenas de más de treinta unidades. Anclados a la membrana, por un glucolípido, también se encuentran los ácidos lipoteicoicos (ALT). Estos y los ácidos teicoicos son los responsables de la carga negativa externa que presentan las bacterias Gram positivas. A pesar de no conocerse su localización exacta, se cree que se unen covalentemente al peptidoglucano y parecen intervenir en la integridad de la pared, porque están cargados negativamente y pueden unirse a iones como el Mg++. Otros compuestos adicionales a la pared son polisacáridos y proteínas que pueden sobrepasar el peptidoglucano (véase figura 2.20). Pared celular de las bacterias Gram nega­ tivas. La ubicación de la pared en este tipo de

bacterias, se describe desde el exterior hacia el interior de la bacteria, de la siguiente forma: la mem brana externa, el espacioperiplásmico y la membra­ na citoplasmática. En el espacio periplásmico

se encuentra inmerso el peptidoglucano o pared celular.

En estos microorganismos la composición y estructuración del peptidoglucano es bastante similar a la de las bacterias Gram positivas, sin embargo, su espesor es menor y predominan las proteínas, fosfolípidos y lipopolisacáridos que se unen formando otras capas. En este caso, los enlaces interpeptídicos son directos, mediados, también, por una pentaglicina y el aminoácido L-lisina es sustituido por el ácido weso-diaminopimélico (w-DAP), como diaminoácido, en la posición 3. Los lipopolisacáridos desempeñan un papel importante, actuando como barrera frente a determinados antibióticos, como la penicilina, que por esta razón es poco eficaz frente a las bacterias Gram negativas. Pared celular de las bacterias ácido-alcohol resistentes. Estas bacterias poseen la pared muy

semejante a la de las Gram positivas porque su peptidoglucano es típico, aunque realmente el ácido N-acetil murámico es en realidad Nglicosilmurámico. La diferencia estriba en que en estos microorganismos se describe la presencia de ácidos micólicos, no descritos en ninguna otra especie. Estos ácidos micólicos son los que Ies confieren la capacidad de retener el colorante bá­ sico fuscina y resistir la decoloración con alcohol clorhídrico fuerte que se usa en la coloración de

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Morfología y fisiología de las bacterias / 37

Zhiehl Neelsen. Esta propiedad la tienen las bac­ terias pertenecientes al género Mycobacterium, ejemplo: Mycobacterium tuberculosis. En general, en la pared celular, la molécula característica de las bacterias, compuesta por peptidoglucano, puede afectarse por la acción de algunos agentes como la enzima lisozima o muramidasa. Esta enzima, rompe los enlaces glucosídicos P-l-4 localizados entre las 2 unidades de aminoazúcares (ácido N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico) y disuelve la molécula de peptidoglucano, por consiguiente, el agua entra en la célula, la hincha y puede causarle lisis o estallido. La enzima lisozima se encuentra en algunas secreciones animales como la saliva, lágrimas, sudor y otras secreciones corporales, constituyéndose en una barrera defensiva contra las infecciones causadas por bacterias. En la tabla 2.1, se establece un paralelo entre las bacte­ rias Gram positivas y Gram negativas y se obser­ van algunas de las características más relevantes de la pared de estos dos tipos de bacterias. La pared bacteriana es susceptible de sufrir modificaciones cuando su principal componente (el peptidoglucano) se desestabiliza por acción de agentes externos o por causa de cierto tipo de

mutaciones genéticas. Ejemplos de estas modi­ ficaciones de la pared bacteriana son: 1. Formas L. Son estructuras que aún con­ servan restos de proteínas parietales, en cantidad suficiente para evitar el estallido de la célula bacteriana en medios isotónicos, además, tienen la capacidad de sintetizar compuestos que refuer­ cen la membrana citoplasmática. Algunas formas L no pierden la capacidad de dividirse y, si los medios de cultivo son los adecuados, pueden tener la posibilidad de formar colonias. Estas formas provienen tanto de bacterias Gram negativas como de bacterias Gram posi­ tivas y pueden obtenerse en el ámbito del labo­ ratorio (in vivo), pero pueden surgir durante el desarrollo bacteriano enhospedadores naturales, por causa de mutaciones o por la acción de al­ gunos antibióticos. Dependiendo de la cantidad de contenido parietal podrán regenerar totalmente la pared y toman el nombre deformas L inestables y si por el contrario no pueden hacerlo se denominan formas L estables. Las formas L son insensibles a los antibióti­ cos que interfieren la síntesis del peptidoglucano o mureína.

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Tabla 2.1

Algunas características de las bacterias Gram positivas y Gram negativas

Característica

Gram positivas

Gram negativas

Estructura de la pared celular

Gruesa (15-80 nm) Una sola capa ■monocapa

Delgada (10-15 nm) triple capa - multicapa

Composición de la pared celular

Baja en lípidos (1-4%) Peptidoglucano presente formando monocapa; es un componente impor­ tante que supone 50% del peso seco de algunas células bacterianas. Pre­ sencia de ácidos teicoicos

Alto en lípidos (11-22%) Peptidoglucano presente en una capa interna rígida; poca cantidad. Representa 10% del peso seco. No hay ácidos teicoicos

Susceptibilidad a la penicilina

Más susceptibles

Menos susceptibles

El crecimiento es frenado por colorantes básicos, por ejemplo el cristal violeta

El crecimiento se retrasa notoriamente

El crecimiento se retarda menos

Requerimientos nutricionales

Relativamente complejos en muchas especies

Relativamente sencillos

Resistencia a la rotura mecánica

Más resistentes

Menos resistentes

La pared bacteriana, al sufrir modificaciones, facilitan el acceso de ciertos compuestos antimi­ puede transformar la bacteria en un protoplasto crobianos (tipo penicilina) al peptidoglucano. 3. Esferoplastos. Estas estructuras, como las o en un esfemplasto que son formas esféricas sin capacidad de reproducción y se obtienen artifi­ anteriores, son células viables bacterianas incapa­ ces de dividirse, pero se diferencian de los proto­ cialmente al tratar las bacterias con compuestos enzimáticos como la lisozima o antibióticos plastos, porque han perdido parcialmente la pared como la penicilina, que desorganizan el pepti­ y en determinadas condiciones, pueden regenerar­ la completamente. Se obtienen, por lo general, a doglucano o mureína. 2. Protoplastos. Son unas estructuras viablespartir de las bacterias Gram negativas. Para mantener viables los protoplastos y derivadas de una célula vegetativa. Se caracterizan por la pérdida total de la pared celular, causada por los esferoplastos y evitar su estallido, deben cambios físicos como la modificación de las condi­ mantenerse en medios isotónicos respecto a su ciones ambientales o químicos como la acción de citoplasma. la lisozima, algunos antibióticos, entre otros. Micoplasmas Desde el momento en que pierden la pared toman una forma globosa, esférica. Son inmó­ viles, no se reproducen, ni tienen capacidad de Existen en la naturaleza algunas bacterias pató­ formar nuevamente la pared celular perdida y no genas para la especie humana y los animales que pueden ser atacados por bacteriófagos (virus que carecen por naturaleza de pared bacteriana. Estas bacterias pertenecen al género Mycoinfectan bacterias), porque este tipo de virus se adhiere a un receptor específico que está ubicado plasma, y se consideran bacterias verdaderas por­ que su capacidad reproductiva permanece intacta en la pared. Por lo general, se originan de bacterias Gram a pesar de la ausencia de pared. Los micoplasmas son microorganismos incapaces de sintetizai ia positivas que, al no poseer membrana externa,

Morfología y fisiología de las bacterias /

pared y requieren colesterol y esteróles para lo­ grar un crecimiento óptimo. Dada su fragilidad, sólo pueden cultivarse en medios hipertónicos enriquecidos con proteínas y en atmósferas anae­ robias o enriquecidas con 5-10% de CO,. Debido a la ausencia de pared, los micoplasmas, adquieren gran pleomorfismo (capacidad para adquirir varias formas), y desarrollan una membrana citoplasmática más resistente y rica en esteróles que la de las bacterias normales.

Membrana citoplasmática Ubicada inmediatamente debajo de la pared celular, existe una fina membrana que se llama membrana citoplasmática, también se conoce como membrana protoplasmática o membrana celular bacteriana, o simplemente membrana plasmática. Los cálculos acerca de su espesor, basados en micrografías electrónicas de cortes finos, son del orden de 7,5 nm. La membrana es una estructura obligada de las bacterias, constante en todas las especies sin excepción y constituye de 20 a 30% del peso de la bacteria. En las bacterias Gram negativas, es la membrana más interna, limitado con el citoplasma y sólo separada de la membrana externa por un espacio llamado espacio periplásmico. En las bacterias Gram positivas se sitúa por debajo de la pared bacteriana, delimitada hacia fuera por un espacio tan pequeño, que es casi inexistente. Composición. La membrana citoplasmática está compuesta por fosfolípidos en un 40% y por proteínas el 60% restante. La estructura de la membrana propuesta anteriormente, mostraba una membrana con una doble capa de lípidos con los polos hidrófilos hacia fuera y los hidrófobos hacia dentro, envueltos por una doble capa pro­ teica. Actualmente, se trabaja con el modelo más reciente de S. J. Singer y G. L. Nicolson en 1972, que propone una doble capa de fosfolípidos, los cuales, engloban las proteínas, por lo tanto, la membrana de conformidad con su modelo de “mosaico fluido” presenta una estricta organi­ zación y elevada movilidad. Existen, también, glucolípidos, aunque en pe­ queñas porciones, especialmente en las bacterias

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Gram positivas. Los lípidos comprenden una variedad de sustancias insolubles en solventes polares como el agua, sin embargo, pueden disolverse en solventes no polares como el éter, cloroformo y otros disolventes lipídicos. Los lípidos, que en su mayoría son fosfolípidos, tienen en su estructura cadenas complejas de hidrocarbonos que no son polares, por eso, se les da el nombre de hidrofóbicos o hidrófobos, o sea, que repelen el agua. En la membrana citoplasmática existen proteínas producidas por los ribosomas, que se encuentran inmersas en múltiples sitios de la bicapa, y forman proteínas globulares de dife­ rentes tamaños, las cuales tienen la propiedad de migrar libremente como si fueran témpanos navegando en un mar constituido por lípidos (véase figura 2.21). La membrana citoplasmática es indispen­ sable porque controla el paso de sustancias químicas en solución: del exterior hacia el inte­ rior y del interior hacia el exterior de la célula bacteriana, es decir, que actúa como una barrera de permeabilidad. Es un logro notable que una célula microscópica que flota en un ambiente químico extremadamente complejo y cambiante sea capaz de tomar y retener cantidades adecua­ das de nutrientes, descargar el exceso de ellos y, además, excretar los productos de desecho. En la membrana citoplasmática se anclan ciertas estructuras como los pili, las fimbrias y los flagelos. Algunos antibióticos como las polimixinas pueden producir una desorganización de la membrana citoplasmática, causándole un daño irreparable. La membrana citoplasmática proporciona la maquinaria bioquímica para transportar iones inorgánicos, azúcares, aminoácidos, electrones y otros metabolitos a través de ella. Estas sustancias en solución o solutos atraviesan la membrana por efecto de difusión pasiva o por transporte activo: Difusión pasiva (osmosis). La difusión pa­ siva es inespecífica; no distingue entre los solutos que atraviesan la membrana. En este proceso las sustancias químicas pasan a través de la mem­ brana desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración. Este fenómeno

40 / Microbiología básica para

el área de ¡a salud y afines

se realiza para igualar la concentraciór de los solutos a ambos lados de la membrana. - Transporte activo. Este fenómeno, a dife­ rencia de la difusión pasiva, es altamente especí­ fico, es decir, que los solutos pasan al interior de la célula bacteriana, sólo después de haber sido seleccionados. Además, permite que se alcance una concentración de solutos más alta dentro de la célula, que la existente fuera de ella. El transporte activo reviste extremada importancia para las células bacterianas que se encuentran en ambientes como el océano, en donde los nutrien­ tes están presentes en pequeñas cantidades, por tanto, las células deben ser capaces de concentrar nutrientes para desarrollarse. El proceso de transporte activo implica un intrincado mecanismo dentro de la membrana cito p lasm á tic a . C om pu esto s deno m in ad o s transportadores de membrana (carriers), junto con reacciones bioquímicas que proporcionan energía, realizan esta clase de transporte.

L a m em brana c ito p la sm á tic a p a rtic ip a en procesos biodegradativos, biosintéticos y bioenergéticos que son vitales para las células bacterianas: 0 Procesos biodegradativos o catabólicos. Su participación en este tipo de procesos es fundam ental porque en ella se encuentran enzimas que cuando son excretadas al exterior (exoenzimas), escinden o dividen compuestos complejos en otros más simples y fácilmente asimilables. • Procesos biosintéticos o anabólicos. En la membrana se encuentran ciertos sistemas que intervienen en la síntesis de varias estructuras como la pared celular bacteriana, el glicocáliz, entre otros y de otra serie de compuestos. • Procesos bioenergéticos. Estos procesos se relacionan directamente con el transporte de elec­ trones y con los eventos de la fosforilación oxidativa que llevan a la génesis de adenosín trifosfato (ATP), a partir de adenosín difosfato (ADP).

Morfología y fisiología de las bacterias

Bacterias Gram positivas La membrana citoplasmática de estas bacterias, aparte de ser una estructura obligada, cumple con todas las características descritas anteriormente y se ubica inmediatamente por debajo de la pared bacteriana. Algunos autores mencionan que entre las dos estructuras existe un pequeñísimo espacio, que en realidad la mayoría de los investigadores lo califican como inexistente (véase figura 2.22).

Bacterias Gram negativas En las bacterias Gram negativas aparece una estructura característica de este tipo de bacterias y no se reporta en las Gram positivas, a la que los autores se refieren como membrana externa.

M em brana externa Está constituida por lipopolisacáridos, fosfolípidos y proteínas. Su estructura sigue el modelo de la membrana convencional y está conformada por dos capas, una externa y una interna, asocia­ das con proteínas. 1. La lámina externa. Está constituida, casi en su totalidad, por un lipopolisacárido (LPS)

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muy im portante para estas bacterias y en su constitución se describen tres partes: - Porción superficial o polisacáricla. Esta porción es antigénica (capaz de desencadenar una respuesta del sistema inmunológico) y es­ pecífica para cada especie, también se conoce como antígeno O, antígeno específico O, cmtfge­ no somático o polisacárido O, y es el principal antígeno de las bacterias Gram negativas. Las bacterias que pierden el antígeno O se encuen­ tran en fase rugosa o R y las que lo tienen están en fase lisa o S. Estos conceptos se tratan con mayor detenimiento en el capítulo sobre genética bacteriana. - Porción intermedia. La forman oligosacáridos y ácido ketodesoxioctónico (KDO), también se conoce como core. La porción intermedia o core se comporta como un antígeno de grupo porque es igual o muy semejante en muchas bacterias. En algunas bacterias mutantes esta porción puede estar ausente. - Porción interna. Esta porción es lipídica y se llama lípidoA, su característica principal es la alta toxicidad y constituye la endotoxina responsable del inicio del choque séptico (se produce cuando las bacterias, generalmente Gram negativas, alcanzan el torrente sanguíneo y liberan en él sus endotoxi-

42 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

ñas). La toxicidad de la endotoxina puede variar 3. Proteínas asociadas. Como sucede con en intensidad entre diferentes especies, pero los otras membranas biológicas, la membrana exter­ efectos producidos son idénticos. Esta porción es na también contiene proteínas aunque su variedad menos antigénica que la porción polisacárida. es menor. Se encuentran proteínas transmembra2. La lámina interna. La membrana externa nosas, que se llaman porinas, proteínas integra­ es un fosfolípido que en algunas partes se invales, proteínas superficiales y lipoproteínas gina y se continúa con la capa fosfolipídica de la - Porinas. Son proteínas que actúan como cana­ membrana citoplasmática. Estas invaginaciones les para la entrada y salida de sustancias hidrofüicas se conocen como uniones de Bayer. de bajo peso molecular. Pueden existir diversos El lipopolisacárido actúa como una membra­ tipos de porinas en diferentes bacterias Gram ne­ na impermeable, porque por la parte glusídica gativas e inclusive dentro de la misma especie. De impide el paso de sustancias hidrófobas, por esta forma, estas proteínas se conocen como: ejemplo, algunos antibióticos, y por la parte • Porinas específicas: contienen un sitio espe­ lipídica impide el paso de sustancias hidrófilas cífico para la unión de una o más sustancias. como azúcares y aminoácidos, que son nutrientes • Porinas inespecíficas: sus canales están básicos para las bacterias. Este inconveniente se llenos de agua y permiten el paso de cualquier soluciona por medio de fenómenos selectivos de tipo de pequeñas sustancias. transporte activo, gracias a la presencia de poros - Proteínas integrales. Su función princi­ ubicados en la membrana externa que permiten pal es mantener la integridad de la membrana el paso de pequeñas sustancias hidrófilas como externa. azúcares, aminoácidos y algunos iones con un -Proteínas superficiales. Actúan como recep­ peso molecular que no sobrepase los 700 d. tores virales, específicamente de bacteriófagos.

Morfología y fisiología de las bacterias /

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Lipoproteínas. Su principal componentecitoplasmática, las cuales se ubican en el interior del es la mureína, pero estas lipoproteínas se ubican citoplasma. Se observan en forma de remolinos u en la porción interior, también se conocen como ovillos que se colocan en una posición más o menos proteínas de Braum o lipoproteínas de mureína. centrada y se conocen con el nombre de mesosomas. Algunas funciones de la membrana externa son: En las bacterias Gram negativas estas estructuras, 1) patogenicidad causada por el lípido A; 2) exclu­ aparte de ser inconstantes, son más pequeñas. sión de moléculas hidrófobas e hidrófilas grandes, y Composición. El componente estructural de 3) permeabilidad selectiva por la vía de las porinas, los mesosomas es idéntico al de la membrana mediante transporte activo (véase figura 2.23). citoplasmática y de acuerdo con la función que tienen se dividen en septales y laterales: Periplasma • Mesosomas septales o centrales. Arrastran la membrana citoplasmática hacia el centro del El periplasma se conoce con varios nombres, citoplasma y su función es inducir la formación entre ellos: gel periplásmico y espacio peri­ del tabique de separación cuando se produce la plásmico (recibe este nombre por separar las división celular bacteriana. De manera similar dos membranas), aquí se encuentran: una capa participan en el desdoblamiento y separación del de peptidoglucano o mureína; una solución de cromosoma bacteriano durante la división celu­ elementos con apariencia de gel, que contiene lar, puesto que el ADN bacteriano permanece fijo enzimas hidrolíticas, como: lasfosfatasas ácidas al tabique inducido por el mesosoma. y alcalinas, que se encargan de la degradación • Mesosomas laterales. Estas estructuras, al inicial de algunos nutrientes, nucleasas, protea- invaginarse, aumentan la longitud de la mem­ sas, lipasas, enzimas degradantes de carbohidra­ brana citoplasmática y algunos autores afirman tos y betalactamasas, oligosacáridos aniónicos y que tienen funciones excretoras, principalmente, proteínas para el transporte activo de azúcares y porque en ellos se sintetizan exoenzimas del tipo aminoácidos, una de esas proteínas es la proteína P-lactamasas que son exportadas hacia el exterior de Braun que por medio de enlaces covalentes de la superficie celular. Algunos autores afirman ancla el peptidoglucano a la membrana externa, que, precisamente, por causa de esta riqueza su aspecto y contenido varían según el tipo de enzimática, desempeñan un papel muy parecido bacteria y el estado metabólico en que se encuen­ al de las mitocondrias de las células superiores, tre. El espacio periplásmico está delimitado por desarrollándose en ellos la función respiratoria la superficie externa de la membrana citoplasmá­ por medio de enzimas respiratorias. No obstante, tica (membrana interna) y la superficie interna otros autores sugieren que los mesosomas latera­ de la membrana externa. Las dos membranas les son simples artefactos sin función específica son hidrófilas. alguna, pero lo cierto es que se observan clara­ El periplasma interviene en el transporte y mente con ayuda de la microscopia electrónica procesamiento de moléculas que entran o salen y con una configuración bien definida. de la célula bacteriana. Tiene una consistencia gelatinosa, probablemente por la gran cantidad Citoplasma de proteínas periplasmáticas. El periplasma no existe en las bacterias Gram positivas. El citoplasma lo constituye un sistema coloidal o hidrogel, compuesto por un 85 % de agua y el 15% Mesosomas restante por minerales, estructuras y enzimas. Comprende todo lo que se ubica en el interior de Con cierta frecuencia en preparaciones de bacte­ la bacteria, exceptuando el ADN y los plásmidos, rias Gram positivas, observadas al microscopio cuando estos últimos existan. El citoplasma lo electrónico, se detectan unas invaginaciones mem­ delimita la membrana citoplasmática. branosas que hacen parte de la misma membrana Composición. El contenido líquido contiene

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las organelas bacterianas y recibe el nombre de citosol. En el citoplasma se encuentran 3 áreas: 1) área citoplasmática de aspecto granular y rica en ARN; 2) área cromatínica o área nuclear, rica en ADN, y 3) área o porción fluida que contiene nutrientes disueltos y materia particulada. - Area citoplasmática. Es un área densa de aspecto granular, porque se encuentran, densa­ mente empaquetadas, partículas de proteína y ARN, llamadas ribosomas, que son el sitio de la biosíntesis de las proteínas. Los ribosomas se encuentran en todas las células, eucarióticas y procarióticas. - Area nuclear. Las células bacterianas a diferencia de las células eucarióticas, carecen de: cromosomas lineales, aparato mitótico para la di­ visión celular, nucléolo y membrana nuclear. El material nuclear o ADN, en una célula bacteriana ocupa una posición cerca del centro de la célula y está unida al sistema mesosoma-membrana cito­ plasmática. Este material es el aparato genético total o genoma de la bacteria. La zona también se conoce como área cromatínica. - Porción fluida. Contiene estructuras forma­ das por nutrientes disueltos y materia particulada, llamados cuerpos de inclusión o inclusiones citoplasmáticas, y son un conjunto de elementos sin estructura uniforme que sirven como mecanismo de regulación o de almacenaje. Contiene, además de ribosomas (aunque en menor cantidad que el área citoplasmática), mesosomas, nucleoide y no posee mitocondrias, cloroplastos, aparato de Golgi, lisosomas ni retículo endoplásmico.

Ribosomas Son estructuras extraordinariamente numerosas, hasta el punto que en la división bacteriana pueden observarse más de 10.000. Son gránulos densos, homogéneos, redondeados, pero ligera­ mente aplanados, que constituyen del 25 al 30% del peso de la bacteria y se localizan de manera dispersa por el citoplasma. Los ribosomas son el lugar donde se lleva a cabo la síntesis de proteínas. Cada ribosoma lo forman dos subunidades una de 30 S y la otra de 50 S y así constituyen un ribosoma de 70 S. Estos

números 30, 50 y 70S, se refieren a unidades de sedimentación o Svedberg (S), es decir, unidades de los coeficientes de sedimentación o de las sub­ unidades ribosómicas o de los ribosomas intactos, cuando se someten a la acción de la fuerza centrí­ fuga en un equipo de ultracentrifugación. Suelen presentarse aislados o agrupados en tres o cuatro unidades o elementos unidos por un fila­ mento de ARNm. Cuando se encuentran agrupados toman el nombre de polisomas o polirribosomas. Composición. Sus componentes principales son proteínas y ARN. ARN es el contenido primor­ dial del ARN ribosómico (ARNr). Las principales funciones de los ribosomas son: intervenir en la síntesis proteica y verificar la traducción metabó­ lica del código genético portado por el ARNm y en ellos convergen, por lo tanto, el ARNr, él ARNm más el ARNt que aporta los aminoácidos.

Nucleoide Por mucho tiempo se tuvo como el nombre más común para designar esta estructura el de equivalente nuclear, pero por no satisfacer las necesidades de su definición se ha reemplazado por un término, al parecer, más exacto: nucleoi­ de. Sin embargo, la controversia continúa y es frecuente leer artículos en los cuales se habla de ADN bacteriano ubicado en una región citoplas­ mática llamada área nuclear. En esta obra, y mientras la discusión continúe como hasta hoy, se adopta el término nucleoide para mencionar el ADN bacteriano. El material nuclear se encuentra como una larga molécula de dos cadenas que forman el cromosoma bacteriano. El nucleoide carece de membrana nuclear que lo delimite y se relaciona con la membrana citoplas­ mática por medio del mesosoma septal, al cual pa­ rece estar anclado. Es el responsable de mantener y transmitir la información genética contenida en los genes, dirección de las actividades biológicas y herencia de la célula bacteriana. Las bacterias son haploides (número n de cromosomas) y su único cromosoma es circular, pero es lineal la transmisión genética. A pesar de no existir mitosis como tal, cada célula hija recibe su propio patrimonio de información genética.

Morfología y fisiología de las bacterias /

La situación, forma y tamaño del nucleoide varían extraordinariamente según la especie y sobre todo según la fase de desarrollo en que se encuentre la bacteria. En los cocos tiende a dis­ ponerse como una masa redondeada central. En los bacilos se sitúa en forma alargada y paralela al eje mayor de la bacteria. Composición. Aunque su disposición varía, en todos los casos, está constituido por dos cade­ nas complementarias entre sí y toma una forma tridimensional de doble hélice, en la cual apare­ cen enlaces formados por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, así: adenina (A) con timina (T) y citosina (C) con guanina (G). La citosina se une a la guanina por medio de un triple enlace de hidrógeno y la adenina con la timina por un doble enlace de hidrógeno. El modelo es el clásico de Watson y Crick. Es importante recordar que en la composición de los ácidos nucleicos existen: 1) bases nitrogena­ das púricas (adenina y guanina); 2) bases nitroge­ nadas pirimídicas (timina y citosina en el ADN) y uracilo (U) que reemplaza a la timina, en el ARN, y 3) los azúcares son una pentosa (desoxirribosa) para el ADN y una ribosa para el ARN. La unión de una base nitrogenada con un azúcar constituye un nucleósido y la unión de una base nitrogenada con un azúcar y un grupo fosfato forman un nucleótido. El nucleoide también se conoce como: cuerpo de cromatina, equivalente nuclear, nucleoplasma, cromosoma bacteriano, genoma, ADN bacteriano y ADN cromosómico.

Estructuras facultativas Las estructuras facultativas de las bacterias son: cápsula, limo, glicocáliz, gránulos de almacena­ miento, flagelos, fimbrias, pili y esporo.

Cápsula Algunas bacterias están rodeadas por una cu­ bierta viscosa y pegajosa (secretada por ellas mismas) firmemente adherida a la pared e impermeable, que forma una capa o envoltura alrededor de la célula, la cual se conoce con el

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nombre de cápsula y algunas veces, por ciertos autores, capa mucosa, pero el uso indiscriminado de este último nombre podría confundirse con el limo o slime que se describe más adelante. No todas las especies bacterianas producen fácilmente cápsulas detectables y el volumen de la cápsula está notablemente influido por el medio donde la bacteria se cultiva. La cápsula no es esencial para la fisiología bacteriana y puede estar presente, tanto en bacterias Gram positivas, como Gram negativas. Las colonias originadas de bacterias cap­ suladas que aparecen en los medios de cultivo sólidos, se caracterizan por presentar un aspecto bastante mucoso y se denominan colonias M. Aunque la presencia o ausencia de cápsula esté regulada genéticamente, la composición de los medios de cultivo (sobre todo los enriqueci­ dos con sacarosa, suero, entre otros), y ciertas condiciones ambientales de presión osmótica y temperatura, favorecen su formación. Ejemplos de algunas bacterias capsuladas: Klebsiella pneumoniae y Streptococcus pneumoniae. Composición. La componen polímeros orgá­ nicos, tipo polisacáridos extracelulares como dextrán, leván y celulosa, que por muchos motivos se afirma que son sintetizados y excretados por la propia célula bacteriana y que por causa de su viscosidad e insolubilidad no se difunden en el medio y se quedan envolviendo la pared celular. Esta envoltura es una capa laxa, mucosa, viscosa y pegajosa de un espesor considerable, que puede detectarse, fácilmente, por medio de técnicas de tinción especializadas. Su grosor varía de 0,2 a 1 |im, aunque algunas veces dobla el volumen bacteriano. Sin embargo, también se han descrito cápsulas con una composición polipeptídica. Aunque, la cápsula le confiere algunas ventajas a las bacterias que la poseen, definitivamente no es vital para su subsistencia. Sus funciones son: Protección, a las bacterias que la poseen: 1) interfiere la fagocitosis, impidiendo que sean fagocitadas por las células de defensa del orga­ nismo (macrófagos); 2) evita la desecación de la célula bacteriana porque contiene gran cantidad de agua; 3) dificulta la difusión de sustancias hidrófobas y electronegativas, como algunos an­

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tibióticos y sustancias tóxicas que puedan tener en la cavidad bucal, como los estreptococos del efectos letales sobre la bacteria, y 4) impide la grupo Mutans. Estos estreptococos, se caracte­ adherencia de virus bacteriófagos que necesitan rizan por su capacidad de sintetizar homopolíun sitio activo en la pared celular para infectar la meros extracelulares, utilizando sacarosa como bacteria y cumplir con su ciclo viral. sustrato de preferencia. Virulencia, las bacterias capsuladas tienen, Los homopolímeros extracelulares se clasi­ generalmente, mayor poder de virulencia que fican en tres tipos: las que no la poseen. Como se mencionó, la - Glucanos hidrosolubles (dextranos) cápsula impide que se lleve a cabo el proceso - Glucanos hidroinsolubles (muíanos) defensivo que se conoce como fagocitosis, en el - Fructanos cual los leucocitos o glóbulos blancos engloban La formación de estos polímeros está media­ y digieren elementos extraños principalmente da la acción de unas enzimas de tipo extracemicrobios así como ciertos productos de la lular llamadas glucosiltransferasas (GTF) y desasimilación (toxinas, por ejemplo), lo cual, fructosiltransferasas (FTF), cuyo mecanismo favorece su multiplicación y facilita la invasión de acción es romper la molécula de sacarosa del organismo infectado. El mecanismo interno y polimerizar los polisacáridos. de la resistencia a la fagocitosis no se conoce Algunas funciones del limo son similares claramente, pero se han emitido varias teorías. a las de la cápsula, aunque tiene otras que La de mayor aceptación dice que la bacteria marcan la diferencia: adquiere una capacidad deslizante que impide su - Protección adherencia a los fagocitos. Lo que sí resulta claro - Virulencia es que la cápsula constituye unfactor de virulen­ - Facilitar mecanismos de adhesión, agre­ cia, propio de las bacterias que la posean. gación y coagregación, porque por medio de su capa mucosa las bacterias pueden Limo o slime, capa mucosa o capa adherirse a superficies (como el esmalte mucilaginosa dental) y también establecen uniones entre bacterias similares o diferentes (agregación Envoltura o capa flexible e indefinida, por lo tanto, y coagregación, respectivamente), así todo sus márgenes son difusos, su grosor y su densidad el conjunto queda adherente. no son uniformes, su adherencia a la membrana - La capa de limo se convierte en una reserva externa de las bacterias Gram negativas y a la mu­ nutricional, la cual utilizarán las bacterias reína o peptidoglucano de las Gram positivas es ante la escasez de nutrientes provenientes muy débil por lo cual es fácilmente eliminada. del exterior. Composición. El limo o slime lo componen -Dificulta la acción de los antibióticos, porque principalmente polisacáridos y de forma más los mecanismos de adhesión, agregación y frecuente homopolisacáridos, por lo cual, y pese coagregación forman una masa o biopelícula a su diferencia conceptual, es difícil de diferen­ con ausencia de oxígeno en su interior, que ciar en la práctica. dificulta el acceso de los fármacos, principal­ Las colonias originadas en cultivos sólidos, mente, los hidrófobos y los que necesitan el por bacterias que poseen esta capa, ocasional­ oxígeno para poder actuar. mente, se observan como si estuvieran rodeadas por una gota de agua o enclavadas y adheridas Glicocálix o glicocáliz a la superficie. Los medios de cultivo sólidos enriquecidos con sacarosa, preferiblemente, Algunas bacterias cuando se desarrollan en favorecen su formación. su hábitat natural son capaces de segregar un Entre las bacterias que poseen la capa de limo homopolímero compuesto por dextrán o leván, o slime, se destacan algunas de gran importancia que se conoce con el nombre de glicocálix. Esta

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estructura se sitúa en posición extracelular y forma un entramado o maraña de fibrillas polisacáridas, que facilitan la adherencia de la bac­ teria a una superficie. Esto sucede con bacterias como Streptococcus mutans y el esmalte dental, Pneumococcus y el tejido pulmonar, el gonococo y el tejido uretral, entre otras. Esta propiedad se pierde, como sucede en muchas ocasiones con la cápsula, cuando la bacteria se desarrolla en medios sintéticos en el ámbito de laboratorio. El homopolímero aunque es transparente, puede ponerse de manifiesto al microscopio electrónico con técnicas muy específicas. Algunos autores llaman glicocáliz a la capa mucosa o slime, pero no tiene total aceptación.

Granulos de almacenamiento Se localizan principalmente en la porción fluida del citoplasma y son estructuras formadas por materia particulada y nutrientes disueltos. Tam­ bién se les conoce con el nombre de cuerpos de inclusión, inclusiones citoplasmáticas o granulos metacromáticos. Se describen como un conjunto de elementos sin estructura uniforme, que sirven como mecanismo de regulación o de almacenaje. Son de naturaleza muy diversa (dependiendo de la especie de la bacteria) y regularmente se observan con mayor frecuencia en las fases de reposo o envejecimiento de las bacterias, en las cuales ellas los utilizan como reservas energéticas. Las bacterias de la cavidad bucal los utilizan para obtener energía cuando el hospedero las somete a periodos de ayuno prolongados. Los gránulos o cuerpos de inclusión más co­ munes en las bacterias patógenas para el hombre son de naturaleza: a. Orgánica. Están compuestos por glucógeno (un polímero de la glucosa que funciona como un depósito de carbono y energía, acumulándose cuan­ do la fuente de carbono se encuentra en exceso) y almidón, que conforman las reservas bacterianas de hidratos de carbono y los de ácido poli-Phidroxibutírico que son las reservas de lípidos. b. Inorgánica. Compuestos por polifosfatos que son las reservas de fósforo. Los gránulos de almacenaje más comunes, en general, están

compuestos de polifosfato, lípidos, glucógeno, almidón, azufre o ácido poli-P-hidroxibutírico. Algunas bacterias presentan en su morfología unas estructuras facultativas con apariencia de pelos muy largos y flexibles, unos cortos y otros rígidos. Los dos tipos de pelos tienen diferentes funciones y se han denominado, genéricamente, apéndices bacterianos. Entre ellos encontramos los flagelos, las fimbrias y los pili.

Flagelos Los flagelos son apéndices filamentosos, ondu­ lados, sinuosos, extremadamente finos y frágiles que se originan en una estructura granular lla­ mada cuerpo basal, localizada en el citoplas­ ma, inmediatamente después de la membrana citoplasmática. El flagelo tiene tres partes: 1) cuerpo basal: es una estructura basal; 2) codo: una estructura a manera de gancho, y 3) elflagelo propiamente dicho: un filamento largo fuera de la pared celular. El diámetro del flagelo, en general, es muy uniforme (aproximadamente de 10 a 20 nm), pero su longitud resulta muy variable según las especies y puede ser varias veces el soma o cuerpo de la bacteria que lo posee. Es posible afirmar, de manera general, que muchas especies de bacilos tienen flagelos, pero muy rara vez se aprecian en los cocos (véase figura 2.24). Determinar si una bacteria es o no flagelada resulta fácil, una de las técnicas más sencillas es la inoculación de las bacterias en un agar semisólido (agar blando) con un asa bacteriológica de aguja, mediante el método que se conoce como picadura. Si las bacterias no poseen flagelos, su crecimiento se limita únicamente al lugar o tra­ yecto por donde se realiza la picadura. Si, por el contrario, son flageladas su crecimiento, además de aparecer por el trayecto de la picadura, se extiende por todo el medio de cultivo, incluso la superficie. La principal función de los flagelos es pro­ porcionar a las bacterias movimiento. Por causa de esa motilidad, se les facilita la penetración a los tejidos y en ciertos casos desplazarse a contra corriente, como ocurre con el flujo miccional, al

48 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Morfología y fisiología de las bacterias / 49

existir un proceso infeccioso. De esta forma, se convierten en un factor de virulencia. Composición. La composición del flagelo es eminentemente proteica. La proteína es de natu­ raleza contráctil, se llamaflagelina. Su estructura es semejante a la miosina del músculo estriado. La estructura de la flagelina está dada por una serie de subunidades o monómeros idénticos, dispuestos de forma helicoidal. La disposición de los flagelos sobre la super­ ficie de la bacteria difiere en las distintas especies y constituye un carácter taxonómico importante. El género Vibrio posee un solo flagelo polar (bacterias monotricas), el género Pseudomonas habitualmente posee un penacho de flagelos (bac­ terias lofotricas) y en algunos espirilos se ubican en ambos polos (bacterias anfttricas). La mayoría de las enterobacterias (bacterias cuyo hábitat más común son las vías entéricas o intestinales) tienen flagelos distribuidos sobre toda la superficie del soma bacteriano (bacterias peritricas), y algunos géneros bacterianos carecen de flagelos (bacterias atricas) (véase figura 2.25).

Fimbrias Elementos filamentosos que pueden encontrarse por cientos sobre la superficie de la bacteria, visibles únicamente con microscopia electrónica. Son más pequeños, cortos y numerosos que los flagelos y no tienen movimiento ondulatorio, por tanto, no tienen función de motilidad y se encuentran tanto en las especies móviles como las inmóviles. No todas las especies bacterianas poseen fimbrias y la propiedad de poseerlas cons­ tituye una característica genética. Se desconoce con certeza la función de las fimbrias en muchos tipos de bacterias, pero parece muy acertado que, en algunos grupos bacterianos, favorece: 1) su fijación o adherencia a superficies, entre ellas los tejidos animales, como lo hacen algunas bacte­ rias patógenas; 2) la formación de biopelículas, como la biopelícula dental (placa bacteriana) participando en fenómenos de adhesión, agrega­ ción y coagregación, y 3) la fijación a superficies líquidas en las cuales forman velos. Composición. La composición estructural de

las fimbrias es de naturaleza proteica. La proteína es rígida y se conoce con el nombre defimbrilina.

Pili A diferencia de las fimbrias, los pili son largos (hasta 20 |i aproximadamente), flexibles pero no tanto como los flagelos y poco numerosos: de 1 a 4 por bacteria, aunque estructuralmente son muy similares. También poseen estructura proteica y la proteína se conoce con el nombre de pilma. Se encargan de la transferencia del material genético en el proceso de apareamiento bacteria­ no llamado conjugación (véase figura 2.26). La capacidad de producir estos pili se relaciona con la presencia de unos plásmidos que se conoce como Factor F (véase conjugación en el capítulo 4: Genética bacteriana).

Esporo Algunas bacterias tienen la facultad de producir un cuerpo oval o esférico de pared gruesa que co­ rresponde a una célula de alta resistencia llamada esporo, se forma cuando las condiciones ambien­ tales se vuelven desfavorables para su supervi­ vencia. Es una estructura refringente que posee un papel muy importante en la conservación de la especie, pues, gracias a ella pueden sobrevivir incluso, durante muchos años, hasta que las con­ diciones ambientales vuelvan a ser favorables y las bacterias puedan adquirir nuevamente y sin peligro su forma habitual o vegetativa. El descubrimiento de la existencia de los esporos bacterianos tuvo gran relevancia para la microbiología, porque el conocimiento de estas formas tan resistentes al calor fue determinante para desarrollar procesos de esterilización. Los ■esporos, también, son resistentes a otros agentes como la radiación, la desecación, los ácidos y los desinfectantes químicos y pueden permanecer en estado de latencia por periodos de tiempo muy prolongados: meses, años, siglos. Las bacterias que tienen la capacidad de for­ mar esporos se limitan a un grupo muy reducido y generalmente son Gram positivas (rara vez se encuentran en las Gram negativas).

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Según su localización en la célula los esporos pueden ser exoesporos o endoesporos: los prime­ ros se localizan externamente a la célula, como en el género Streptomyces, y los segundos se encuentran dentro de la célula y son producidos por los géneros Bacillus, Clostridium y Sporosarcinas, este último es el único género entre los formadores de esporos, cuyos representantes son cocos y no bacilos. Los endoesporos pueden ubicarse en diferen­ tes posiciones dentro de la bacteria y deformar o no el soma, según la especie que lo posea (véase figura 2.27). En el esporo se diferencian varias partes: 1. Exosporium o exosporio. Capa muy fina y delicada de constitución proteica. Es la capa más externa del esporo bacteriano. 2. Cubierta del esporo. Compuesta por varias capas proteicas específicas del esporo. Es un glucopéptido especial con menos enlaces cruza­ dos, posee las capas de revestimiento I y II, que

se llaman intina y exina respectivamente, que tienen gran cantidad de queratina responsable de la impermeabilidad del esporo. 3. Córtex. Es una capa de peptidoglucano con uniones laxas. Internamente y por debajo del córtex se encuentra la parte central o 4. Core. Esta capa la forman todas las es­ tructuras que permiten su transformación a la forma vegetativa durante la germinación. Estas estructuras son: nucleoplasma excéntrico, cito­ plasma denso y granuloso, membrana esporal y pared esporal con restos de mureína. Composición. En el esporo se han encontrado proteínas, lípidos, polisacáridos, ARN, ADN y un componente propio que no se ha descrito en las células vegetativas: ácido dipicolínico que se encuentra en el core, generalmente unido a iones de calcio para formar dipicolinato de calcio. El contenido de agua es muy pequeño (solo de 10 al 30% del agua de la bacteria) y no aparece en forma libre sino combinada (véase figura 2.28).

Morfología y fisiología de las bacterias / 51

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Esporulación o esporogénesis. Proceso de maduración del esporo en el que la bacteria pasa de su forma habitual o vegetativa a la for­ ma esporulada. Este proceso es una respuesta a condiciones ambientales extremas, altamente desfavorables para la subsistencia de la especie y son varios los factores que pueden iniciarla: la presencia del oxígeno favorece la esporulación, en el caso de las bacterias anaerobias y la falta del oxígeno, lo hace, en las bacterias aerobias. El proceso de esporogénesis se inicia cuando las condiciones de cultivo se vuelven precarias, es decir, presentan evidentes cambios de carácter negativo para las bacterias, como aumento o des­ censo de la temperatura, pH, la presión osmótica y agotamiento de las condiciones nutricionales, entre otros, que pueden comprometer la inte­ gridad de las bacterias. Bacillus subtilis es una

bacteria en la cual el proceso de esporulación ha sido mejor estudiado. En condiciones óptimas en el ámbito del la­ boratorio, este bacilo tarda más o menos 7 horas para diferenciarse en un endoesporo. Desde el inicio hasta la culminación del proceso de dife­ renciación se han identificado 8 etapas diferentes que se inician con una célula en su estado normal, habitual o vegetativo, tomado como la etapa cero o estadio cero (véase figura 2.29). Estadio 0. Representa la forma vegetativa al final del periodo exponencial, en el cual la bacte­ ria contiene dos cromosomas porque es el instante inmediatamente anterior a la división celular. Estadio I. El material nuclear se dispone en forma de filamento y ocupa la parte central del soma bacteriano. Estadio II. Se forma un tabique o septo ante-

Morfología y fisiología de las bacterias / 53

rior del esporo que separa la cromatina nuclear en 2 partes, una de las cuales emigra hacia uno de los polos de la célula bacteriana. Estadio III. Corresponde a una dilatación de la parte anterior del esporo, descrito por otros autores como formación delpreesporo, que es el resultado del crecimiento unidireccional de la membrana citoplasmática de la célula bacteriana vegetativa. Estadio IV. En esta fase se inicia la formación del córtex: córtex inmaduro, es el momento en el cual el esporo comienza a aparecer como una estructura retráctil, y se produce un aumento de la actividad enzimática, principalmente de la ribosidasa y la dipicolinocosintetasa. Aparece, en grandes cantidades, el ácido dipicolínico en forma de dipicolinato de calcio (aproximada­ mente de 5 a 15% del peso en seco). Estadio V. Se forma una capa constituida por las cubiertas que se conocen como intina y exina, a las cuales se incorporan proteínas con un alto contenido de cisterna. El esporo se impermeabi­ liza al agua y microscópicamente se ve como un cuerpo blanquecino. Estadio VI. Es la fase de maduración del esporo. El córtex maduro y el citoplasma se vuelven más homogéneos y densos, se forma la enzima alanina-racemasa, una enzima importan­ tísima para la germinación del esporo. Estadio Vil. Se observa el endoesporo com­ pletamente maduro y se inicia la liberación de la bacteria hasta que, en el paso siguiente, el esporo queda totalmente libre de ella.

Germinación La germinación del esporo es el fenómeno inverso al proceso de esporulación y consiste en la transformación del esporo en una célula bacteriana vegetativa. Cuando las condiciones de humedad, calor y nutrición se vuelven favo­ rables, el esporo puede germinar. La germinación implica la pérdida de la refringencia y la termo­ rresistencia, además, se presenta formación de peptidoglucano o mureína, captación de agua, eliminación del ácido dipicolínico y, por consi­ guiente, la desaparición total del dipicolinato de calcio. La energía utilizada para la germinación

se almacena en forma de 3-fosfoglicerato y no como ATP. Este proceso ocurre en 3 etapas: acti­ vación, iniciación y excrescencia o extrusión. 1. Activación. Generalmente, los endosporos no pueden germinar inmediatamente después de formados, tal vez germinen transcurridos varios días activándose solamente en el caso de permanecer en un medio nutritivamente rico que le ofrezca un ambiente favorable, y le propor­ cione factores que permitan la destrucción de las cubiertas externas del esporo, por ejemplo la restitución de la temperatura óptima, presencia de agua, ph adecuado, entre otros, que estimu­ lan la producción de enzimas, las cuales tienen como función la disolución de las capas externas cexina e intinas. Así, se permite la penetración de agua nutrientes y el esporo se activa para comen­ zar la segunda etapa de la germinación. 2. Iniciación. Este paso se produce si las con­ diciones del medio continúan favorables, entonces se activa una autolisina (enzima que altera rápida­ mente el peptidoglucano cortical), se absorbe agua a la parte mas interna, se elimina el dipicolinato de calcio y por acción de enzimas hidrolíticas se degradan los otros constituyentes del esporo. 3. Excrescencia o extrusión. Una vez degrada­ dos, el córtex y las cubiertas, aparece una célula vegetativa que entra en un periodo de biosíntesis activa y sólo termina cuando se produce la divi­ sión celular. Esta etapa exige una fuente abaste­ cedora de todos los nutrientes esenciales para el desarrollo bacteriano. La excrescencia finaliza cuando la célula bacteriana inicia el fenómeno de la reproducción. Taxonomía El hombre, instintivamente, tiende a clasificar los objetos de su entorno, organizándolos según las semejanzas o diferencias que encuentra en ellos. La taxonomía es la ciencia que trata de los principios de clasificación y está muy relaciona­ da con la sistemática y sus especialistas se llaman taxónomos, cuya función es la clasificación o agrupamiento sistemático de los organismos en grupos o categorías. El propósito de la taxonomía es desarrollar un ordenamiento lógico de los

54 / Microbiología básica para el área de la salud y ajines

organismos basándose en su afinidad natural. Para esto se requiere de la determinación de tantas características como sean posibles, de or­ ganismos colocados en grupos de gran similitud. Como las propiedades de un organismo están ordenadas en un código genético, la similitud de las bases entre cadenas que componen el ADN, puede compararse. El parámetro más utilizado es la determinación del porcentaje existente de guanina (G) y citocina (C) en el ADN total. La taxonomía tiene en cuenta tres procesos: 1. Clasificación en sentido estricto. Aquí se agrupan en conjunto los objetos o los seres que poseen semejanzas, generalmente fenotípicas entre sí, para diferenciarlos de los que no se se­ mejan a ellos. Un ejemplo análogo y muy claro sería dado por la organización de una baraja de naipes: primero se separan las cartas por colores, luego por palos y dentro de los palos las cartas se organizan comenzando por las figuras y terminan­ do con la carta que posee el número menor. 2. Nomenclatura. Se encarga de dar un nom­ bre diferente a cada uno de los grupos creados. Para lograr una denominación uniforme de los organismos que tenga validez internacional, todos los investigadores deben seguir las reglas establecidas. Debido a la aparición de conceptos divergentes se necesitó unificar términos en el Primer Congreso Internacional de la Sociedad Internacional de Microbiología, en 1930. No obstante, solo en 1947, en la cuarta reunión, se adoptó oficialmente el “Código Internacional de Nomenclatura de las Bacterias”, que está sujeto a modificaciones continuas de acuerdo con la información disponible. 3. Identificación. En este proceso se reconoce a un ser u objeto como perteneciente a uno de los gru­ pos conformados previamente, o se lo define como inclasificable entre los grupos preexistentes. Cada grupo de organismos de cualquier nivel taxonómico creado por las clasificaciones se de­ nomina genéricamente taxón y su plural es taxa o taxones. Las taxa o categorías taxonómicas utilizadas en biología se inician de un rango su­ perior a uno inferior, así: reino, filum (división), subfilum (subdivisión), clase, orden, familia, género y especie y en ocasiones subespecie,

porque aunque la especie es la unidad básica de clasificación no representa el taxón más pequeño que se utiliza en la actualidad. Poblaciones geográficamente diferentes de una especie a menudo muestran algunas caracte­ rísticas consistentes, que permiten diferenciarlas de otras poblaciones de la misma especie. Sin embargo, si se entrecruzan se observa que tienen una descendencia fértil, por lo que no constituyen especies separadas y entonces se les denomina subespecies. Para los microorganismos, como las bacterias, se utiliza el término cepa, que hace referencia a las características individuales de los microorganismos contenidos en una sola colonia de un cultivo bacteriano. La taxonomía actual introduce el concepto de dominio para referirse al nivel más alto de la clasificación biológica y en él se ubican los grupos 1) Bacteria: grupo de procariotas filogenéticamente relacionados y diferente de Archaea y 2) Archaea: grupo de procariotas relacionados filogenéticamente y diferente de Bacteria.

Categorías taxonómicas (taxa) Un sistema de clasificación biológico se basa en una jerarquía taxonómica u ordenamiento de grupos o categorías que coloca a la especie en un extremo, y en el otro al reino, en la siguiente sucesión: 1. Especie. Un grupo de organismos (para el caso de esta obra: microorganismos), estrecha­ mente relacionados, en el cual los individuos del grupo son iguales en el mayor número de características: genotípicas y fenotípicas. 2. Género. Un grupo de especies similares. 3. Familia. Un grupo de géneros similares. 4. Orden. Un grupo de familias similares. 5. Clase. Un grupo de órdenes similares 6. Filum. (Plural fila). Un grupo de clases relacionadas. 7. Reino. Todos los organismos en esta jerar­ quía (véase tabla 2.2).

Nomenclatura Los grupos o taxa más utilizados en bacteriología clínica son: familia, género, especie y rara vez

Morfología y fisiología de las bacterias / 55

Tabla 2.2

Categorías taxonómicas

Categoría

Hombrea

Gatoa

Reino Filum Subfilum Clase Orden Familia Género Especie

Anlmaiia Chordata Vertebrata Mammalia Primates Homonidae Homo Sapiens

Animalia Chordata Vertebrata Mammalia Carnívora Felidae Felis Catus

Bacilo tuberculoso® Prokaryotae (antes moriera)

Bacteria

Actynomicetales Mycobacteriaceae Mycobacterium Mycobacterium tuberculosis

a Nombre común.

subespecie. Para esta clasificación se tiene en cuenta: el genotipo que reúne las bacterias en grupos (taxa), las semejanzas de su genoma y el fenotipo basado en los componentes químicos, la estructura y el metabolismo, entre otros. Linneo ideó un sistema que llamó sistema de nomenclatura binario para todos los organismos, incluidas las bacterias. El sistema se basa en un nombre único y propio, compuesto por dos partes para cada organismo. La primera parte nombra el género y la segunda la especie. Esta última es el epíteto específico o palabra que expresa alguna cualidad del organismo. La especie siempre va precedida por el género escrito completo o abre­ viado. Estas dos palabras conforman el nombre científico que va escrito en latín, para evitar confusiones debido a la variedad de nombres que se presentan en cada lugar para nombrar un mismo organismo. Todo nombre científico se escribe colocando primero el género, que lleva la primera letra con mayúscula y en singular, y después la especie o epíteto específico, escrito con minúscula. Las dos palabras se escriben siempre en letra cursiva, lo que indica que se está utilizando nomenclatura científica. Ejemplos: Escherichia coli, Strep­ tococcus mutans, Pseudomonas aeruginosa y Corynebcterium matruchotii.

Género Esta palabra no diferencia sexualmente las bac­ terias entre masculino o femenino, que de hecho no existe. El nombre genérico habitualmente se refiere a alguna característica de la bacteria, por

ejemplo, Legionella, por haber sido aislada en antiguos legionarios, Bacillus, pequeño bastón; o bien se da en honor de algún científico latinizan­ do su nombre: Pasteurella, en honor de Pasteur, Bordetella, en honor de Bordet, Neisseria, por Albert Neisser, etc. Como el género está escrito en un idioma que no es el español y no indica diferencia de sexos, no va precedido de ningún artículo (en singular o en plural), del idioma en el cual se escribe el texto, ejemplo: “... por esta razón Corynebacterium matruchotii se relaciona con la presencia de cálculos dentales...”, “... las quemaduras muy extensas de piel a menudo presentan infecciones bacterianas sobreagregadas, de donde es bas­ tante común aislar Pseudomonas aeruginosa , que...”.

Especie Es el nombre o epíteto específico que algunas veces califica el título genérico: Bacteroides fragilis (frágil), Staphylococcus epidermidis (de la epidermis), esta palabra generalmente es descriptiva. Puede ser alguna de las siguientes partes de la oración: - Un adjetivo que modifica el nombre: Sta­ phylococcus aureus (estafilococo dorado). - Un adjetivo en forma de participio activo de un verbo: Clostridium dissolvens (clostridio disolvente). - Un nombre en posesivo que modifica el nombre genérico: Salmonellapolloru (salmonela de los pollos). - Un nombre en oposición, un nombre ex-

56 / M icrobiología básica para el área de la salud y afines

piicativo: Bacillus radicicola (bacilo que habita en la raíz).

Tabla 2.3

Nombre común y científico de diferentes organismos

Nombre común

Nombre científico

Perro Mosca doméstica Roble blanco Gonococo Bacilo diftérico Bacilo tífico

Cannis familiaris Musca domestica Quercus alba Neisseria gonorrhoeae Corynebacterium diphteriae Salmonella typhi

N om bres com unes de las bacterias

Algunas veces se suele denominar una especie mediante un sinónimo en el idioma usual, por ejemplo, la enterobacteria Escherichia coli se menciona como “colibacilo”, Diplococcus pneumoniae como “neumococo”, Neisseria gonorrhoeae como “gonococo”, Mycobacte­ rium tuberculosis como “bacilo de Koch” o “bacilo tuberculoso”, etc. Las únicas ventajas de utilizar nombres comunes son la sencillez, la conveniencia y una conversación más efectiva entre el profesional de la salud y los pacientes. Por ejemplo, en una conversación en el labora­ torio con una persona lega, es más conveniente referirse al agente etiológico de la tuberculosis hablando del “bacilo tuberculoso” que decir

la primera letra en mayúscula seguida de un punto e inmediatamente la especie escrita en minúscula y todo en letra cursiva o bastardilla: S. aureus para Staphylococcus aureus, S. sanguis para Streptococcus sanguis , S. sobrinus para Streptococcus sobrinus.

Morfología y fisiología bacteriana: sumario

Mycobacterium tuberculosis. N om bres científicos de las bacterias

Los nombres científicos de los organismos se forman de acuerdo con las reglas del sistema binario de nomenclatura, como ya se 1a indi­ cado. Además de sus nombres científic os, las bacterias, al igual que las plantas y los ai ámales tienen sus nombres comunes. En la tabla 2.3 se observan varios ejemplos de organismos, los que con frecuencia se mencionan por sus nombres comunes, junto a sus nombres científicos. En muchos casos el nombre común empieza a uti­ lizarse antes de que se le conceda al organismo un nombre científico. Cuando se menciona un género sin indicarle las especies se añade la sigla spp., por ejemplo, Actinomyces spp. Si el género mencionado solo tiene una especie que se conoce, se adiciona sp., por ejemplo, Rothici sp. Si excepcionalmente hay que diferenciar subespecies, algunos au­ tores lo designan escribiendo género, especie y se añade ssp., por ejemplo, Fusobacterium nucleatum ssp. Algunas veces se utiliza escribir el género abreviado seguido de la especie escrita completamente, así: del género solo se escribe

El conocimiento de las características morfoló­ gicas mayores o gruesas y de las características menores o finas de las bacterias se adquirió en dos tiempos diferentes. Las observaciones hechas por Leewenhoek, con su simple y rudimentario microscopio óptico, revelaron el aspecto mayor o grueso de los microorganismos, incluidas las bacterias, es decir', que permitieron observar el tamaño, la forma y el ordenamiento. A comienzos de la década de 1940 se dispuso del microscopio electrónico lo que permitió estudiar la morfología y estructura menor o fina de las bacterias, los com­ ponentes celulares y sus funciones específicas.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1.

2. 3.

¿A qué se refiere la división del estudio bacteriano en características morfológicas mayores o gruesas y características morfo­ lógicas menores o finas? ¿Qué es un ocular micrométrico y cuál es su aplicación microbiológica? Describa la agrupación u ordenamiento que caracteriza a los cocos y a qué tipo de patrón obedece su agrupación.

Morfología y fisiología de las bacterias / 57

4.

Describa algunos ordenamientos caracterís­ ticos de los bacilos y a qué tipo de patrón obedece su agrupación. 5. Si se observa microscópicamente el Sta­ phylococcus aureus, en una preparación teñida correctamente, ¿se debería esperar que todas las células bacterianas, sin excep­ ción, se encontraran agrupadas en racimos? Explique. 6. Explique por qué algunas especies de cocos se disponen en cadenas y otras en cubos o en filas. 7. Haga el esquema de una célula bacteriana típica e identifique las estructuras u organelas que la componen, tanto internas como externas a la pared celular. 8. En cuanto a estructura y composición defina la pared bacteriana y las diferencias entre las bacterias Gram positivas y Gram negativas. 9. ¿Qué es el peptidoglucano o mureína y qué función cumple en la estructura de la célula bacteriana? 10. Explique la composición y función de las siguientes estructuras: cápsula, glicocálix, pared celular, membrana citoplasmática, nucleoide, mesosoma, fimbrias, pili, flage­ lo, ribosoma, gránulos de almacenamiento, citoplasma y esporo. 11. ¿Qué característica es común a los protoplastos, esferoplastos y formas L de las bacterias? Explique. 12. Describa la naturaleza de la membrana bacteriana y de los mesosomas.

13. ¿Qué estructura de la bacteria contiene co­ múnmente cantidades apreciables de ácido teicoico?, ¿cuál de ácido diaminopimélico?, ¿cuál de dipicolinato de calcio?, ¿cuál de ADN?, ¿cuál de ARN?, ¿cuál de homopolímeros como el leván y el dextrán? 14. ¿Es correcto decir que la célula bacteriana posee un núcleo típico? Explique. 15. ¿Es la formación de endosporos en las bacterias un modo de reproducción o mul­ tiplicación? Explique su respuesta. 16. ¿Contribuye la posición y el tamaño de los endosporos en una célula vegetativa a identificar una bacteria? Complemente la respuesta con ejemplos concretos. 17. Explique la estructura y función del esporo bacteriano. 18. Esquematice y explique el proceso de esporulación o esporogénesis. ¿Por qué se presenta este fenómeno? 19. ¿Están todas las bacterias capacitadas para producir esporos? ¿Por qué y cuáles géne­ ros bacterianos lo pueden hacer? 20. ¿Cómo se llama el fenómeno inverso al proceso de esporulación?, ¿cuántas y cuáles son las etapas de este fenómeno? Explique cada una de ellas. 21. Haga la diferenciación entre un esporo libre, un exoesporo y un endoesporo. 22. ¿Qué se entiende por taxonomía?, ¿cuáles son sus principios básicos? Haga un suma­ rio muy explícito sobre el tema. 23. ¿Qué significan las siglas: sp, spp, ssp?

3

Nutrición y metabolismo de las bacterias L a s actividades químicas para que una célula bacteriana pueda vivir, desarrollarse y reprodu­ cirse son muy complejas. Esto se entiende, si se tiene en cuenta la gran variedad de materiales que la célula utiliza como nutrientes y la gran cantidad de sustancias que se forman como constituyentes celulares, para ello, se requieren energía y condiciones ambientales adecuadas. Antes de que una célula bacteriana realice el proceso de bipartición o división, deben ocurrir muchas reacciones químicas en esa célula. Estas reacciones se conocen con el nombre de metabo­ lismo. Las reacciones metabólicas pueden liberar energía y se denominan reacciones catabólicas o pueden consumir energía y se llaman reacciones anabólicas.

A raíz del concepto anterior, se origina obliga­ toriamente la pregunta: ¿cómo se realizan todas estas actividades celulares? La respuesta recae en la acción de las enzi­ mas, productos celulares presentes en la célula en cantidades muy bajas y capaces de efectuar todos los cambios propios de los procesos celu­ lares que se asocian al fenómeno de la vida. En cierta forma, las enzimas, pueden considerarse la parte activa de la célula. Cualquier impedimento de la actividad enzimática se refleja en algún cambio en la célula, hasta el punto que podría ocasionarle la muerte. Existen miles de enzimas diferentes en cual­ quier célula. Las enzimas y sus actividades en la célula viva deben coordinarse de tal forma que proporcionen los productos adecuados a cada lu­ gar, en las cantidades y momentos que convenga y con el mínimo gasto energético. Así que para entender los fenómenos asociados al proceso

de vida, se requiere estar familiarizado con la naturaleza de las enzimas y las reacciones en las cuales intervienen. Por tanto, no puede conside­ rarse la vida sin la presencia de enzimas.

Enzimas La palabra enzima la propuso Kühne, en 1878, a partir de una palabra griega que significa “en le­ vadura Anteriormente las enzimas se conocían como “fermentos”, porque su acción era similar a la acción de las levaduras. Para la comprensión de este tema resulta necesario desarrollar el concepto de energía de activación, es decir, el aporte inicial de energía necesaria para poner en marcha una reacción química, algo así como el empujón que necesita una roca que está en la cima de una colina para que empiece a rodar por la pendiente. Este con­ cepto, automáticamente lleva a otro: catálisis. Un catalizador es una sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción y, por tanto, aumenta la velocidad de la reacción. Las enzimas son catalizadores biológicos. Los catalizadores, incluso en pequeñas can­ tidades, tienen especial capacidad de modificar la velocidad de las reacciones químicas, sin ser consumidas ni alteradas como consecuencia de las mismas. Es muy importante tener en cuenta que los catalizadores no intervienen en la ener­ gía o en el equilibrio de una reacción, porque únicamente afectan la velocidad a la cual ocurre la reacción. Los catalizadores de las reacciones biológi­ cas o agentes catalíticos orgánicos son proteí­ nas conocidas como enzimas. Las enzimas son

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específicas, lo cual significa que solo actúan en un único tipo de reacción química, aunque algunas enzimas pueden hacerlo en cierta cla­ se de reacciones muy afines o estrechamente relacionadas. Las enzimas corresponden a dos clases o grupos generales: 1. Proteínas simples. Solo contienen residuos de aminoácidos, ejemplo, enzimas digestivas como la tripsina, quimiotripsina y elastasa. 2. Proteínas complejas. Contienen residuos de aminoácidos y un cofactor no aminoácido. Aunque la síntesis de toda enzima tiene lugar en el interior de la célula, algunas se excretan a través de la pared celular y pueden funcionar fuera de la misma. Por esto, se consideran dos tipos de enzimas: 1. Enzimas extraeelulares, exocelulares o exoenzimas. Funcionan o tienen su acción cata­

lítica fuera de la célula. 2. Enzimas intracelulares, endocelulares o endoenzimas. Cuya acción catalítica se limita al interior de la célula. La función principal de las enzimas extracelulares consiste en efectuar cambios precisos en los nutrientes del ambiente externo, para que dichos nutrientes puedan ser transportados al interior de la célula. Por ejemplo, las amilasas son enzimas hidrolíticas que rompen el almidón en moléculas más pequeñas de azúcar para que, en esta presentación, logren pasar al interior de la célula. Las enzimas intracelulares sintetizan el ma­ terial celular y también degradan los nutrientes, que penetraron en la célula gracias a la acción de las enzimas extracelulares, para proporcionarle sus requerimientos energéticos. Por ejemplo, las hexoquinasas o hexocinasas son enzimas que catalizan la fosforilación de la glucosa y otras hexosas (azúcares elementales) en el interior de la célula. Las características generales de las enzimas son las mismas, independientemente de que sean producidas por células microbianas, humanas o de otros seres vivos. Por ejemplo, muchas de las reacciones enzimáticas que tienen lugar en las levaduras, son idénticas a las de las células musculares humanas.

Propiedades fisicoquímicas Las enzimas son proteínas, es decir, polímeros de aminoácidos, que pueden o no tener unidos otros grupos químicos y tienen una forma tridi­ mensional específica, por tanto, poseen las mismas propiedades características de las proteínas: 1) se desnaturalizan con el calor; 2) se precipitan con el etanol o con concentraciones elevadas de sales inorgánicas como el sulfato de amonio, y 3) no dializan o difunden, a través de membranas se­ mipermeables o selectivas, porque son moléculas muy grandes. Algunos autores mencionan en sus artículos ciertos descubrimientos recientes en los cuales se afirma que “las enzimas no son solo proteínas porque algunas moléculas de ARN tienen acti­ vidad catalítica”. Durante muchas décadas, uno de los principios más importantes de la biología molecular afirmaba que la información genética era siempre unidireccional de ADN a ARN y de este a proteína. Howaerd Temin, en 1964, por medio de sus estudios con virus tumorales (oncógenos) que contenían ARN como único material genético, descubrió una importantísi­ ma excepción a esta regla. Muestra de este tipo de enzimas fue descubierta en 1970, por Temin y Baltimore y se conoce con el nombre de transcriptasa inversa o inversotranscriptasa; estos investigadores recibieron en 1975 el Premio Nobel. Muchas enzimas son una proteína conoci­ da como apoenzima, la cual se combina con una molécula de bajo peso molecular llamada cofactor. Al unirse las dos formas (apoenzima y cofactor) forman una enzima activa llamada holoenzima. El cofactor puede ser orgánico, generalmente derivado de una vitamina, NAD+, FAD+, coenzima A, etc., y se denomina coen­ zima o también, puede ser inorgánico como cualquiera de estos elementos: Mg", Co, Ca, Cu, Fe2+, Zn2+ y Mn, entre otros y se designa grupo prostético.

El esquema de la figura 3.1 proporciona una visión muy clara de la unión de la apoenzima con el cofactor, tanto orgánico como inorgánico, para formar la holoenzima.

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Las dos características más sobresalientes de las enzimas son: 1. Su alto poder catalítico 2. Su alto grado de especificidad por los sustratos. Una enzima determinada solo puede reac­ cionar con un determinado sustrato, o si acaso, a veces con un grupo de sustratos muy relacionados químicamente; es decir, casi todas son capaces de catalizar una sola reacción o en algunos casos solo unas pocas reacciones químicas estrechamente relacionadas. Esto significa que las células pro­ ducen una enzima para cada una de las moléculas que metabolizan. La especificidad de la enzima se debe a su estructura tridimensional. Existen también sistemas enzimáticos, por ejemplo, la levadura transforma la glucosa en al­ cohol y dióxido de carbono. Esta transformación no se lleva a cabo por una sola enzima, sino por un grupo de enzimas llamado sistema enzimático (véase figura 3.2).

La enzima amilasa desdobla solo el almi­ dón y no actúa sobre la lactosa o la maltosa y la enzima ureasa, que descompone la urea en amoniaco y dióxido de carbono, no actúa sobre ningún otro sustrato. Las bacterias pueden crecer en ambientes expuestos a continuos cambios como pH ácido o alcalino. Esto hace que su contenido enzimático característico cambie, en respuesta a las condi­ ciones ambientales, pero solamente dentro de ciertos límites. En lo que respecta a la influencia del sustrato específico erí la formación de enzimas, las enzi­ mas bacterianas se dividen en dos grupos: 1. Enzimas constitutivas. Siempre son produ­ cidas por las células, independientemente de la constitución del medio en el que se desarrollan. 2. Enzimas adaptativas (inducibles o induci­ das). Son producidas por las células solamente en respuesta a la presencia de un sustrato en particular, esencialmente, solo se producen cuan-

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do se necesitan. El proceso se llama inducción enzimática y el sustrato responsable de inducir la formación de la enzima se denomina inductor.

Condiciones que afectan la actividad enzimática Entre las condiciones que afectan la actividad enzimática se encuentran: 1. Concentración de la enzima. Si la concen­ tración de la enzima se mantiene constante, la velocidad inicial de una reacción enzimática es directamente proporcional a la concentración del sustrato presente. En este caso la concentración del sustrato es el factor limitante de la velocidad de reacción. Sin embargo, aunque se aumente la concentración del sustrato la velocidad de reacción no aumentará porque las moléculas de enzima se saturarán de él. 2. Concentración del sustrato. En este caso la concentración de la enzima es el factor limitante de la velocidad de la reacción. De esta forma, la velocidad inicial de la reacción es directamente proporcional a la concentración de enzima presente. 3. pH. La mayoría de las enzimas requieren un pH óptimo para mantenerse activas y solo lo consiguen en un rango muy reducido: entre 6 y 8. Las variaciones de pH modifican las cargas de la enzima produciendo un cambio en su actividad. Si el medio se toma muy ácido o muy básico, muchas enzimas se inactivan y generalmente se desnaturalizan de manera irreversible. Algunas bacterias son excepciones a esta norma y pueden crecer a pH muy ácido, como los lactobacilos. 4. Temperatura. Muchas enzimas necesitan una temperatura óptima para que la reacción al­ cance la máxima velocidad. Las temperaturas altas inactivan rápidamente a la mayoría de las enzimas produciéndoles una alteración molecular de tipo irreversible, por tanto, no se reactivan cuando se enfrían. Gran cantidad de organismos encuentra la muerte cuando son expuestos brevemente a altas temperaturas, que ocasionan inactivación de sus enzimas y no pueden continuar su metabolismo.

Existen algunas especies bacterianas que son excepciones a esta regla porque pueden crecer y desarrollarse a temperaturas muy altas, como las que viven en aguas de manantiales calientes, con temperaturas superiores a los 100 °C (por ejemplo, en los géiseres de agua caliente del Yellowstone Park en Estados Unidos), otras logran sobrevivir a temperaturas superiores a las de ebullición y altas presiones atmosféricas en manantiales calientes submarinos. Temperaturas extremadamente bajas detie­ nen la actividad enzimática, pero no destruye las enzimas. De esta forma pueden conservarse man­ teniéndolas a temperaturas de 0 °C o menos.

Reacciones fundamentales Las bacterias poseen cientos o millares de en­ zimas, pero las reacciones fundamentales son: 1. Reducción. Incorporación de hidrógenos o electrones (e-). 2. Oxidación. Separación de hidrógenos o electrones (e~). 3. Deshidratación. Pérdida de una molécula de agua del sustrato. 4. Hidrólisis. Introducción de agua en un enlace específico del sustrato. 5. Desanimación. Separación de un grupo amino (NH2). 6. Descarboxilación. Separación de C 02 de un grupo carboxilo (COOH). 7. Fosforilación. Adición de un grupo fosfato a una molécula orgánica.

Nomenclatura Los nombres aplicados a las enzimas se han ajustado al criterio individual de los investiga­ dores. En muchos casos a una misma enzima se le conoce con diferentes nombres o se les da el mismo nombre a enzimas diferentes. También muchos de estos nombres de las enzimas no dan idea, o dan muy poca, de la na­ turaleza de las reacciones que catalizan. Debido a esta situación la nomenclatura enzimática se tomó caótica (véase tabla 3.1).

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Tabla 3.1

Función de las principales clases de enzimas

Clase

Reacción catalítica

Oxido-reductasas

Reacciones de transferencia de electrones o átomos de hidrógeno. Catalizan reaccio­ nes de óxido-reducción

Transferasas

Transferencia de grupos funcionales (entre los grupos funcionales se incluyen fosfa­ to, amino, metilo, etc.). Catalizan la transferencia de un grupo funcional de una molé­ cula donadora a una receptora

Hidrolasas

Catalizan reacciones de hidrólisis, es decir, adicionan una molécula de agua para romper enlaces químicos

Liasas

Catalizan reacciones en las cuales se forman o se rompen enlaces dobles. Adición a dobles enlaces de moléculas, así como eliminación hidrolítica de grupos químicos

Isomerasas

Catalizan reacciones de isomerización, es decir, reacciones en las que un compuesto se transforma en un isómero (imagen en espejo), este compuesto resultante tiene los mismos átomos, pero con diferente estructura molecular

Ligasas

Formación de enlaces con hidrólisis de ATP (adenosina trifosfato), o sea, que catali­ zan reacciones en las cuales se unen dos moléculas

Reglas para nombrar y clasificar las enzimas Cuando el nombre de las enzimas termina en asa, debe usarse para una sola enzima, por ejemplo, enzima catalasa, que cataliza el peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua. Cuando se desea nombrar un conjunto de enzimas que catalizan un conjunto de reacciones, se debe usar la pala­ bra sistema', por ejemplo, el sistema succinatooxidasa, que cataliza la oxidación del succinato por 0 2 y lo forman succinato-deshidrogenasa, citocromo-oxidasa y varios acarreadores inter­ medios. Para la clasificación solo se consideran enzi­ mas individuales y no sistemas enzimáticos. El desarrollo reciente de la enzimología ha creado un problema nuevo respecto a la nomenclatura de las enzimas, porque se ha encontrado que muchas tienen formas estructurales diferentes, pero propiedades catalíticas idénticas o casi idénticas. A estas enzimas se les da el nombre de isoenzimas o isozimas. La mayor parte de las reacciones enzimáticas pueden representarse por una ecuación general (véase figura 3.3).

Naturaleza y mecanismo de la acción enzimática La enzima E y el sustrato S se combinan para formar un complejo enzima sustrato ES que des­ pués se rompe para dar el producto P. La enzima no se consume en la reacción, sino que se libera para reaccionar de nuevo con otra molécula de sustrato. Este proceso se repite muchas veces hasta que se agotan las moléculas de sustrato. El concepto activación de sustrato, subsiguien­ te a la formación del complejo enzima-sustrato es básico en la teoría sobre el mecanismo de acción enzimática. La activación permite la modificación del sustrato por causa de la acción enzimática. La activación de la molécula de sustrato se produce gracias a su elevada afinidad química por determinadas áreas de la superficie de la enzima conocidas con el nombre de sitio activo o sitio catalítico. Estos sitios se presentan como una especie de bolsa, donde se encuen­ tran cadenas de aminoácidos que forman, en la enzima, una superficie tridimensional que se complementa con el sustrato. Entonces, cuando se acoplan el sustrato y la enzima por su sitio ac­ tivo, se produce una distorsión o tensión en algún

Nutrición y metabolismo de las bacterias / 63

enlace de la molécula de sustrato, de tal manera que se hace lábil o inestable y sufre un cambio determinado por la enzima en cuestión. Las moléculas modificadas carecen de afini­ dad por los sitios activos, por tanto, después de ocurrida la reacción, las moléculas son liberadas. La enzima queda libre para combinarse con nuevas moléculas de sustrato y repetir la acción (véase figura 3.4).

Inhibición de la acción enzimática La actividad de una enzima puede inhibirse por ciertos agentes químicos y de diversas formas. Al­ gunos inhibidores se unen a la enzima en el mismo sitio que el sustrato (sitio catalítico o sitio activo); otros lo hacen en alguna región alejada de este, llamada sitio alostéñco. Este sitio es donde las moléculas reguladoras, conocidas como efectores

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alostéricos, se unen a la enzima con el fin de alte­ rar su conformación y su actividad. Una enzima puede presentar más de un sitio alostérico. La inhibición de las enzimas se clasifica en dos tipos: reversible e irreversible. 1. Inhibición reversible. Un inhibidor forma enlaces químicos débiles con la enzima y puede ser competitiva o no. 2. Inhibición irreversible. Hay por lo general destrucción de uno a más grupos funcionales de la enzima.

Inhibición reversible Existen dos tipos muy importantes de inhibición reversible, denominados inhibición competitiva e inhibición no competitiva, los cuales se diferen­ cian porque la inhibición competitiva se puede revertir mediante el incremento de la concentra­ ción del sustrato, en tanto que la inhibición no competitiva, no puede hacerlo. 1. Inhibición competitiva. Un inhibidor competitivo (metabolito o fármaco) con estruc­ tura química similar a la del sustrato forma un complejo con la enzima e impide la unión del sustrato en el sitio activo; es decir, compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima. El inhibidor competitivo ocupa el sitio activo solo por un tiempo y no causa daños permanentes en la enzima. Esta inhibición puede anularse por el incremento de la concentración del sustrato, de manera que las moléculas de sustrato excedan en número a las del inhibidor. En la figura 3.5 se observa un esquema re­ presentativo de la inhibición competitiva, entre el ácido malónico y el ácido succínico. 2. Inhibición no competitiva. Este tipo de inhibición se produce cuando se encuentran una enzima con dos sitios de unión importantes: el sitio activo, propiamente dicho, y otro conocido como sitio alostérico, la enzima con estas ca­ racterísticas se conoce como enzima alostérica. El inhibidor se une con la enzima en el sitio alostérico, esto lo lleva a inactivarse porque se modifica su forma, de modo que el sustrato no puede unirse al sitio activo y, por tanto, no se produce el proceso catalítico. El inhibidor y el

sustrato pueden unirse simultáneamente y la pre­ sencia del inhibidor afecta el proceso catalítico, de tal manera que puede inactivarlo o hacer que la formación de los productos finales sea dema­ siado lenta (véase figura 3.6).

Inhibición irreversible La inhibición irreversible la causan agentes lla­ mados inhibidores enzimáticos irreversibles, que generalmente son sustancias tóxicas, naturales o sintéticas que “envenenan” a las enzimas. El inhibidor se combina con algún grupo funcional del sitio activo de la enzima, forma un enlace covalente y la deja, catalíticamente, inactiva o la destruye en forma permanente. Una gran varie­ dad de “venenos” enzimáticos como: los iones de metales pesados (Ag+, Hg2+), agentes oxidantes, la yodo-acetamida, cianuro, penicilina, aspirina, entre otros, que inactivan la enzima en forma permanente o cuando mucho, se reactiva muy lentamente (esto requiere horas o días). Este tipo de inhibidores no tienen semejanza estructural con el sustrato, por tanto, un incremento en la concentración de este resulta ineficaz para su­ primir tal inhibición.

Metabolismo bacteriano El metabolismo lo constituye el conjunto de re­ acciones químicas que una célula lleva a cabo y que producen o utilizan energía para la síntesis de componentes celulares o para otras actividades de la célula, como el movimiento. El metabolismo de las bacterias no difiere, en sus mecanismos básicos, del de los demás seres vivos. Las bacte­ rias necesitan obtener del medio la energía y las sustancias nutritivas necesarias para la síntesis de sus componentes y los elementos de reserva, así como para el crecimiento, movimiento y demás actividades fisiológicas. Las reacciones metabólicas se dividen en dos grandes grupos: I.

Reacciones catabólicas o energéticas.

Tienen por objeto la descomposición de los sus­ tratos en sustancias más sencillas con liberación de energía. Esta liberación de energía se conoce con el nombre de reacción exergónica.

Nutrición y metabolismo de las bacterias

2. Reacciones anabólicas o biosintéticas. Su objetivo es utilizar esas sustancias sencillas y la energía para la síntesis de componentes propios de la bacteria. La utilización de la ener­ gía se conoce con el nombre de reacción endergónica. Como se explicó antes, todas estas reacciones las regulan las enzimas. En realidad la clasifica­ ción en reacciones catabólicas y anabólicas es meramente didáctica, porque ambos procesos no existen por separado, sino que se mezclan. De esta manera, el crecimiento a partir de una fuente de carbono como la glucosa puede dar lugar a energía (en forma de ATP, metabolismo ener­

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gético: catabolismo) y a la síntesis de proteínas (metabolismo biosintético: anabolismo).

Nutrición Los nutrientes son sustancias extracelulares de donde la célula obtiene energía para poder llevar a cabo la síntesis de sus componentes celulares indis­ pensables para sus funciones vitales. Prácticamente todas las sustancias terrestres pueden servir como nutrientes para las bacterias: carbohidratos, pro­ teínas, lípidos, fosfatos, etc,, y también sustancias menos conocidas y más complejas como azufre, cuero, caucho, aceite, trementina, entre otras.

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El poder de selección es una propiedad que tienen las bacterias por medio de la cual solo utilizan los nutrientes que necesitan y no todos los existentes en el medio. Esta propiedad ayu­ da para la clasificación taxonómica de algunas bacterias. Por ejemplo, la bacteria Ferrobacillus oxida el ion férrico (Fe ), porque capta un elec­ trón y lo pasa a ferroso (Fe ), como se observa en la siguiente reacción. Fe+3 + e- —3*- Fe+2 Para entender la nutrición bacteriana deben analizarse diferentes parámetros, como:

Condicionantes fisicoquímicas del crecimiento bacteriano Aun cuando en el medio se encuentren todas las sustancias requeridas nutricionalmente, el crecimiento y desarrollo bacteriano dependen de aquellos factores externos que le permiten a la bacteria desempeñar sus funciones. A estos fac­ tores externos se les conoce como determinantes ecológicos o condicionantes fisicoquímicas. Los principales son:

Nutrición y metabolismo de las bacterias / 67

Concentración de iones de hidrógeno: pH En los hábitats naturales generalmente se en­ cuentran rangos de pH entre 4 y 9, pero encontrar el pH adecuado es un factor esencial para el metabolismo y crecimiento de las bacterias. La mayoría de las bacterias comensales (saprofitas) y patógenas tienen un crecimiento óptimo en medios con pH neutro o ligeramente alcalino: 7,2 a 7,6, pero el rango óptimo es de 6,5 a 7,5. Sin embargo, existen algunas bacterias que tienen la capacidad genética de producir ácidos a partir de ciertos carbohidratos y reciben el nombre de bac­ terias acidogénicas. También se conocen las que pueden desarrollarse en presencia de alto grado de acidez y se mencionan como bacterias acidófilas. Otras continúan su crecimiento aunque el pH siga descendiendo y se mencionan como bacterias acidúricas. Las bacterias pertenecientes al género Lactobacillus y algunos estreptococos del grupo Mutans cumplen con las tres características.

Los investigadores han comprobado que en­ tre 0 y 90 °C existe actividad bacteriana; entre 0 y -250 °C y entre 90 y 160 °C hay supervivencia en estado latente. Para cada especie bacteriana pueden descri­ birse tres tipos de temperaturas, de la siguiente forma: 1. Temperatura mínima: la menor tempera­ tura a la cual las bacterias pueden desarrollarse activamente. 2. Temperatura máxima: la que indica que por encima de ella las bacterias no pueden sobrevivir. 3. Temperatura óptima: la que cumple con las mejores condiciones térmicas para el crecimiento y desarrollo bacteriano. De acuerdo con estos conceptos las bacterias se clasifican así: - Bacterias psicrófilas. Son bacterias que logran su desarrollo a temperaturas bajas: T. máxima: 19 a 22 °C

T. óptima: La luz y otros tipos de radiación Normalmente la necesidad de la luz es una propiedad de las bacterias fotótrofas. Otras radiaciones como la ultravioleta proveniente de la luz solar ultravioleta o la generada por una lámpara de mercurio, pueden tener un poder mutágeno sobre algunas bacterias y letal para las que se desarrollan en la oscuridad, la cual les proporciona condiciones favorables para su crecimiento. La radiación de los rayos X y los rayos gam­ ma también ejercen una acción mutágena sobre las bacterias, pero por lo general son letales para el común de ellas.

Temperatura Esta interviene en dos aspectos: en el crecimiento de las bacterias y en su viabilidad. Para cada especie hay una temperatura definida que puede variar entre los límites mínimos y máximos, pero hay puntos in­ termedios en los cuales se encuentra la temperatura óptinm. Para la mayoría de las bacterias patógenas la temperatura óptima está alrededor de los 37 °C.

15 a 18 °C

T. mínima:

-5 a 5 °C -Bacterias mesófilas. Son los que viven y se desarrollan a temperaturas ambientales: T. máxima: 40 a 45 °C

T. óptima:

25 a 37 °C

T. mínima: 5 a 10 °C - Bacterias termófilas. Son los que se desa­ rrollan a altas temperaturas: T. máxima: 80 a 90 °C

T. óptima:

50 a 55 °C

T. mínima:

25 a 45 °C

Presión osmótica Como resultado de la presencia de la membrana citoplasmática, las bacterias, al igual que otras células, pueden superar diferentes cambios os­ móticos. En general pueden ser bastante toleran­ tes, tanto que crecen en soluciones con contenido de sales de 0,1 al 1%. Claro que el aumento o disminución de la presión osmótica puede causar grandes daños a la célula bacteriana. Por ejem­ plo, alta concentración de solutos en el medio, generan un medio hipertónico, entonces, por osmosis se produce salida de agua del interio?-

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de la bacteria que genera, casi siempre el efecto bactericida que se denomina plasmólisis (muerte de la bacteria). También es posible que cuando el ambiente es hipotónico, y pese a la presencia de la pared bacteriana, se produzca un estallido de la bacteria o plasmoptisis. Lo ideal es que la presión osmótica del medio externo y del citoplasma sean iguales, es decir, que la bacteria esté en un medio isotónico. Sin embargo, también existen bacterias ca­ paces de desarrollarse con presiones osmóticas muy altas, estas se conocen como bacterias osmófilas, estas bacterias se diferencian en varios grupos, entre ellas se encuentran: 1. Bacterias halófilas. Son bacterias que pue­ den crecer y desarrollar en concentraciones altas de sal, como el género Staphylococcus. 2. Bacterias sucrófilas. Se conocen también como sacarófilas, son bacterias que pueden cre­ cer y desarrollarse en concentraciones altas de azúcar, por ejemplo, el género Pseudomonas.

Potencial de óxido-reducción: eH

b. Bacterias anaerobias moderadas. Crecen en presencia de 2 a 8% de oxígeno y expuestas al oxígeno atmosférico pueden sobrevivir por un periodo de 60 a 90 minutos. c. Bacterias anaerobias aerotolerantes.

Pueden, como su nombre lo indica, tolerar el oxígeno, pero son incapaces de utilizarlo para su metabolismo. d. Bacterias anaerobias facultativas. No necesitan el oxígeno para su desarrollo normal, pero si está presente lo pueden utilizar metabólicamente. 3. Bacterias microaerófilas. Necesitan el oxígeno, pero en concentraciones inferiores a las normales, porque su crecimiento se inhibe con las concentraciones óptimas para las bacterias aerobias. Las bacterias que metabolizan el oxígeno, utilizándolo como aceptor de electrones, poseen una propiedad genética que induce a la bacteria a sintetizar una enzima llamada catalasa, cuya función es desdoblar el peróxido de hidrógeno que se forma al ponerse en contacto el hidrógeno y el oxígeno.

Se refiere a la propiedad que tienen algunos com­ puestos de ceder electrones y otros, a ganarlos. Presencia de dióxido de carbono: C 0 2 De esta forma, es posible predecir qué tipo de bacterias van a desarrollarse en un medio deter­ Todas las bacterias requieren la presencia de pe­ minado. El eH se mide en milivoltios (mV). queñas cantidades de dióxido de carbono (0,03% Los gases que tienen más importancia para el de C 02) para su crecimiento, que normalmente cultivo de las bacterias son el oxígeno y el dióxido proviene de la atmósfera o de reacciones de de carbono. Con respecto al oxígeno libre, pueden óxido-reducción y fermentaciones de la propia considerarse tres grandes tipos bacterianos: célula. Otras lo necesitan en mayor cantidad, de 1. Bacterias aerobias. Necesitan obligatoria­ 5 a 10% de C 02, para lo cual se crea un ambiente mente el oxígeno para poder desarrollarse porque definido en los cultivos in vitro. Este tipo de bac­ lo requieren como aceptor final de electrones en terias con metabolismo capnófilo (metabolizan la cadena respiratoria. Requieren un eH de +200 el C 02) se conocen con el nombre de bacterias a +300 mV. capnófilas. 2. Bacterias anaerobias. Se desarrollan en Humedad ausencia de oxígeno libre y su presencia las inhibe o las mata. Este tipo de bacterias se clasifica en: a. Bacterias anaerobias estrictas. CrecenEl agua es un requisito indispensable para el solo en ausencia de oxígeno y su presencia desarrollo bacteriano, porque en su composición las inhibe o las mata, porque son incapaces de las bacterias poseen 80% de agua y, además, para desarrollarse con una tensión de oxígeno (p02), sobrevivir requieren ambientes húmedos, pues mayor de 0,5%. Sólo podrían desarrollarse cuan­ el ambiente excesivamente seco es lesivo para la mayoría de los microorganismos. do el eH es de -200 mV, como mínimo.

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Nutrientes como fuente de energía La nutrición bacteriana se realiza a través de la membrana citoplasmática por los fenómenos conocidos como difusión, principalmente por el proceso de osmosis. Muchos microorganismos pueden utilizar la energía que encuentran dispo­ nible en compuestos orgánicos (organotrofia), en compuestos inorgánicos (quimiolitotrofia), y otros la pueden tomar directamente de la luz (fototrofia) (véase figura 3.7). Según la fuente de obtención de energía y carbono, las bacterias se clasifican en autotróficas, si la fuente de carbono es el C 0 2 y heterotróficas, si la fuente de carbono la obtienen de uno o más compuestos orgánicos.

Autotróficas Estas bacterias obtienen su régimen alimenticio de compuestos inorgánicos y la fuente de car­

bono del dióxido de carbono. Estas bacterias pueden ser: 1. Autótrofas fototróficas. Cuando el radical dador de electrones (RH2) es un compuesto inorgánico como el azufre (H2S). La energía la toman de la luz y el carbono del dióxido de carbono (C 0 2). 2. Autótrofas quimiolitotróficas. Igualmente el radical dador de electrones es un compuesto mineral, pero la energía la toman de reacciones de óxido-reducción producidas por la oxidación de compuestos orgánicos y el carbono del dióxi­ do de carbono (C 02).

Heterótrofas Estas bacterias son incapaces de sintetizar sus propios constituyentes a partir de compuestos inorgánicos y requieren compuestos orgánicos de carbono para obtener energía suficiente. Estas bacterias pueden ser:

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Tabla 3.2

Tipos nutricionales bacterianos según la fuente de energía y carbono En el grupo de las heterotróf icas quimioorganotróficas se ubican la mayoría de bacterias patógenas para el hombre Tipo de nutrición

Autotróficas

Heterotróficas

Sustrato oxidable dador de hidrógenos

Fuente de: Energía

Carbono

Fototróficas

Compuesto inorgánico (H2S)

Luz

Dióxido de carbono

Quimiolitotróficas

Compuesto inorgánico (H2S)

Reacciones de óxido-reducción

Dióxido de carbono

Quimiolitotróficas

Compuesto orgánico

Luz

Compuesto orgánico y en muy poca cantidad del dióxido de carbono

Quimioorganotróficas

Compuesto orgánico

Reacciones de óxido-reducción

Compuestos orgánicos

1. Heterótrofas quimiolitotróficas. Su ré­acción de las enzimas extracelulares o por endogimen nutricional lo componen compuestos citosis, es decir, que se encuentran en el entorno orgánicos, la fuente de energía la provee la luz de las bacterias y pueden penetrar en ellas para y la fuente de carbono la toman de compuestos ser aprovechados y así conformar las estructuras orgánicos y algunas, en muy poca cantidad, del necesarias (véase figura 3.8). dióxido de carbono. Cuando los diversos componentes nutritivos 2. Heterótrofas quimioorganotróficas. Suhan ingresado al citoplasma bacteriano pueden, régimen nutricional es orgánico, la energía la en ciertos casos, sufrir algunas biotransformatoman de reacciones de óxido-reducción produ­ ciones que los llevarán a alcanzar el estado de cidas por la oxidación de compuestos orgánicos y nutriente básico propiamente dicho. Debido a la fuente de carbono de un compuesto orgánico. esto, los nutrientes básicos se dividen en macroPrácticamente todas las bacterias patógenas para nutrientes y micronutrientes u oligoelementos, el hombre están incluidas en esta clasificación según los requerimientos de la célula bacteriana: (véase tabla 3.2). grandes o pequeñas cantidades.

Nutrientes necesarios para las bacterias Los nutrientes que las bacterias requieren para su desarrollo son: los nutrientes básicos, los metabolitos esenciales, los factores de crecimiento y los factores estimulantes, que se describen a continuación.

Nutrientes básicos Para las bacterias, los nutrientes básicos son aquellos que pueden ser asimilados, bien sea por difusión simple o por transporte activo, previa

Macronutrientes En este grupo se ubican todos los compuestos que hacen parte de los carbohidratos, lípidos y proteínas, como por ejemplo el oxígeno, el hidrógeno, el carbono, el nitrógeno, el azufre y el fósforo. También se incluyen en este grupo el agua y ciertos cationes. 1. Agua. No se concibe la vida bacteriana en ausencia de este elemento, que es absolutamente indispensable, tanto que representa de 80 a 90% del peso de la bacteria. 2. Carbono. El dióxido de carbono (C02) es la principal fuente de carbono para los microor-

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ganismos autótrofos y en pequeñas cantidades croorganismos que pueden fijar enzimáticamente para los heterótrofos. Las fuentes orgánicas, de el nitrógeno atmosférico (N,). donde las bacterias heterótrofas toman su fuente 4. Fósforo. Es imprescindible para la vida por­ de carbono, son muy diversas y su naturaleza que también forma parte importante de los ácidos puede ser glucídica (principalmente cuando su nucleicos, los fosfolípidos, los ácidos teicoicos nutrición incluye la glucosa como fuente ener­ y el adenosín-trifosfato (ATP). Se obtiene prin­ gética), proteica o lipídica. cipalmente de fosfatos inorgánicos, aunque su 3. Nitrógeno. Por ser un constituyente fun­origen también puede ser orgánico, en este caso, damental de los ácidos nucleicos, de las lipolas enzimas fosfatasas hidrolizan los ésteres de proteínas de la membrana citoplasmática de las fosfatos y liberan el fosfato inorgánico libre. bacterias Gram negativas y de las proteínas, los 5. Azufre. Las bacterias utilizan el azufre in­ microorganismos deben obtenerlo de fuentes orgánico para realizar la síntesis de aminoácidos inorgánicas, como las sales de amonio (NH3) o azufrados. Lo obtienen fundamentalmente en las de nitrato (NO*), porque son escasos los mi­ forma de sulfatas (SO^~) que son reducidos por

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la bacteria a ácido sulfídrico (H2S) y luego lo los requieren para sintetizar, a partir de ellos, incorporan a los aminoácidos azufrados como aminoácidos, lípidos y otras moléculas impres­ cindibles para su crecimiento y multiplicación. un grupo sulfidrilo (-SH). 6. Cationes. En este grupo se incluyen: el Factores de crecimiento potasio (K), indispensable para la síntesis proteica; el magnesio (Mg2+), necesario para la estabilidad ribosómica y como cofactor para el Los factores de crecimiento son compuestos funcionamiento normal de numerosos sistemas orgánicos que, sin ser una fuente de energía o enzimáticos; el calcio (Ca+2), contribuye a la de carbono, son necesarios para el crecimiento resistencia de los esporos bacterianos, entre otras bacteriano, pero no todas las bacterias son capa­ funciones; el hierro (Fe2+ y Fe3+), es uno de los ces de sintetizarlos. Los factores de crecimiento componentes más importantes de los citocromos encajan básicamente en tres grupos: 1) aminoáci­ y actúa como cofactor enzimático y es parte dos esenciales precursores de proteínas; 2) bases fundamental de las proteínas transportadoras púricas y pirimídicas; 3) vitaminas que actúan como coenzimas o precursores de coenzimas; las de electrones. principales vitaminas requeridas por los microorga­ nismos son: tiamina, biotinaypiridoxina, y 4) otros Micronutrientes u oligoelementos factores, éstos se encuentran generalmente en la Son pequeñísimas concentraciones de algunos sangre, como el factor X o hemina y el factor elementos necesarios para el desarrollo bacteria­ V o nicotín-adenín-dinucleótido, comúnmente no que, aunque son requeridos en pequeñas can­ conocido con la sigla NAD+. Si una bacteria no tiene la capacidad de sin­ tidades, son tan indispensables para la nutrición tetizar alanina a partir de metabolitos esenciales, como los macronutrientes. En este grupo apare­ este aminoácido se convierte en un factor de cen elementos como el cobre (Cu2+), presente en algunas enzimas respiratorias; el cobalto (Co2+), crecimiento para ella y la bacteria se clasificaría que es un componente de la vitamina B 12; el zinc como auxótrofa, por el contrario, si la bacteria es capaz de sintetizar este factor de crecimiento (la (Zn2+), presente en centros activos enzimáticos; el molibdeno (Mo2+), necesario para la fijación alanina) se clasifica como protótrofa. Si se parte del nitrógeno atmosférico; el manganeso (Mn2+), de este concepto, las bacterias se clasifican así: 1. Bacterias protótrofas, cuando pueden cofactor de enzimas que transfieren fosfatos y sintetizar factores de crecimiento. forma parte de algunas superoxidodismutasas, 2. Bacterias auxótrofas, cuando son incapa­ entre otros. Estos elementos en grandes canti­ dades se convierten en elementos tóxicos para ces de hacerlo respecto a un determinado com­ puesto. Véase capítulo de genética bacteriana. las bacterias. Esto explica los fenómenos de relaciones simbióticas como el mutualismo, en el cual Metabolitos esenciales dos organismos se benefician mutuamente, el Productos que se forman como resultado de los comensalismo, donde un organismo se beneficia procesos catabólicos bacterianos y son importan­ sin causarle daño al otro o el satelitismo, en el tísimos para la síntesis de estructuras complejas cual una bacteria crece próxima a otra que le de las bacterias. Ejemplos de algunos metaboli­ suministra un factor de crecimiento. tos esenciales obtenidos por la degradación de Factores estimulantes uno de los nutrientes básicos bacterianos, como la glucosa, catabolizada por la vía glucolítica, son: el piruvato o ácido pirúvico y la acetil Son sustancias no indispensables para las bac­ coenzima A (ACoA). El piruvato y la acetil CoA terias, pero pueden acelerar su multiplicación. no son sintetizados por las bacterias, pero estas Este tipo de factores se usa comúnmente en

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las investigaciones científicas. La utilización correcta de los factores estimulantes la condi­ cionan la clase de microorganismos y el tipo de medio, entre otros. El tipo de factor estimulante se selecciona dependiendo directamente de la especie bacteriana que lo requiera.

Origen de los nutrientes bacterianos Las bacterias, sobre todo, las que colonizan el ser humano obtienen sus nutrientes de diferentes fuentes, de las cuales pueden mencionarse tres como las principales: 1. Fuente exógena. Es aquella que le aporta nutrientes a las bacterias porque el hombre toma compuestos del exterior y ellas obtienen, de estos compuestos, los nutrientes necesarios para su desarrollo. De esta manera, la dieta es la fuente exógena más importante. 2. Fuente endógena. Esta fuente brinda su aporte nutricional a partir de secreciones (saliva, fluidos vaginales u otro tipo de fluidos orgáni­ cos), tejidos epiteliales de los cuales proceden las células epiteliales de descamación, entre otros. 3. Fuentes interbacterianas. Las bacterias pueden obtener sus nutrientes a partir de otras bacterias de dos formas: Degradativa. Cuando escinden o parten macromoléculas para hacerlas asimilables y así ser utilizadas por ellas mismas o por otras bacterias. Excretora. Cuando algunas bacterias produ­ cen una excesiva cantidad de sustancias que, al excretarlas al exterior, sirven como fuente nu­ tricional a bacterias que se encuentran ubicadas muy próximas a las que las producen.

Medios de cultivo Un medio de cultivo es un sustrato o solución de nutrientes en los que crecen y se multiplican los microorganismos en el laboratorio, con el objeto de aislar diferentes especies bacterianas, proceder a su identificación y llevar a cabo una serie de es­ tudios complementarios. Los sustratos energéticos y la materia orgánica sintética (sustratos como proteínas, derivados de la celulosa, etc.) pueden suministrarse por sustancias nutritivas contenidas

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en la maceración de carne y visceras. Los ami­ noácidos o péptidos los aportan las peptonas, que contienen todos los productos de degradación de las proteínas, sin vitaminas, y su composición exacta varía según el tipo de sustrato y enzima utilizados, como pepsina, tripsina, papaína, entre otras. Los factores de crecimiento se suministran por maceración y adición de sangre, suero, extrac­ to de levaduras, líquido ascítico, etc.

Clasificación Los medios de cultivo pueden clasificarse según su consistencia, origen, composición y utilización.

Consistencia Según la consistencia los medios de cultivo se clasifican en: 1. Líquidos. Contienen los nutrientes antes citados, a los cuales se les adiciona una sustan­ cia capaz de mantener el pH adecuado. Entre los más empleados están: el caldo nutritivo y el caldo peptona. 2. Sólidos. Se obtienen agregando agar, sus­ tancia polisacárida e inerte obtenida de algas ma­ rinas del género Gellidium, en una concentración de 1,5 a 2,0%, a un medio líquido determinado. Este conjunto, debidamente esterilizado, se vierte en una caja de Petri o en un tubo de ensa­ yo. Las exigencias nutritivas y las condiciones fisicoquímicas son similares a las de los medios líquidos. Pero a diferencia de ellos, ofrecen la posibilidad de obtener colonias aisladas, siempre que la cantidad del inoculo esté suficientemente diluida. En este caso se observa la existencia de colonias separadas unas de otras. 3. Semisólidos. Son muy semejantes a los me­ dios sólidos, con la diferencia que a estos se les dis­ minuye la concentración del agar agregado a 0,5%. Se utilizan para la conservación de cepas bacterianas y la observación y registro de bacterias móviles.

Origen Según su origen, los medios de cultivo se dividen en medios sintéticos y medios naturales.

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Los medios sintéticos o químicamente de­ finidos son medios compuestos por productos quí­ micos conocidos y se usan para estudios metabólicos. Ejemplo: agar nutritivo, agar blando, caldo nutritivo, agar eosina azul de metileno, etc. Los medios naturales o químicamente no definidos son aquellos medios preparados a partir de sustancias naturales animales o vegetales, de composición no rigurosamente constante. Ejemplo: el suero, la leche, la papa, etc.

Composición y utilización Según su composición y utilización los medios de cultivo se clasifican en: simples, enriquecidos, selectivos, diferenciales, de enriquecimiento, de recuento y de transporte. 1. Medios simples. Poseen los requisitos nutricionales mínimos para permitir el desarrollo bacteriano en general. Ejemplos: agar nutritivo, caldo nutritivo, entre otros. 2. Medios enriquecidos. Son medios simples o comunes, a los que se añaden ciertos componen­ tes como sangre, suero, líquido ascítico, huevo, glucosa, vitaminas, entre otros, que permiten el aporte de factores de crecimiento o sustancias que neutralizan agentes inhibidores del crecimiento, en bacterias exigentes nutricionalmente. Son diferentes para cada tipo de bacterias. Ejemplo: agar sangre, enriquecido con sangre; medio de

Lowestein Jennsen, enriquecido con huevo para facilitar el crecimiento de bacterias del género Mycobacterium; agar desoxicolato-lactosa (DLA), enriquecido con lactosa y desoxicolato. 3. Medios selectivos. Se consiguen añadiendo al agar nutritivo compuestos químicos nocivos para las bacterias cuyo crecimiento no interesa o también alterando las condiciones físicas del medio. El cristal violeta, por ejemplo, impide el crecimiento de bacterias Gram positivas sin afectar a las Gram negativas. Ejemplos: agar Mac Conkey que contiene cristal violeta; ThayerMartin selectivo para Neisseria gonorrhoeae, porque posee antibióticos como vancomicina, colistina y nistatina; caldo lactosado bilis verde brillante (caldo brila), selecciona bacterias del grupo coliforme, posee bilis que inhibe las Gram positivas y lactosa que favorece el crecimiento de los coliformes; el DLA también favorece el crecimiento de coliformes; medio de Lowestein Jennsen más verde de malaquita, selecciona Mycobacterium tuberculosis. 4. Medios diferenciales. A estos medios de cultivo se les adicionan sustancias para que solo crezcan determinadas bacterias y estas, al actuar sobre algunas de las sustancias adicio­ nadas, permiten observar macroscópicamente ciertas propiedades de crecimiento que ayudan a diferenciar sus colonias de otras de especies diferentes (véase figura 3.9).

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Como medios diferenciales se utilizan: el agar eosina azul de metileno (EMB), que dife­ rencia colonias de Escherichia coli (color verde metálico brillante), de las colonias de Enterobacter aerogenes ¡color rosado, consistencia m ucosa y crecim iento abundante); el DLA, que, diferencia las colonias de coliformes (rojo oscuro) de las otras bacterias; el agar sangre que diferencia variedades de Streptococcuspyogenes en Streptococcus P-hemolítico (produce una zona de hemolisis amplia que se visualiza como un halo transparente alrededor de la colo­ nia), Streptococcus a-hem olítico (produce una zona de hemolisis estrecha) y el Streptococcus y-hemolítico (no presenta zona de hemolisis) (véase figura 3.9); el agar SS (agar SalmonellaShiguella) tiene lactosa y un indicador de pH que permiten diferenciar las colonias de bacterias termentadoras de este disacárido. 5. Medios de enriquecimiento. Medios líqui­ dos que favorecen o permiten la multiplicación de bacterias cuando la muestra obtenida es muy pobre. Ejemplos: el caldo de Thioglicolato fa­ vorece el crecimiento de bacterias anaerobias; el caldo tetrationato favorece el crecimiento de microaerófilas; los caldos de bilis y de MullerKauffinan favorecen el crecimiento del género Salmonella; caldo o agua de peptona alcalina se utiliza para el crecimiento de Vibrión cholerae. 6. Medios de recuento. Se utilizan para de­ terminar el contenido bacteriano de sustancias como leche, agua, carnes, etc. El número de co­ lonias resultantes del sembrado de la muestra, se cuentan macroscópicamente y, posteriormente, se aplican fórmulas matemáticas para obtener el resultado final, el cual se expresa como unidades formadoras de colonia (UFC). Ejemplos: el agar cuenta-gérmenes (ACG) sirve para determinar el número total de bacterias que existen en una muestra; el DLA se utiliza para hacer el recuento de bacterias coliformes; el agar estándar también se emplea en el recuento total de bacterias. 7. M edios de transporte. Se utilizan para asegurar la viabilidad de las bacterias y evitar que se reproduzcan alterando el núm ero de bacterias iniciales, desde el momento de la toma de la muestra hasta su posterior siembra en el

laboratorio o para su envío de unos laboratorios a otros. Para evitar la reproducción de las bacterias estos medios no presentan nitrógeno, que es un elemento indispensable para la división celular, por ejemplo: medio de Stuart. Un gran número de medios de cultivo microbiológicos son mixtos, es decir, que por su utilización pueden pertenecer a uno o más de los grupos ya descritos, como el medio Thayer Martin, el cual se enriquece con plasma y es selectivo porque contiene antibióticos; el agar SS se recomienda para el aislamiento de Salmonella y Shiguella. es selectivo porque contiene un inhibidor de bacterias Gram positivas (verde bri­ llante) y es diferencial porque contiene lactosa y un indicador de pH. El agar DLA es enriquecido con lactosa y desoxicolato; también es selectivo porque favorece el crecimiento de coliformes, y diferencial porque perm ite diferenciar las colonias de bacterias coliformes (de color rojo oscuro), de las otras colonias bacterianas que pueden crecer en este medio de cultivo; para completar, también es de recuento porque per­ mite contar las colonias rojas pertenecientes al grupo coliformes.

Fuentes de energía Para todos los sistemas biológicos, plantas, anima­ les, procariotes, las fuentes de energía son: energía radiante o lumínica y la energía química.

Energía radiante Las plantas, las algas y las cianobacterias viven autotróficamente porque utilizan la luz como fuente de energía y el dióxido de carbono como única fuente de carbono. Para que el dióxido de carbono pueda ser útil en el metabolismo, debe reducirse a carbohidrato. Este proceso de reduc­ ción, en el que se utiliza la luz e interviene un pigmento verde llamado clorofila, se denomina fotosíntesis vegetal. La reacción general puede formularse como aparece en la figura 3.10. En este caso la fórmula (CH 0 )X representa cualquier carbohidrato. El proceso requiere dos factores importantes: 1) una gran cantidad

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de energía en form a de ATP y 2) una gran cantidad de reductores químicos, en este caso el agua. Algunos grupos de bacterias, verdes y purpúreas, se caracterizan por su capacidad para efectuar la fotosíntesis, sin producir finalmente oxígeno, pues a diferencia de las plantas, algas y cianobacterias no utilizan agua como agente reductor y, por tanto, no liberan oxígeno como uno de los productos finales de la fotosíntesis bacteriana. La ecuación general de la fotosín­ tesis bacteriana m uestra la similitud de ambos procesos. En la reacción fotosintética bacteriana H2A representa el término general para un compuesto sulfúreo inorgánico reducido o un compuesto orgánico (lactato o succinato), si, por ejemplo, H 0A representa el sulfuro de hidrógeno o ácido sulfídrico (H,S), A es, entonces, el azufre ele­ mental (véase figura 3.10).

Energía química Este tipo de energía es responsabilidad de una serie de reacciones químicas conocidas como oxidaciones biológicas o procesos respiratorios, las que tienen por resultado la oxidación de sus­ tancias orgánicas con liberación de energía. Su finalidad es la obtención de la energía necesaria (ATP) para el crecim iento, así mismo, en el curso de dichas reacciones se obtienen productos intermedios, que pueden utilizarse como punto de partida para la biosíntesis. En general, se

puede afirmar que cuando la glucosa se oxida, se producen deshidrogenaciones repetidas con liberación de electrones, que son transportados por unas moléculas especiales (cadenas trans­ portadoras), hasta un aceptor final y la energía liberada se almacena en forma de ATP. Es necesario tener muy presen te que cuando una sustancia se oxida pierde electrones y cuan­ do se reduce, los gana.

Mecanismo de transm isión de la energía química La transferencia de energía de una m olécula a otra constituye una propiedad esencial para la vida, donde tiene un papel muy importante el nucleótido adenosín trifosfato o ATP. Este nucleótido puede recibir energía de diferentes reacciones catabólicas y transferirla a otras moléculas de baja energía. El ATP acumula energía y por eso se conoce como molécula almacenadora de energía, pero esto sucede solo temporalmente porque la molé­ cula de ATP solo existe durante un corto periodo de tiempo antes de que su último grupo fosfato se libere y su energía se transfiera a otra molécula en alguna vía metabólica (véase figura 3.11). El almacenamiento de nutrientes por largos periodos de tiempo solo puede realizarse por moléculas más estables como la sacarosa, el glucógeno, almidón y las grasas. Además del ATP existen otras moléculas

Nutrición y metabolismo de las bacterias

con la capacidad de transferir energía que son indispensables para la vida com o el flavínaclenín-dinucleótido (FAD) y el nicotín-adeníndinucleótido (NAD+). El mecanismo de transferencia de energía química ocurre de esta forma: cuando los átomos de una molécula absorben energía, algunos de sus electrones cambian de nivel energético, pasando a uno mayor, o sea, que se mueven hacia fuera. Los electrones pueden energizarse tanto que tienen que salir totalmente del átomo. Al ocurrir esto, pares de electrones de alta energía son recogidos

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y transferidos a otra molécula por un transporta­ dor de electrones, como el NAD+ o el FAD. Este proceso se esquematiza en la figura 3.12. Entre los m ecanism os de transm isión de energía química está la respiración que puede ser aerobia o anaerobia. La respiración aerobia es la reacción de oxidación que utiliza el oxígeno molecular como aceptor final de hidrógenos. La respiración anaerobia es la reacción de oxi­ dación que utiliza un compuesto diferente al oxíge­ no molecular como aceptor final de hidrógenos.

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Tabla 3.3

Clases de oxidación biológica

Clases de oxidación

Aceptor final de hidrógeno

Respiración

Aeróbica

Oxígeno

Anaeróbica

Compuesto dife­ rente del oxígeno

Anaeróbica

Compuesto orgánico dador y aceptor de hidrógenos

Fermentación

El término respiración tiene un sentido muy amplio y se refiere a todas las reacciones de libe­ ración de energía (oxidaciones) que ocurren en la célula, sin embargo, y solamente para motivos didácticos, como las oxidaciones que utilizan el oxígeno molecular y las que no lo utilizan. Otro mecanismo es lafermentación que corres­ ponde a un proceso de oxidación, en el que las bacterias facultativas o anaeróbicas obligadas utilizan un compuesto orgánico como dador y aceptor final de hidrógenos (véase tabla 3.3). En los procesos degradativos, la glucosa ha sido objeto de los estudios más profundos y de­ tenidos, los mismos han proporcionado un gran conocimiento sobre este proceso, hasta el punto que actualmente se tiene una imagen clara de su intrincado desarrollo. La primera etapa de la degradación de la glucosa se expone con minucioso detalle en el modelo de Embden-Meyerhof-Parnas, esta etapa se conoce con otros nombres, como: vía de Embden-Meyerhof-Parnas, fermentación de Embden-Meyerhof-Parnas, fase de ¡a hexosadifosfato, vía glucolítica o el más conocido, glucólisis o glicólisis.

Glucólisis La esencia del proceso la sugiere su propio nom­ bre, pues, su etimología viene del griego glicos que significa dulce y lisis que significa romper o degradar. Literalmente, “glucólisis es el rompi­ miento de algo dulce”, o sea, de la glucosa y esta es ei azúcar con el cual se inicia esta vía.

La glucólisis es una de las vías principales de degradación de la glucosa y tal vez una de las rutas más importantes que utilizan las células bacterianas para producir energía. En 1940 se culminó exitosamente el establecimiento com­ pleto de la vía de la glucólisis. Tres investigado­ res sobresalieron en este reto: Gustav Embden, Otto Meyerhof y Jacob Parnas. Sus apellidos bautizaron esta importante vía metabólica. Otra ruta, utilizada por las bacterias, para producir energía y considerada como vía alterna o atajo, es la llamada vía o ruta de la pentosa fosfato. La glucólisis no requiere presencia de oxí­ geno, tiene lugar en el citoplasma y se lleva a cabo, exactamente de la misma manera, tanto en las células aeróbicas como en las anaeróbicas. Cuando la glucólisis se da en una célula que respira se le conoce como glucólisis aerobia. Las reacciones iniciales de la glucólisis son fosforilaciones de la glucosa, es decir, que la hexosa (glucosa = C H O ), fija dos grupos fosfatos antes de partirse o separarse en dos moléculas de tres carbonos llamadas dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído 3-fosfato (G3P) (las dos moléculas se conocen como triosas-fosfato). Las reacciones se continúan hasta formar dos molécu­ las de piruvato (ácido pirúvico) que también es un compuesto de tres carbonos (véase figura 3.13). Por cada molécula de glucosa metabolizada se producen cuatro moléculas de ATP y se con­ sumen dos. El balance neto, por tanto, es de dos moléculas de ATP producidas en la metabolización de una molécula de glucosa por la ruta de la glucólisis. La glucólisis no solo genera ATP y produce piruvato para la oxidación en el ciclo del ácido cítrico sino que también es una ruta de síntesis, porque los productos intermedios de esta vía son precursores de numerosos compuestos, princi­ palmente aminoácidos y lípidos. La vía o ruta catalítica se compone de una serie de reacciones catalizadas por enzimas que logran descomponer una molécula de glucosa de seis carbonos y formar finalmente dos molécu­ las de piruvato de tres carbonos cada una. Para

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facilitar la comprensión y el seguimiento de las reacciones, en la figura 3.13 se esquematizan solo los “esqueletos de carbono” de la glucosa y de las moléculas que se van produciendo durante la degradación de la glucosa (glucólisis). Cada flecha gruesa, de color verde azulado, representa una reacción que está siendo catali­ zado por, al menos, una enzima. Cada paso se explica a continuación. Paso uno. La molécula combustible de glu­ cosa se energiza al recibir un grupo fosfato de una molécula de ATP, así fosforila la molécula de glucosa que cambia su nombre por el de glucosa-6-fosfato. Paso dos. La glucosa-6-fosfato sufre una transposición sencilla, es decir, reordena sus átomos de hidrógeno y oxígeno. En esta reacción y mediada por la acción de una enzima, tipo isomerasa, se convierte en su isómero (imagen en espejo): fructosa-6-fosfato. Paso tres. En este punto otra molécula de ATP dona un grupo fosfato y se forma fructosa1,6-difosfato. Los grupos fosfatos se han unido en los carbonos 1 y 6, y queda la molécula lista para su disociación. Hasta este momento se han invertido en el proceso dos moléculas de ATP y todavía no ha producido ninguna. Paso cuatro. La fructosa-1,6-difosfato se parte en dos triosas (moléculas de tres carbonos cada una) y se forma dihidroxiacetona fosfato o fosfato de hidroxiacetona o simplemente cetosa (DHAP), que puede convertirse por acción enzi­ mática en su isómero. Paso cinco. La hidroxiacetona fosfato, por acción enzimática, sufre una transposición a gliceraldehído-3-fosfato o aldosa (G3P), es decir, que una enzima isomerasa lo convierte en su isómero, así quedan dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, que continúan el pro­ ceso y generan idénticas reacciones. Paso seis. Cada molécula de gliceraldehído3-fosfato, sufre dos reacciones de deshidrogenación, casi simultáneamente. En cada reacción se donan dos electrones y un ion hidrógeno al NAD+ para formar NADH+H+ y se une un fosfato inorgánico, por medio de un enlace de alta energía a cada molécula de gliceraldehído-

3-fosfato, y se forman dos moléculas de 1,3-difosfoglic eruto. Paso siete. Un fosfato de cada 1,3-difosfoglicerato se transfiere a sendos ADP para formar ATP. Así se producen dos moléculas de ATP. Al perderse los grupos fosfatos de cada molécula de 1,3-difosfoglicerato, la molécula se convierte en 3-fosfoglicerato. Estos ATP producidos, compensan los dos ATP iniciales consumidos en la activación de la glucosa. Paso ocho. Por acción enzimática el 3-fosfoglicerato se reordena y el fosfato cambia de posición: pasa del carbono tres al carbono dos, formando 2-fosfoglicerato. Esta es, simplemente, una reacción preparatoria para el paso siguiente. Paso nueve. La reacción que se produce aquí es poco común y genera un grupo fosfato rico en ener­ gía por deshidratación (pérdida de una molécula de agua) y no por deshidrogenación (disociación de átomos de hidrógeno), como sería lo normal. El producto que resulta es el fosfoenolpiruvato. Este cambio lo media la enzima enolasa, la cual es inactivada por la acción del ion flúor y produce la suspensión del proceso glucolítico, por tanto, éste no concluiría y no se obtendría el producto final (piruvato). como metabolito esencial. Paso diez. Cada molécula de fosfoenolpiru­ vato transfiere el fosfato que tiene en el carbono 2 para formar ATP y de esta manera quedan, como productos finales de la glucólisis, dos moléculas de piruvato. En este paso final se produce, como se men­ cionó inicialmente, una ganancia neta de dos ATP por cada molécula de glucosa.

Fermentación Cuando las condiciones de anaerobiosis con­ tinúan, muchos microorganismos, como las levaduras, utilizan la vía de la fermentación para producir alcohol; los lactobacilos, ácido láctico o muchos otros productos finales como lo hace Escherichia coli. La mayor parte de las bacterias fermentativas dan lugar a diferentes productos por fermenta­ ción de glucosa, pero ninguna especie es capaz

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de originarlos todos. Por esta causa, es posible agrupar los microorganismos en función de los productos finales de fermentación y de este modo se encuentra una clasificación que permite diferenciar las bacterias en: bacterias heterofermentativas y bacterias homofermentativas: 1. Bacterias heterofermentativas. Cuando al fermentar la glucosa se obtiene una mezcla de productos finales. Ejemplo: Escherichia coli (véase figura 3.14). 2. Bacterias homofermentativas. Cuando el resultado de la fermentación de la glucosa es, casi exclusivamente, un solo producto final. Por ejemplo, Streptococcus lactis prácticamente solo

produce ácido láctico como único producto final al fermentar la glucosa (véase figura 3.15).

Vía o ciclo de la pentosa fosfato Esta ruta de degradación de carbohidratos lleva aparejada la formación de fosfatos, azúcares de 6 átomos de carbono (hexosas monofosfatos) y de 5 átomos de carbono (pentosas monofosfatos). Como esta ruta incluye algunas de las reacciones de la glucólisis, se la considera como un “atajo” o vía alterna a la vía glucolítica. La glucosa pue­ de oxidarse por la vía de la pentosa fosfato con liberación de pares de electrones, que pueden

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de la pentosa fosfato se da tanto en procariotas, como en eucariotas (véase figura 3.16). Existen otras rutas de degradación de carbo­ hidratos, como la Entner-Doudoroff que también son comunes a procariotas aerobios y anaerobios. Algunos microorganismos catalizan únicamente una de estas rutas, mientras que otros utilizan más de una, ya sea simultáneamente o no. La utilización de estas ratas depende de que hayan heredado la correspondiente capacidad para ha­ cerlo y del ambiente en que se desarrollen.

Catabolismo de los carbohidratos

entrar en la cadena de transporte electrónico. Sin embargo, este ciclo no se considera como una de las principales vías de producción de energía en la mayor parte de los microorganismos. La vía de la pentosa fosfato se utiliza princi­ palmente para labiosíntesis, ya que aporta sustan­ cias que se emplean en la síntesis de nucleótidos. Aunque sea una alternativa para la oxidación de la glucosa, también puede aportar energía mediante utilización de azúcares de 5 átomos de carbono. Al igual que la vía glucolítica, la ruta

Los carbohidratos son sustancias numerosas y muy variadas, pero todas tienen como compo­ nentes carbono, hidrógeno y oxígeno. Antes de entrar en la forma de degradación de los carbohi­ dratos, conviene recordar algo muy general sobre la naturaleza de estos compuestos. Es necesario dividirlos en dos grupos: grupo A y grupo B. 1. Grupo A. En este grupo se incluyen los carbohidratos más simples y elementales, de­ nominados monosacáridos y son carbohidratos compuestos por una sola molécula. Ejemplo: glucosa (C6H 120 6). 2. Grupo B. A este pertenecen los carbohidra­ tos más complejos, denominados: polisacáridos, trisacáridos y disacáridos a. Disacáridos. Son carbohidratos compues­ tos por dos moléculas. Ejemplos: sacarosa = glucosa + fructosa maltosa = glucosa + glucosa lactosa = glucosa + galactosa b. Trisacáridos. Son carbohidratos compues­ tos por tres moléculas. Ejemplo: rafinosa - glucosa + galactosa + fructosa c. Polisacáridos. Son carbohidratos com ­ puestos por una molécula que se repite n veces. Ejemplo: celulosa = (glucosa)n. Este polisacárido se cataboliza como se observa en la figura 3.17. En general, la desarticulación de los com­ puestos del grupo B tiene lugar fuera de la célula por acción de las enzimas extracelulares, de­ gradándolos de polisacáridos a monosacáridos. Las reacciones enzimáticas son hidrolíticas y

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como se llevan a cabo en el exterior de la célula las reacciones son hidrolíticas extracelulares. La importancia de estas reacciones radica en la transformación de sustratos complejos e inesta­ bles a sustratos simples y estables que puedan penetrar al interior de la célula.

Degradación de los monosacáridos Cuando estos carbohidratos sencillos penetran en la célula bacteriana, sufren la acción de las enzi­ mas intracelulares y se obtiene de estas reacciones la principal fuente de energía. Obsérvese la reac­ ción general al degradarse, por acción enzimática, el monosacárido glucosa (véase figura 3.18).

Las etapas iniciales de la degradación de la glucosa hasta la formación de piruvato siguen la vía de la glucólisis o alguna variación del proceso. El piruvato (ácido pirúvico) puede considerarse como el eje de la fermentación de los carbohidratos. El piruvato formado por glucólisis puede sufrir una nueva oxidación y de esta serie de reacciones catalizadas enzimáticamente resulta la producción de acetil coenzima A (AcoA), que entra al ciclo del ácido cítrico.

Ciclo del ácido cítrico Este ciclo es una ruta presente en los microor­ ganismos aerobios, que facilita el consumo de

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oxígeno y al mismo tiempo suministra interme­ diarios útiles para la biosíntesis de aminoácidos, ácidos grasos y bases nitrogenadas, entre otros compuestos. El ciclo del ácido cítrico también se conoce como ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y con el nombre más tradicional: ciclo de Krebs, en ho­ nor al doctor Hans Krebs, científico y bioquímico alemán de nacimiento, pero inmigrante en la Gran Bretaña, a quien se le debe el descubrimiento de esta vía metabólica. Descubrimiento que lo hizo acreedor al Premio Nobel en 1953. Se caracteriza por ser una secuencia de reacciones que generan energía, en forma de ATP y de moléculas de coen­ zima reducidas como NADH+H y FADH . 2 Este ciclo también desempeña otras funcio­ nes: muchos de sus intermediarios son también precursores de la biosíntesis de aminoácidos, purinas, pirimidinas, etc. Por tanto, el ciclo del ácido cítrico es un ciclo anfibólico, es decir, que no funciona solo en el catabolismo (degradación), sino también en reacciones anabólicas (síntesis). Para dar inicio al ciclo cada molécula de piruvato entra en el ciclo del ácido cítrico me­ diante una reacción de transición que produce dos electrones de alta energía y una molécula de dióxido de carbono. El grupo acetilo que se forma lo recoge la coenzima A (CoA) y entra en el ciclo que se esquematiza en la figura 3.19, en una serie cíclica de 7 pasos. Reacción de transición

Es aquella en la que el piruvato se convierte en acetilo, libera C 02y electrones de alta energía que son transportados por el NADH. Paso cero. Cada molécula de piruvato, de tres carbonos, sufre una descarboxilación (pérdida de un grupo C 00). Al descarboxilarse se pierde un átomo de carbono y los electrones liberados son transportados por la coenzima NAD+(en estado químico oxidado) la cual queda como NADH+H, es decir, pasa a estado quimico reducido. Por tanto, el piruvato se convierte en un grupo acetilo con dos carbonos. Paso 1. Se produce una hidratación, al ganar

una molécula de agua, y la CoA se une al acetilo para formar acetil CoA. Paso 2. La acetil CoA dona su grupo acetilo al oxalacetato (ácido oxalacético de cuatro car­ bonos), para formar el citrato (ácido cítrico de seis carbonos). Paso 3. El citrato por acción de una enzima tipo isomerasa sufre una transposición a isocitrato (ácido isocítrico de cuatro carbonos). Paso 4. El isocitrato sufre una descarboxila­ ción y pierde un átomo de carbono, entonces, se forma a-cetoglutarato (ácido a-cetoglutárico). Los dos electrones de alta energía liberados son transportados por NAD+para formar NADH+H. Paso 5. El a-cetoglutarato sufre una nueva descarboxilación con su consiguiente pérdida de un átomo de carbono y se forma succinato (ácido succínico). Los dos electrones de alta energía liberados son transportados por NAD+ para formar NADH+H. Paso 6. La energía química se transfiere fuera del ciclo hasta el ATP. En este paso un ADP (adenosína difosfato), cede un grupo fosfato al GDP (guanidina difosfato) y se convierte en GTP (guanidina trifosfato) que es un compuesto similar al ATP y luego se convierte en este último. Paso 7. El succinato se oxida y los dos electrones de alta energía son transportados por medio del portador de electrones FAD, que queda cargado y se convierte en FADH,. De esta forma, el succinato pasa a fumarato (ácido fumárico). Paso 8. El fumarato recibe la adición de una molécula de agua (hidratación) y se convierte en malato (ácido málico). Paso 9. El malato es objeto de deshidrogenación y se convierte en oxalacetato (ácido oxalacético). Los dos electrones de alta energía li­ berados son transportados por NAD+para formar NADH+H. De esta manera y en este momento el oxalacetato puede combinarse con una molécula de CoA y así comienza nuevamente el ciclo. Cadena de transporte electrónico

La cadena de transporte electrónico también se conoce como sistema de citocromos o cadena respiratoria. Es una secuencia de reacciones

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de oxidación-reducción (oxidoreducción) para la generación de ATP. Esta secuencia de reac­ ciones funciona captando electrones, a partir de compuestos reducidos, y transfiriéndolos al oxígeno con la consiguiente formación de agua. En varios de los pasos intermedios se libera su­ ficiente energía para sintetizar ATP, a partir de ADP y fosfato inorgánico. Esta síntesis de ATP se denominafosforilación oxidativa, debido a la formación de enlaces altamente energéticos en los que interviene el fosfato. En la figura 3.20 se observa que los átomos de hidrógeno (electrones más protones H+), que pierden las sustancias que se oxidan y son transferidos al oxígeno molecular y forman agua. En esta transferencia intervienen las en­ zimas deshidrogenasas que contienen NAD+ (nicotín-adenín-dinucleótido) o NADP (fosfato de nicotín-adenín-dinucleótido) o FMN (flavínmononucleótido) y citocromos que contienen hierro. También se observa que en tres pasos específicos de la cadena, tiene lugar la síntesis de ATP. Los electrones extraídos por oxidación de sustancias inorgánicas como N 02, H, y H2S, pueden también alimentar la cadena de transpor­ te de electrones para producir energía. Así se obtiene el ATP en la cadena de trans­ porte electrónico, por parte de las bacterias quimioautótrofas (véase figura 3.20). La figura 3.21 presenta una visión general de todo el proceso catabólico de los carbohidratos en condiciones de anaerobiosis y aerobiosis.

- Un grupo carboxílico (-COOH), llamado también, ácido carboxílico. - Un hidrógeno. - Un grupo variable que se representa por las letras GV. El grupo variable (GV), por ser diferente en cada aminoácido, le confiere a cada uno sus propiedades características (véase figura 3.22). En la síntesis de las proteínas, él grupo amino (-NH2) de un aminoácido se une a otro aminoácido por el carbono del grupo carboxilo (-COOH), y forman un enlace covalente senci­ llo, que toma el nombre de enlace peptídico, por consiguiente la cadena resultante es un péptido (véase figura 3.23). Los aminoácidos se van uniendo uno por uno hasta que la proteína queda completa. En las células vivas las cadenas de aminoácidos varían en su longitud (desde tres hasta miles de aminoácidos). Así que a las cadenas largas (de 50 o más aminoácidos de longitud) se les reserva el nombre de proteína o polipéptido y las cade­ nas que están por debajo de esta longitud (más cortas) se les llama péptidos. El proceso de degradación de las proteínas se llama proteólisis o hidrólisis de las proteínas y lo llevan a cabo por enzimas proteolíticas exocelulares.

Solo un reducido grupo de bacterias puede producir enzimas proteolíticas, en este grupo se encuentran los géneros Clostridium, Bacillus, Proteus y Pseudomonas. El proceso de proteó­ lisis ocurre en dos etapas: Catabolismo de las proteínas En la primera etapa, las enzimas proteo­ líticas degradan las proteínas en moléculas Las proteínas son los principales constituyentes más sencillas llamadas péptidos, es decir, nitrogenados de todos los sistemas biológicos aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. (animales, plantas y procariotes). Las proteínas se En la segunda etapa, se realiza la conversión componen aproximadamente de 20 aminoácidos de los péptidos, por acción de una peptidasa, unidos por enlaces peptídicos, son moléculas muy en aminoácidos (véase figura 3.24). grandes y, por tanto, deben ser desarticuladas para Algunos productos finales originados por penetrar a la célula y servir como elementos nu- bacterias del género Clostridium son muy ma­ tricionales. Todos los aminoácidos presentan una lolientes de modo que el olor a putrefacción estructura básica compuesta por un carbono central en general revela la acción y, por supuesto, unido a cuatro grupos funcionales diferentes: la presencia de estas bacterias que tienen su Un grupo amino (-NH2), que contiene hábitat en el suelo, específicamente, en zonas donde no existe la presencia de oxígeno. Entre nitrógeno.

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estos productos se encuentran el ácido sulfídrico (H2S), el ácido isovalérico, el ácido isobutírico, derivados de aminoácidos azufrados como los mercaptanos; derivados del aminoácido omitiría como la putrescina: la omitina se descarboxila por acción de la enzima omitiría descarboxilasa para dar 1,4-diaminobutano, más conocido con

el prosaico nombre de putrescina por causa de haber sido aislada por primera vez de la carne en descomposición o putrefacta; derivados de la Usina como la cadaverihá yi sl amoniaco. La cadaverina es un homólogo de la putrescina que también se sintetiza por descarboxilación pero de la Usina.

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Figura 3.25

Catabolismo de los lípidos

Catabolismo de los lípidos Las grasas son compuestos resultantes de la esterificación o combinación, de la glicerina y ácidos grasos. El proceso de degradación de los lípidos se llama lipólisis. Las grasas pertenecen a los lípidos donde también se incluyen fosfolí­ pidos y esteróles. Los lípidos de la mayoría de los organismos se encuentran en forma de triacilgliceroles (antes denominados triglicéridos). Las enzimas responsables del proceso lipolítico se llaman lipasas o enzimas lipolíticas, que degradan mediante hidrólisis los triacilgliceroles para convertirlos en glicerol y ácidos grasos (véase figura 3.25). La glucosa es la fuente de energía más importante para la mayoría de las células. Sin embargo, sustancias como los lípidos y las pro­ teínas pueden utilizarse como vías alternativas. Estos sustratos al ser metabolizados tienen un intermediario común que es la acetil coenzima A (ACoA) y el ciclo del ácido cítrico es la ruta común de oxidación (véase figura 3.26).

Reproducción y desarrollo bacterianos Cuando las bacterias se “siembran” en un medio de cultivo con condiciones adecuadas se produce un incremento, muy marcado, en el número de células en periodos de tiempo muy cortos. En

algunas especies se alcanza la población máxima en 24 horas, en cambio, en otras se necesita un periodo más largo para alcanzar el máximo de­ sarrollo. Ejemplos: 1) Escherichia coli, duplica la población entre 15 y 20 min; 2) Mycobac­ terium tuberculosis, lo hace en 792 a 932 min o, lo que es igual, 13,2 a 15,5 horas, cuando crece en un medio sintético; 3) Staphylococcus aureus, sembrado en un caldo lo hace entre 27 y 30 min; 4) Treponema pallidum inoculado en testículos de conejo, lo realiza en 1.980 min, es decir, 33 horas. Las formas más comunes de reproducción bacteriana son: fisión binaria transversa, frag­ mentación, esporas y gemación.

Fisión binaria transversa Es un proceso de reproducción asexual, por medio del cual una célula se divide en dos células idénti­ cas llamadas células hijas, después de formar una pared celular transversal o tabique divisorio.

Fragmentación Al igual que la anterior, es una forma de repro­ ducción asexual. Se da en bacterias que producen un desarrollo filamentoso extenso, seguido de la fragmentación de esos filamentos en pequeñas células bacilares o cocoides, cada una de las cua­ les dará origen a un nuevo desarrollo. Ejemplo: bacterias del género Nocardia.

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Esporas El género bacteriano Streptomyces se caracteriza por producir esporas con capacidad reproducti­ va y cada una de ellas dará origen a un nuevo individuo. Esta forma de reproducción debe ser diferenciada de la forma de resistencia conocida con el nombre de esporo, vista en el capítulo 2 sobre morfofisiología bacteriana.

Gemación Por este método se reproducen bacterias del gé­ nero Hypomicrobium sp. Del “tallo” de la célula madre surge un crecimiento autónomo de forma bulbosa o yema, y después de un periodo de alargamiento se separa de la célula progenitora como una nueva célula. De cualquier forma el proceso más común de reproducción bacteriana es la fisión binaria transversa. El incremento poblacional se produce

en progresión geométrica: 1, 2, 4, 8, 16, etc. El tiempo necesario para que se duplique la pobla­ ción se denomina tiempo de generación (véase figura 3.27).

Ciclo de desarrollo normal de los cultivos bacterianos Este ciclo también se menciona por muchos au­ tores como la curva de crecimiento bacteriano, porque cuando se estudia el desarrollo de un cultivo de bacterias se observa que ocurren varias etapas en forma sucesiva, con características diferentes y muy específicas de cada etapa. El término crecimiento, tal como se aplica de forma usual a las bacterias y a otros micro­ organismos, se refiere comúnmente a cambios en la cosecha celular (aumento en la masa total de células), más que a cambios en un organismo en forma individual. El inoculo inicial contiene miles de orga-

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nismos; el crecimiento denota el incremento del número o la masa, por encima del inoculo original. Como ya se mencionó, suponiendo que el inoculo inicial fuera una sola bacteria, el incremento se expresaría como: 1, 2, 22, 23, 24, 25....... 2n. Al realizar el gráfico se pone de mani­ fiesto cada una de las cuatro fases de desarrollo (véase figura 3.28).

Fase lag o de adaptación La siembra de bacterias en un medio nuevo no va seguida de la duplicación inmediata de la po­ blación. Por el contrario, la población permanece temporalmente inalterada, como se aprecia en la curva normal de desarrollo. Sin embargo, esto no implica que las células permanezcan inactivas o latentes, al contrario, durante este estadio, cada una de las células incrementa su tamaño más allá de las dimensiones normales. En términos fisiológicos, se encuentran totalmente activas y sintetizando citoplasma nuevo. Las bacterias en este nuevo ambiente pueden, quizás, encontrarse deficientes en enzimas y coenzimas que primero deben ser sintetizadas en las cantidades necesarias, para que la maquinaria bioquímica celular funcione de manera óptima. Se requiere tiempo para establecer ajustes en el medio físico que rodea a cada célula. Los

organismos presentan gran actividad metabólica, pero existe un retardo en la división celular. Al final de esta fase (lag) cada organismo se divide, y si bien, no todos los organismos completan de manera simultánea esta fase, se presenta un in­ cremento gradual en la población hasta el final del periodo, cuando todas las células son capaces de dividirse a intervalos regulares.

Fase logarítmica o exponencial Se conoce, también, como fase log. Durante este periodo las células se multiplican regularmente a ritmo constante si se grafica el logaritmo del número de células contra tiempo, da una línea recta con mucha tendencia a la verticalidad. En condiciones apropiadas durante esta fase el grado de desarrollo es máximo. La pobla­ ción de microorganismos es casi uniforme en composición química, actividad metabólica y otras características fisiológicas. El ritmo de reproducción regular y constante quiere decir que cada división sucesiva tarda el mismo tiem­ po que la división que la precedió. El tamaño de las bacterias se reduce considerablemente y alcanzan el tamaño típico de su especie, esto se explica porque la reproducción es tanta y tan rápida que el medio comienza a declinar nutricionalmente.

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Fase estacionaria

Después de varias horas de la terminación de la fase logarítmica, el desarrollo comienza a dismi­ nuir y vuelve gradualmente a presentar la línea recta horizontal que se observa en el gráfico. Esta tendencia al cese de desarrollo se atri­ buye a diferentes factores, principalmente al agotamiento de nutrientes del medio y a la pro­ ducción de sustancias tóxicas que se acumulan en el medio. Esto lleva a que se produzca un equilibrio entre el índice de supervivencia y mortalidad 0número de bacterias vivas = número de bacte­ rias muertas), esto conduce a que la población se mantenga constante por un tiempo porque cesa por completo la división celular. Fase de declinación, decadencia o muerte

Después del periodo estacionario las bacterias entran en una fase de decadencia y comienzan a morir más rápidamente que la producción de células nuevas, si acaso se producen algunas. Sin duda, una gran variedad de condiciones contribuyen a la muerte bacteriana, pero las más importantes son el agotamiento de las sus­ tancias nutritivas esenciales y la acumulación de productos inhibitorios, en especial ácidos. Durante la fase de muerte, el número de células viables desciende geométricamente (en forma exponencial), a la inversa de lo que sucede en la fase logarítmica. Las bacterias mueren en dife­ rentes periodos de igual manera que lo hacen al desarrollarse. Algunas especies de cocos Gram negativos mueren rápidamente, de tal manera que habrá muy pocas células viables en un cultivo prolongado de 72 horas y en ocasiones un poco menos. Otras especies mueren tan lentamente que pueden persistir células viables durante meses o años.

Periodo de transición entre las fa ses de desarrollo

Es de anotar que los cultivos avanzan de forma gradual de una fase de desarrollo a la siguiente. Esto significa que no todas las células están exactamente en condiciones fisiológicas idénti­ cas hacia el final de la fase de desarrollo dada. El periodo de tiempo que transcurre entre la terminación de una fase y el inicio de la otra, se conoce con el nombre de periodo de transición. En la figura 3.28 se representan estos periodos con las tres líneas perpendiculares que atraviesan la línea generada al graficar la curva de creci­ miento bacteriano.

Metabolismo bacteriano: sumario Para que una célula pueda vivir, crecer y reprodu­ cirse debe ser capaz de realizar un gran número de transformaciones químicas. Tiene que modificar las sustancias nutritivas del medio para que pue­ dan penetrar a su interior y, una vez incorporadas, realizar en ellas nuevas trasformaciones. Con al­ gunos de los materiales asimilados, debe sintetizar los componentes que forman la estructura celular y a otros someterlos a procesos de degradación que suministrarán la energía necesaria para realizar esas síntesis. Todas estas operaciones se cumplen gracias a las enzimas. El gran número de procesos organizados de actividades químicas que desarrolla la célula se denomina metabolismo y comprende fenómenos de dos tipos generales: 1. Catabolismo o desasimilación, es la degradación o desarticulación del sustrato. Se produce energía. 2. Anabolismo o asimilación, es la compo­ sición o síntesis de materiales por la célula. Se utiliza la energía. En el metabolismo se producen reacciones químicas que desde el punto de vista energéti­

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co se consideran exergónicas, productoras de energía, o endergónicas, que requieren energía. Dicho en otras palabras, en algunas reacciones se desprende energía, mientras que otras no se desarrollan si no se suministra un suplemento energético que incremente el contenido energé­ tico de las partes que reaccionan.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1.

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

17.

18. 19.

Defina los siguientes términos: coenzima, cofactor, apoenzima, grupo prostético, enzima y holoenzima. ¿Cuál es la relación entre vitaminas y coen­ zimas? Explique dos de las propiedades caracterís­ ticas de una enzima. ¿Por qué son importantes las vitaminas en la actividad celular? ¿Que se entiende por sistema enzimático? ¿Cuáles son las 6 clases principales de enzimas y sus reacciones catalíticas? ¿Qué es un sitio activo en una enzima? ¿Qué es un sitio alostérico en una enzima? Argumente acerca de los factores que afec­ tan la actividad de una enzima. Relacione la palabra fermentos con las enzimas. ¿Qué es un catalizador biológico? Expli­ que. Defina: exoenzima, endoenzima, enzima constitutiva, enzima inductiva. ¿Cuáles son las reacciones enzimáticas fundamentales? Defínalas. ¿Qué es una isoenzima? Explique el concepto activación del sustra­ to. Ejemplifique. Respecto a la inhibición de la acción en­ zimática, explique: inhibición reversible, inhibición irreversible e inhibición com­ petitiva y no competitiva. ¿Qué se entiende por metabolismo y en qué grupos se dividen las reacciones metabólicas? Explique. ¿Qué es una reacción energética? ¿Qué es una reacción biosintética?

20. ¿Qué es un nutriente? Dé ejemplos. 21. Explique la afirmación: “Las bacterias poseen poder de selección”. 22. Mencione las condiciones fisicoquímicas necesarias para el crecimiento bacteriano y explique cada una de ellas. 23. Por medio de un esquema explique la clasi­ ficación bacteriana respecto a la utilización o no del oxígeno. 24. Explique los tipos nutricionales bacterianos según la fuente de energía. 25. ¿Cuáles son los requerimientos nutriciona­ les más importantes para las bacterias? 26. Explique qué se entiende por medio de cultivo. 27. ¿Cómo se clasifican los medios de cultivo según su: consistencia, origen, composición y utilización? Dé varios ejemplos de cada uno de ellos. 28. ¿Cuáles son las fuentes de energía para todos los sistemas biológicos? 29. ¿A qué procesos se conocen con el nombre de oxidaciones biológicas? Explíquelos 30. Diferencie didácticamente entre las oxida­ ciones que utilizan el oxígeno molecular y las que no lo hacen. 31. ¿Qué es la glucólisis, con qué otros nombres se conoce, dónde se realiza, de qué tipo son las reacciones enzimáticas iniciales, cuál es el producto final de la glucólisis? 32. ¿Cuántos ATP totales y netos se producen en esta reacción y bajo qué condiciones físicas? 33. Defina claramente qué son bacterias heterofermentativas y homofermentativas. Dé ejemplos. 34. ¿Todas las bacterias utilizan la vía de la glucólisis? Justifique su respuesta. 35. Explique detenidamente el catabolismo de los carbohidratos. 36. Explique en forma clara y concisa el ciclo del ácido tricarboxüico. ¿Qué sucede con los pares de electrones liberados, cuántos ATP se producen? 37. Explique la secuencia de reacciones de óxido-reducción conocida como cadena de transporte electrónico.

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38. Explique el proceso del catabolismo de las proteínas. 39. Explique el proceso del catabolismo de los lípidos. 40. Realice un esquema que integre los proce­ sos metabólicos de carbohidratos, lípidos y proteínas.

41. ¿Cuáles son las principales formas de re­ producción bacteriana más comunes? 42. ¿Qué es tiempo de generación? ¿Cómo se pro­ duce el incremento poblacional bacteriano? 43. Explique el ciclo de desarrollo normal de los cultivos bacterianos. Mencione y defina todas sus etapas.

4

Genética bacteriana L a genética se compromete con el estudio de la variabilidad y la herencia de las caracterís­ ticas de un organismo, sea este eucariótico o procariótico. Las investigaciones sobre genética bacteriana han sido las contribuciones más alen­ tadoras aportadas a la biología, al final del siglo xx y lo que va de este, debido a que las leyes de la herencia se cumplen para todos los seres vivos de igual forma. Antes de estos adelantos, el único camino que existía para hacer análisis genéticos eran los experimentos en los que se utilizaban apareamiento de animales o plantas superiores. Actualmente, los experimentos del siglo pasado, han cedido el paso a las inves­ tigaciones genéticas con bacterias, debido a que aquellos experimentos tienen limitaciones insalvables como: la lentitud de la reproducción y el escaso número de individuos que resultan de cada apareamiento. Al establecer la similitud entre los sistemas genéticos de las bacterias y los de las formas superiores de vida se llegó al uso experimental de las bacterias, en particular, la bacteria Escherichia coli, para dilucidar los principios fundamen­ tales de la genética. Además, las bacterias poseen varios sistemas exclusivos de recombinación genética, que se tratarán más adelante. Por recombinación genética se entiende que las células descendientes pueden surgir con combinacio­ nes de genes diferentes de los de sus antecesores. Los microorganismos y en especial las bacterias se multiplican con gran rapidez; E. coli, en su etapa logarítmica de desarrollo, se duplica a intervalos aproximados de 20 min, lo cual resulta excelente porque se tiene una nueva

generación, con millones de individuos, cada

veinte minutos. Esto quiere decir, que después de 24 horas de incubación se obtendría una po­ blación compuesta por más de 2.000.000.000 de individuos por mililitro.

Ácido desoxirribonucleico (ADN) El ácido desoxirribonucleico o ADN, es la sus­ tancia química responsable de la transmisión de la información hereditaria. El ADN es el constituyente del cromosoma de las células bacterianas. En su estructura se codifica la in­ formación para la síntesis de todas las proteínas celulares. Discretos segmentos del ADN, o del cromosoma, son los denominados genes, que codifican cada una de las proteínas. Esta infor­ mación se transmite de célula a célula por causa de la replicación del ADN. El ADN es una molécula larga, parecida a una cuerda, compuesta usualmente por dos filamen­ tos, cada uno de ellos enroscado en tomo al otro formando una doble hélice. Cada filamento de la hélice de ADN está formado por nucleótidos unidos entre sí para formar una cadena que se llama polinucleótido. Cada nucleótido consta de tres partes: 1. Una base nitrogenada, puede ser una: Purina: adenina o guanina (A - G), o bien Pirimidina: citocina o timina (C - T), en el ADN y citocina o uracilo (C - U), en el ARN (véase figura 4.1). 2. Un azúcar con cinco carbonos (pentosa) llamado desoxirribosa. 3. Una molécula de fosfato (ácido fosfórico).

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Estas tres partes están unidas entre sí en el siguiente orden: base nitrogenada-desoxirribosafosfato véase figura 4.2.

Ácido ribonucleico Este ácido o ARN también está presente en la célula bacteriana, es semejante, pero no es igual, al ADN y actúa transmitiendo la información co­ dificada en el ADN para la síntesis de proteínas, por medio de la transcripción y la traducción del código genético.

Herencia de las características y la variabilidad Una característica de todas las formas de vida, desde el punto de vista de la genética, está dada por la estabilidad general o “semejanza" que se

produce entre las características de los padres y su descendencia. Es fácil observar, por ejemplo, en nuestra propia especie, que algunas familias tienen regularmente cabellos negros, ojos oscu­ ros, mientras que otras tienen cabellos rubios y ojos azules. De la misma manera, y a pesar de sus pequeñas dimensiones, las bacterias y otras célu­ las inferiores también transmiten características a su descendencia. El hecho mismo de poder identificar especies e incluso cepas bacterianas implica que estas son capaces de transmitir, con mucha precisión, la información genética de ge­ neración en generación. Sin embargo, además de la herencia de características, la cual explica la constancia que muestran las especies biológicas, existe una variabilidad o cambio, que se expresa en la descendencia. Estos cambios están asocia­ dos a dos propiedades fundamentales de la célula o del organismo: el genotipo y el fenotipo.

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1. Genotipo. Se refiere a la constitución ge­ nética precisa de una célula bacteriana o de un organismo superior. 2. Fenotipo. Es la expresión del genotipo, es decir, las características observables de una célula bacteriana o de un organismo superior. Las bacterias pueden experimentar cambios en cualquiera de las dos propiedades y ocurren fenómenos llamados variaciones o modificacio­

nes genotípicas ofenotípicas, según la propiedad que se vea afectada.

Variaciones fenotípicas o temporales (adaptaciones) Son modificaciones del fenotipo bacteriano, de­ bidas, generalmente, a cambios ambientales, en los cuales no se ve afectado el genoma, sobre el

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cual no hay repercusión alguna, o sea, que no se transmiten hereditariamente. Una característica destacada de este tipo de cambio fenotípico es que implica a la mayoría de las bacterias que están en el cultivo (prácticamente a toda la po­ blación bacteriana sometida a la modificación ambiental). Cuando se restablecen las condicio­ nes originales del cultivo, se produce un retorno al fenotipo inicial. Las variaciones fenotípicas pueden ser de distintos tipos: 1. Morfológicas. Se producen cambios de forma, tamaño, la pérdida de la cápsula, de los flagelos, del esporo, o de tinción como sucede con las bacterias Gram variables (se refiere a aquellas bacterias que cuando se realiza la coloración partiendo de un cultivo joven, su res­ puesta a la coloración de Gram es positiva; pero cuando se realiza la misma tinción y el cultivo ya está envejecido, su respuesta es negativa). Estos cambios se presentan cuando se modifica el pH, la temperatura, la presión osmótica o el contenido nutricional del medio, entre otros (véase figura 4.3). 2. Cromógenas. Algunas bacterias tienen la capacidad de producir pigmentos, que le imparten un color característico a sus colonias.

Estos pigmentos pueden desaparecer temporal­ mente al modificar las condiciones ambientales y recuperarse cuando las condiciones originales regresan. Ejemplo: la bacteria Serratia marcescens, produce colonias con un pigmento rojo ladrillo cuando se cultiva en agar nutritivo, a temperatura ambiente y en la oscuridad. Cuan­ do la temperatura se suministra por medios artificiales, como sucede en una incubadora, el pigmento de las colonias se pierde, pero se recupera cuando se cultiva nuevamente en las condiciones iniciales. 3. Enzimáticas. El ejemplo más contundente de este tipo de variaciones lo tenemos con las enzimas inductivas, es decir, las bacterias sólo producen estas enzimas si el medio en el cual se desarrollan induce su producción. Ejemplo: E. coli no produce la enzima p-galactosidasa, si en el medio de cultivo hay ausencia de lactosa, pero si el medio es enriquecido con este azúcar la bacteria produce normalmente esa enzima. Lo mismo sucede con la enzima penicilinasa que solamente se produce cuando en el medio está presente la penicilina. 4. De tinción. Esta variación se observa muy bien en las bacterias denominadas Gram varia-

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bles: las bacterias Gram positivas de un cultivo viejo pierden la capacidad de retener el colorante primario durante la decoloración con alcohol acetona en la coloración de Gram. Capacidad que se recupera cuando se repica el cultivo, es decir, cuando se vuelve a sembrar y se obtiene una población bacteriana joven.

Variaciones genotípicas o permanentes El genotipo de una célula bacteriana está deter­ minado por la información genética contenida en su cromosoma. El cromosoma se divide en genes. Un gen es la unidad funcional de la herencia. Cada gen consta de cientos de pares de nucleótidos. Cualquier gen tiene la posibilidad de mutar o de cambiar a una forma diferente y de esta manera propiciar la formación de una proteína alterada o nueva, que a su vez puede dañar las características de la célula, produciéndole a veces la muerte. Por ejemplo, la sustitución de un solo aminoácido, de los muchos que se encuentran en la cadena polipeptídica, puede hacer que la proteína no sea funcional. Este fenómeno se conoce como mutación que no es más que el cambio en la secuencia de nucleótidos de un gen que se transmite en forma hereditaria. Esto da origen a un nuevo rasgo genético, o a un fenotipo cambiado. Una bacteria o un organis­ mo que muestra los efectos de una mutación se considera muíante. Las mutaciones son acontecimientos raros que se producen al azar y surgen espontánea­ mente, sin tener en cuenta los requerimientos del ambiente. Las mutaciones bacterianas pueden ocurrir a un ritmo de solo una mutación por cada 1.000.000 de células, o bien, con una tasa de una mutación por cada 10.000.000.000 de células bacterianas. Este tipo de mutaciones se conoce como mutaciones espontáneas y pueden surgir como consecuencia de la acción de la radiación natural (como los rayos cósmicos), que alteran la estructura de las bases del ADN. Este tipo de mutaciones pueden presentarse durante la replicación del ADN, como resultado de errores en el

apareamiento de las bases que origina cambios en el ADN replicado (véase figura 4.4). Generalmente, los mutantes que hay en una población de células bacterianas están enmasca­ rados por el número mayor de células sin mutar. Tratar de aislar una célula mutante es algo así como el coloquial dicho “tratar de buscar una aguja en un pajar”. Sin embargo, la microbio­ logía genética ha desarrollado técnicas que fa­ cilitan el aislamiento de unos cuantos mutantes a partir de una gran población de bacterias no mutadas, a las que se les conoce con el nombre de cepa silvestre o protótrofa, es decir, que esta es la cepa progenitora que crece en un medio nutritivo completo, como el agar nutritivo. El aislamiento puede hacerse de varias formas; en una de ellas se incorpora un antibiótico al medio de cultivo, para seleccionar los mutantes resistentes a ese antibiótico, que crecen en el medio de cultivo. De cualquier forma, la cepa mutante es más exigente en los requerimientos nutricionales que la cepa progenitora y, por consiguiente, requiere de medios de cultivo más específicos, a esta población bacteriana se le llama cepa auxótrofa.

Una de las técnicas más utilizada para selec­ cionar una cepa mutante nutricional, se conoce como réplica en placa. La figura 4.5 ilustra un método experimental con el cual se lleva a cabo esta técnica. Como se anotó antes, las mutaciones espontá­ neas ocurren en condiciones normales de cultivo y existen varias situaciones en las cuales pueden ocurrir cambios en la secuencia de bases purinapirimidina del ADN. Estos cambios pueden suceder de la siguiente manera: 1. Sustitución. Se sustituye un nucleótido por otro. Este caso se puede presentar de dos formas: a. Sustitución por transición. Se presenta cuando se cambia una base purina (púrica) por otra purina o una pirimidina (pirimidínica) por otra pirimidina. b. Sustitución por transversión. Ocurre cuando se sustituye una base púrica por una pirimidínica o viceversa.

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2. Inserción o adición. Cuando se adicionan uno o varios nucleótidos adicionales a los ya existentes. 3. Deleción, supresión o pérdida. Se presenta cuando se pierden uno o más nucleótidos. A continuación se observa una representa­ ción esquemática que muestra, en una forma muy aproximada, lo que ocurre en el genoma bacteriano cuando se producen cambios en las bases del ADN, ocasionados por mutaciones. En el ejemplo, se toma un segmento de ADN normal donde se observa la secuencia de bases

en tres codones y sus respectivos aminoácidos, los cuales van a ser alterados por causa de ciertas mutaciones espontáneas (véase figura 4.6). Las mutaciones pueden ser catalogadas como mutaciones inducidas, cuando se aplica a una población bacteriana algún tipo de agente inductor de mutaciones, conocido como agente mutágeno o sustancia mutagénica.

Algunos de estos agentes mutágenos son: 1) agentes alquilantes, es decir, que introducen radicales metilo; 2) las acridinas, son sustan­ cias que actúan como agentes intercalantes, es

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Genética bacteriana

decir, que se insertan entre dos pares de bases dei ADN, separándolas entre sí; 3) los rayos X , que por su alto poder de penetración ionizan el agua y otras moléculas, entonces, los efectos mutagénicos se producen indirectamente por causa de esta ionización; 4) los peróxidos-, 5) el óxido nitroso (HNO,) y más sustancias como el gas mostaza, el cloruro de manganeso y la cafeína, entre otros. Las mutaciones espontáneas y las inducidas

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solo difieren en la frecuencia y no en la calidad. Los mutágenos más enérgicos son agentes quími­ cos que afectan la estructura del ADN. Como la especificidad del ADN depende del enlace purina-pirimidina y este ocurre por medio de las uniones de hidrógeno entre muy pocos átomos de cada molécula, todo agente que afecte esos átomos causa una mutación. El óxido nitroso- por ejemplo, puede eliminar grupos de aminoácidos de las purinas o pirimidinas.

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Tipos de mutantes bacterianos Entre los tipos de mutantes bacterianos están los siguientes: 1. Mutantes que exhiben una tolerancia aumentada a agentes inhibitorios en particular a antibióticos, por ejemplo, bacterias mutantes resistentes a antibióticos y otros agentes inhi­ bitorios. 2. Mutantes que demuestran una capacidad de fermentación alterada, bien sea aumentada o disminuida para la elaboración de un producto final. 3. Mutantes con deficiencias nutricionales que requieren para el desarrollo un medio más complejo que el cultivo original del cual se derivaron. 4. Mutantes que muestran cambios en lafo r­ ma de la colonia o en la capacidad de producir

rozigoto o merozoito, es decir, un zigoto diploide incompleto. Una vez que ha tenido lugar la formación del merozigoto, puede tener lugar la recombinación, que obviamente, se limita a la porción diploide del genoma y ocurre cuando se forma un nuevo cromosoma recombinante del ADN al que con­ tribuyen dos organismos diferentes. El mecanismo general para la recombinación bacteriana se cree que tiene lugar de la siguiente manera: dentro de la célula receptora, el frag­ mento de ADN de la donadora se coloca a lo largo del ADN de la receptora, de tal manera que queden adyacentes los genes homólogos. Ciertas enzimas actúan sobre el ADN de la receptora, produciendo cortes y la escisión de un fragmento. Luego, el ADN de la donadora queda integrado en el cromosoma receptor en el lugar del ADN previamente escindido. La célula

pigmentos.

receptora se convierte en la célula recombinante,

5. Mutantes que presentan cambios en la estruc­ tura química de la célula, por ejemplo, mutantes

porque su cromosoma contiene ADN tanto de la célula donadora como de la receptora. El trozo de ADN escindido del cromosoma receptor es, probablemente, degradado por enzimas específi­ cas. Este mecanismo general de recombinación, se ilustra en la figura 4.7. La transferencia del ADN de las células do­ nadoras a las células receptoras que dan origen a formas recombinadas, se produce por tres mecanismos distintos: conjugación bacteriana (apareamiento), transducción (infección por virus bacteriófagos), transformación (entrada de ADN soluble que se encuentra en el medio).

antigénicos. 6. Mutantes resistentes a la acción de los bacteriófagos (virus que infectan bacterias). 7. Mutantes que muestran algún cambio en los aspectos morfológicos, como pérdida de la capaci­ dad de producir esporas, cápsulas o flagelos.

Recombinación genética bacteriana Consiste en la formación de un nuevo genotipo por redistribución de los genes, después de un intercambio genético entre dos cromosomas diferentes que poseen genes similares en sitios que se corresponden. Estos cromosomas se de­ nominan cromosomas homólogos, por eso, este capítulo se centra en la recombinación general u homologa. La descendencia procedente de la recombi­ nación genética tiene combinaciones de genes diferentes a las combinaciones que presentan sus progenitores. En la recombinación bacte­ riana las células no se fusionan y usualmente solo una porción del cromosoma de la célula donadora es transferida a la célula receptora. Las células receptoras se convierten en un me-

Conjugación La conjugación constituye uno de los tres me­ canismos de transferencia de material genético de una bacteria a otra y depende del contacto célula-célula. El proceso va ligado a los factores F que tengan la capacidad de codificar los pili encargados del apareamiento sexual. El contacto directo que se produce entre las dos bacterias que realizarán la conjugación o apareamiento sexual se da por medio de un pili especializado, al cual, se le da el calificativo de sexual. El pili se proyecta desde la bacteria donadora o F+hasta

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la bacteria receptora o F~. Después de hacer el contacto el pili sexual se despolariza y se re­ trae y las dos bacterias se juntan, los contactos establecidos por el pili sexual se estabilizan (posiblemente por fusión de las membranas externas) para efectuar la transferencia del ADN de la bacteria donadora a la receptora. La conjugación bacteriana la demostraron por primera vez Lederberg y Tatum en 1946. Combi­ naron dos cepas mutantes (auxótrofas) diferentes de E. coli que carecían de la capacidad de sinteti­ zar uno o más factores de crecimiento y les dieron la oportunidad de aparearse. Luego, en una caja de Petri con un medio de cultivo mínimo sembraron

el cultivo mixto. En este medio solo podrían crecer las cepas del tipo silvestre o protótrofas. Cuando aparecieron colonias del tipo silvestre, supieron que estas colonias tenían que ser el resultado de una recombinación genética por conjugación entre cepas mutantes o auxótrofas. Después, en 1952, Hayes demostró por pri­ mera vez la diferenciación sexual de las bacterias en cepas de E. coli. Actualmente, se sabe que existen diferentes tipos de apareamientos y que no todos los pares son fértiles. Existen cuatro modelos de conjugación que, generalmente, se producen entre bacterias Gram negativas:

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Sistema F+ Las células donadoras contienen una pieza cir­ cular pequeña y extracromosomal de ADN, esa pieza se conoce con el nombre de plásmido, y se le ha llamado factor de fertilidad, factor sexo o factor F, y se simboliza como F +. Las células receptoras se simbolizan con F~ y están desprovistas del factor F. Se han hecho las siguientes observaciones: - Los cruces entre 2 cepas F“ son estériles. - Solamente el cruce F+ y F” produce recombinantes. Es posible, aunque excepcionalmente, y con una frecuencia sumamente baja, F + y F + logran realizar este cruce. - Las células bacterianas F” pueden conver­ tirse en F +, cuando se mezclan con estas últimas (véase figura 4.8).

mite una copia de su genoma empezando por el extremo opuesto al que se encuentra el factor F. Normalmente el factor F integrado al cromosoma o episoma no alcanza a pasar a la célula F“. Por este motivo, la célula receptora continúa siendo F", y aunque adquiere características genéticas de la célula donadora, no adquiere el factor F (véase figura 4.9). Por este método los principales recombinantes son: - Hfr x F“ = Hfr y F“ - Hfr x F = Hfr y Hfr. Este cruce podría ocurrir, pero casi nunca sucede. De estos plásmidos especiales o episomas se conocen una gran cantidad y toman diferentes nombres, algunos son: Factor Col o Colicin. Las bacterias que poseen este factor producen una proteína llamada colicina que destruye otras bacterias (véase tabla 4.1).

Sistema Hfr Tabla 4.1 Bacterias productoras de factor F

Si una célula bacteriana tiene el factor F in­ tegrado al cromosoma, ese factor se conoce como episoma, que no es más que un plásmido especializado y la bacteria se llama bacteria Hfr, es decir, que posee alta frecuencia de recombi­ nación, porque la recombinación es 10 veces mayor que lo sucedido entre F“ y F+. Durante la conjugación, la célula Hfr trans­

Bacteria

Factor F producido

Escherichia coli

Colicina

Pseudomonas aeruginosa

Piocina

Serratia marcescens

Marceína

Enterobacter aerogenes

Aerocina

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Factor R o factor RTF. Se conoce como fa c­ tor de transferencia de la resistencia y confiere a las bacterias que lo poseen resistencia a algunas drogas (principalmente a los antibióticos). Este factor solo codifica la resistencia a una droga específica. Sistema F ’ o F ducción o sex ducción. Al igual que en los casos anteriores la bacteria F ’ hace contacto con una bacteria F_ y le transfie­ re el plásmido que puede quedar autónomo o integrarse al ADN cromosómico de la bacteria

receptora (como sucede en el sistema Hfr). De esta forma, la bacteria receptora portará tres tipos de información genética: la propia u original, la que le imparte el plásmido o plasmídica y la procedente del ADN cromosómico de la bacteria donadora.

Transformación Este fenómeno, observado por primera vez por Griffith, en 1928, consiste en la capacidad de una

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bacteria de incorporar por adsorción, un fragmen­ to de ADN exógeno o exogenote, que puede ser cromosómico o plasmídico y por el mecanismo de adsorción, incorporarlo a su ADN cromosómico realizando una recombinación homologa. En el experimento realizado, Griffith tra­ bajó con 3 tipos de Streptococcus pneumoniae (neumococo): 1. Cepa II-S: lisos, cápsulados. Esta cepa la conformaban Pneumococcus capsulados con sus propiedades virulentas intactas. 2. Cepa II-R: rugosos, sin cápsula. Confor­ mada por Streptococcus pneumoniae que habían perdido la cápsula como consecuencia de una mutación inducida. 3. Cepa ¡II-S lisos, muertos por calor. Con­ formada por células de Streptococcus pneumo­ niae muertas por la acción del calor. Las figuras 4.10, 4.11, 4.12 y 4.13 muestran esquemáticamente una aproximación del expe­ rimento realizado por Griffith: Lo sucedido en el experimento anterior se demostró in vitro, en el ámbito del laboratorio como se representa en la figura 4.14. Actualmente se ha profundizado mucho en el fenómeno de la transformación y se ha confirma­ do que el ADN bicatenario libre en el ambiente (medio de cultivo donde estaba la mezcla de las cepas), procedente de células bacterianas lisadas,

es fragmentado por una serie de enzimas (tipo nucleasas) y a estos fragmentos se incorporan a unas proteínas de membrana. De esta manera alcanza el ADN cromosómico y se produce la recombinación homologa. Se ha demostrado que también son transfor­ mables otras características, aparte de la tipoespecificidad de los neumococos; entre estas la fermentación y la resistencia a los antibióticos.

Transducción Este fenómeno fue descubierto por Zinder y Lederberg en 1952 cuando estudiaban la conju­ gación bacteriana con especies de Salmonella. Consiste en la transferencia de una pieza de ADN de una bacteria a otra por medio de un bacterió­ fago (virus que infecta bacterias, conocido con el nombre de fago o virus bacteriano), que sirve como transmisor. La mayor parte de los bacteriófagos tienen un rápido ciclo de desarrollo dentro de la célula huésped, llamado ciclo lítico en el cual el ácido nucleico inyectado a la bacteria por el fago, se re­ plica rápidamente y dirige la síntesis de proteínas del nuevo fago. De 10 a 20 min, según la clase de fago, se produce el rompimiento o lisis de la bac­ teria liberando los fagos totalmente formados.

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Sin embargo, existen algunos bacteriófagos atenuados llamados fagos temperados que no tienen capacidad lítica, sino que se integran al cromosoma bacteriano comportándose como una especie de episoma. Estos genomas virales

que se integran al genoma bacteriano se conocen como profagos y las bacterias que portan los profagos se denominan bacterias lisogénicas. Como en este ciclo no hay lisis de la bacteria, el ciclo se denomina ciclo lisogénico. La bacteria

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se reproduce y su descendencia será portadora del profago. Normalmente solo es posible transportar un gen de una bacteria a otra por medio de fago temperado, excepcionalmente se puede dar el caso de transportar dos genes. Por acción de algún agente como la luz ultravioleta, el profago puede activarse y des­ prenderse del cromosoma convirtiéndose en un fago lítico. Por este proceso se transporta el factor penicilinasa, que es una enzima que hidroliza la penicilina y evita que el antibiótico produzca

la destrucción del cultivo. Se ha observado este fenómeno, principalmente, en cepas de Staphylo­ coccus (véase figura 4.15). Los fenómenos de transducción y conjuga­ ción son procesos pasivos, en cambio la trasformación es un proceso activo.

Genética bacteriana: sumario La genética es una disciplina dinámica y en rápido avance. Cientos de científicos de todo el mundo están dedicados a su estudio. La ingenie-

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ría genética, una nueva faceta de estos estudios genéticos, ofrece a la humanidad la promesa de logros beneficiosos y a la vez la posibilidad de desastrosas consecuencias. Se considera la posibilidad de dominar todas las enfermedades genéticas y el riesgo de cambiar un microbio común e inofensivo en una forma altamente patógena y resistente. Hace poco más de 100 años el botánico austríaco Gregorio Mendel emprendió el primer estudio serio de la genética (con los guisantes o fríjoles), y a partir de estos estudios desarrolló las leyes fundamentales de la herencia. Casi al mismo tiempo, el naturalista británico Carlos Darwin, presentaba su teoría de la evo­ lución. Esta teoría se basa en los principios de la selección natural y supervivencia de los más adaptados. Es obvio que en un ambiente cam­ biante en el transcurso del tiempo, solo aquellos

organismos que lograran adaptarse genética­ mente a estos cambios ambientales lograrían sobrevivir; por tanto, la capacidad de adquirir nuevos rasgos genéticos confiere una ventaja para la supervivencia, a tales organismos.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1. 2. 3. 4. 5. 6.

¿Qué es ADN y ARN? Explique. ¿Qué es una base nitrogenada? ¿Cuáles son las bases púricas y pirimídicas? Defina: nucleótido, nucleósido, genotipo y fenotipo. Defina: variaciones fenotípicas y genotípicas. Dé ejemplos concretos. ¿Para qué y cómo se realiza la técnica de réplica en placa?

Genética bacteriana / 115

7.

8.

Con relación a las mutaciones, explique las formas en que pueden presentarse cambios en la secuencia de bases púricas y pirimídicasdelADN. Mencione y defina los principales tipos de mutantes bacterianos.

9.

Explique claramente qué es la recombi­ nación bacteriana y cómo se produce este proceso. 10. Por medio de esquemas claros y precisos explique los tres procesos de recombinación bacteriana.

5

Inmunología básica E l objetivo de este capítulo es ofrecer una visión general de algunos de los fascinantes fenómenos inmunológicos, abordados de una forma sencilla para facilitar su entendimiento. Se describirán unos de los eventos más importantes y esenciales para la comprensión de ciertos te­ mas microbiológicos, en los cuales se menciona terminología de uso común en la descripción de procesos inmunitarios.

Reseña histórica Los cimientos de los fenómenos inmunológicos datan de épocas bastante remotas. Se ubican en observaciones antiguas registradas en diferentes culturas, en las cuales se mencionaba que los pacientes que sufrían una enfermedad infec­ ciosa, rara vez la contraían de nuevo. Pero la inmunología como ciencia tuvo su nacimiento hace relativamente poco tiempo. Algunos autores la remontan a Inglaterra, siglo x v i i i , en la época en que se presentó una epidemia recurrente de viruela. En ese tiempo una forma de evitar la viruela era la utilización de la “variolización”, práctica que, aunque había tenido sus orígenes en el Medio Oriente, era conocida por muchos ingleses de la época. Consistía en la inoculación de una pequeña cantidad de exudado extraído de las lesiones de viruela de un individuo afectado, en una incisión sobre la superficie de la piel, con el fin de producir la infección, pero de una for­ ma muy limitada. De esta manera, las personas se protegían de adquirir la enfermedad severa durante el periodo en que la epidemia asolaba la región. La viruela azolaba gran parte de las poblaciones del mundo, causaba muchísimas

muertes y dejaba cicatrices deformantes a quie­ nes lograban sobrevivir. De cualquier manera, el éxito de la “varioli­ zación” era muy limitado porque controlar en qué grado se produciría la infección era muy difícil, condición que permitía, con mucha frecuencia, que se contrajera la enfermedad severa. Aunque en la época aún no se conocían los microbios como agentes causales de infecciones, en Inglaterra ya era conocido el médico naturalis­ ta Edward Jenner, estudioso de las enfermedades infecciosas. A mediados del siglo xvm, se reconocía que las mujeres que ordeñaban las vacas no se contagiaban de viruela humana si ya se habían infectado con la viruela vacuna. Este tipo de viruela, propia de las vacas, causaba en las orde­ ñadoras ampollas en los brazos y manos (que no las afectaban mayormente), similares a las que desarrollaban las vacas enfermas en sus ubres. Era de conocimiento popular que cuando a una población la afectaba una epidemia de viruela, estas mujeres no sufrían la infección. Este hecho, motivó a Edward Jenner a estudiar el porqué de esa creencia y comprobar su veracidad. Un día de 1796, muy afortunado por cierto, la campesina Sarah Nelmes, a la cual él trataba, desarrolló la viruela vacuna por causa de su ofi­ cio de ordeñadora. Jenner aprovechó al máximo la oportunidad que se le presentaba y extrajo exudado de una de las pústulas de la mano de la campesina e inoculó a un niño saludable de ocho años llamado James Phipps. El médico realizó dos cortes superficiales de, aproximadamente, media pulgada en el brazo del niño, le aplicó el exudado y esperó 6 semanas. Al cabo de este

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tiempo inoculó al niño con un exudado activo de viruela humana y el niño no desarrolló la enfermedad. Repitió el experimento con otros pacientes y también expuso a varias personas que habían tenido la viruela vacuna, al virus de la viruela humana y tampoco se produjo la infección. Estos experimentos y observaciones le permitieron, a Jenner, concluir que el virus de la viruela vacuna protegía contra la viruela humana, y publicó en 1798 Investigación sobre las causas y efectos de la vacuna de la viruela.

Aunque, de por sí, Jenner no descubrió las vacunas, sí fue el primero en utilizar el método científico de observación y experimentación en la producción de vacunas. El experimento de Jenner no se comprendió sino muchos años más tarde cuando el francés Louis Pasteur comenzó a interesarse por la prevención de enfermedades infecciosas, convirtiéndose en el primer gran inmunólogo experimental. Uno de los experimentos más famosos de Pasteur lo realizó para descubrir la vacuna del cólera aviar, descrito con mucha claridad en el primer capítulo de esta obra. Este experimento y otros que le sucedieron, permitieron comprender el éxito original de los estudios de Jenner. Pas­ teur, en honor a Jenner, bautizó su tratamiento como vacunación, definiéndolo como un método para estimular la inmunidad a una enfermedad infecciosa mediante la inoculación de microor­ ganismos atenuados o de sus productos. Todo este relato permite comprender por qué la inmunología surgió como una subdisciplina de la bacteriología, la cual era una ciencia esta­ blecida. La palabra inmunología tiene sus raíces en el latín immunis que significa libre de algo, seguro, a salvo. Los animales, incluso el hombre, poseen unos mecanismos de defensa interna que los protegen contra organismos que causan enfer­ medades (los conocidos como patógenos), entre los cuales existen hongos, protozoos, bacterias, virus, entre otros. Para que un organismo tenga éxito en su defensa interna debe tener la capacidad de distin­ guir entre lo propio y lo extraño, reconocimiento que se logra porque los organismos son bio­

químicamente únicos. Por ejemplo, las células poseen macromoléculas de las células de otra especie e incluso de las células de las de otros miembros de la misma especie. Por tanto, un or­ ganismo “conoce” sus propias macromoléculas, pero “desconoce” o “reconoce” como extrañas las de otros organismos (véase figura 5.1). El carácter de “extraño” se alcanza en el momento del nacimiento cuando el sistema in­ mune reconoce sus propias sustancias. En el feto se inicia la formación del sistema linfoide y lo va reconociendo como propio, al nacer ya tiene la capacidad de identificar lo que no se formó con él como “extraño”. Esto pudo comprobarse científicamente cuando se realizó el siguiente experimento: se tomó una rata en gestación, marcada como cepa A, y al feto se le realizó un trasplante de tejido de cuello uterino, proveniente de otra rata marcada como cepa B y no ocurre rechazo. Al nacer el ratón de la cepa A, se le realiza un nuevo trasplante de la cepa B, el cual reconoció como propio por el sistema inmune del ratón recién nacido y, por tanto, no hubo rechazo. Posteriormente se le realizó otro trasplante, fue donadora una rata marcada como cepa C. El sis­ tema inmune del ratón recién nacido desconoce el tejido trasplantado y lo califica como extraño produciéndose el rechazo (véase figura 5.2).

Sistema inmunitario El sistema inmunitario tiene una serie de meca­ nismos organizados de forma tan eficaz que pu­ dieran perfectamente compararse con el sistema militar más exigente. Estos mecanismos no están alertas únicamente para un aviso de alarma mo­ mentáneo, sino que “continuamente patrullan” por todo el cuerpo en busca de enemigos extraños o propios y mantienen en guardia las diferentes líneas de defensa para un posible ataque. Al comparar el sistema inmunitario con lo que sucede en la sociedad humana se logra mejor entendimiento. Cualquier fuerza de seguridad buena, utiliza diversas estrategias para lograr una óptima vigilancia de su territorio y poder defenderlo exitosamente en caso necesario. De la misma forma, “la sociedad de células del cuerpo

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humano” utiliza muchos mecanismos o estrate­ gias de defensa para garantizar la integridad y supervivencia del individuo. Todos los mecanismos de defensa pueden agruparse en 2 categorías: la inmunidad inespecífica y la inmunidad específica.

De la gran variedad de mecanismos de defensa inespecíficos solo se relacionaran los principales, los otros pueden conocerse cuando se desee profundizar en los interesantes temas inmunológicos.

Resistencia de especie o genética Inmunidad inespecífica La inmunidad inespecífica incluye mecanismos que atacan a una serie de agentes o afecciones que pueden ser una amenaza para la superviven­ cia. Estos mecanismos se producen por “factores de resistencia” innatos. La primera línea de defensa frente a los agen­ tes patógenos la componen mecanismosfísicos y químicos que poseen las especies animales, in­ cluido el hombre, que actúan inespecíficamente para evitar ser invadidos por agentes patógenos y su consecuencia, es decir, la enfermedad. El término inespecífico significa que esos mecanis­ mos inmunitarios no actúan únicamente sobre uno o dos invasores determinados, sino que por el contrario ejercen un tipo de defensa más generalizado y actúan contra todo lo que no se logre reconocer como propio.

La resistencia de especie es un fenómeno en el cual las características genéticas comunes de una especie de organismo lo defienden contra ciertos agentes patógenos (causantes de enfermedad). Por ejemplo: el hombre no adquiere enfermeda­ des propias de otros organismos como las plantas y los animales, por consiguiente, el virus del moquillo canino solo produce la enfermedad en los cachorros de perro, porque el medio interno humano no es adecuado para que este virus lleve a cabo su ciclo de replicación. Esta resistencia varía según las especies, las razas o individuos. Otro ejemplo, los indios ame­ ricanos y los negros están más predispuestos a contraer tuberculosis que los caucásicos. Cuando se da el caso en gemelos homocigóticos, si uno de ellos contrae la tuberculosis, la posibilidad de que el otro también la contraiga es mayor

Inmunología básica / 119

120 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

que si el caso se hubiese producido en gemelos heterocigóticos.

Barreras mecánicas y químicas El medio interno del cuerpo humano se encuentra protegido por dos grandes superficies: la piel y las mucosas, denominadas con frecuencia por la mayoría de los autores como la primera línea de defensa. Las células de estas superficies están distribuidas en capas densamente agrupadas, femando una especie de “muro protector” del medio interno ante la invasión de agentes ex­ ternos. Además de este mecanismo la piel y las mucosas poseen otros adicionales como: 1. Cera. Se produce en los oídos, contiene agentes inhibidores de agentes patógenos. Si este mecanismo falla puede producirse diferentes tipos de otitis. 2. Moco. Sustancia que se convierte en una verdadera trampa de mucus para los agentes patógenos, pues estos pueden quedar adheridos y ser eliminados posteriormente. 3. Enzimas. Actúan sobre los componentes de los agentes patógenos y pueden hidrolizarlos causándoles la muerte. 4. Ácido clorhídrico. Puede actuar como mecanismo de barrera inespecífica en la mucosa gástrica.

Respuesta inflamatoria y fiebre En caso de que estos mecanismos de defensas químicos o mecánicos no consigan su objetivo y las bacterias u otros gérmenes logren pasar al medio interno, el cuerpo dispone de una segunda línea de defensa conocida como respuesta infla­ matoria y fiebre. Se trata de otro mecanismo de defensa inespecífico, en el cual la lesión de los tejidos desarrolla un sinnúmero de respuestas que contrarrestan la lesión y estimulan el retorno a la normalidad. La repuesta inflamatoria da lugar a la reac­ ciones: eritema, hinchazón (también se conoce como reacción roncha-eritema), dolor y calor, localizados en el lugar donde el hospedador tuvo contacto con los estímulos nocivos. Los

mediadores de la inflamación se incluyen en un grupo de proteínas denominadas citocinas o ci­ toquinas, producidas por los leucocitos o células blancas de la sangre. Además de la fiebre en la segunda línea de defensa (respuesta inflamatoria y fiebre), cumple una función muy importante la fagocitosis. Fiebre. El cuerpo humano es sorprendente­ mente constante en cuanto a su temperatura cor­ poral. En 24 horas puede fluctuar en un estrecho margen de 1 a 1,5 °C. La temperatura estándar normal se considera en 37 °C, pero puede variar entre individuos y oscilar de 36 a 38 °C. La tem­ peratura corporal también puede variar durante el sueño y estar 2 °C por debajo de lo normal. Otra variación puede darse durante el ejercicio intenso y estar 4 °C por encima de lo normal. La fiebre no es más que un aumento anormal de la temperatura corporal, causada por una enfermedad infecciosa o no infecciosa, pero la mayoría de las fiebres las causan enfermedades infecciosas, en las cuales los microorganismos patógenos producen ciertas sustancias endotóxicas llamadas pirógenos (productores de fiebre). Los pirógenos viajan por el torrente sanguíneo hasta el hipotálamo y elevan la temperatura corporal. La fiebre, al igual que la inflamación, son respuestas inespecíficas a estímulos nocivos causados por agentes patógenos. Estas dos res­ puestas del hospedador pueden lograr la rápida destrucción o al menos el aislamiento del agente patógeno, pero también pueden causar daño a los tejidos del hospedador. Fagocitosis. Otro fenómeno importante de la segunda línea de defensa del cuerpo es la fagocitosis, llevado a cabo por muchos tipos de células llamadas fagocitos, que capturan y destruyen a la mayoría de los agentes patógenos. El mecanismo de acción de estas células es el siguiente: cuando los fagocitos se acercan a una bacteria o cualquier otro microbio, emiten hacia él unas proyecciones citoplasmáticas llamadas seudópodos, que rodean al microbio, formando a su alrededor una especie de saco que lo engloba, que se denominafagosoma. El fagosoma se ubica en el interior de la célula donde un lisosoma se

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une a él, formando una nueva vesícula que se llama fago lisos orna. El contenido del lisosoma lo componen principalmente enzimas digestivas y peróxido de hidrógeno, que penetran en el fagosoma y destruyen al invasor. Existen diferentes tipos de fagocitos, como: 1. Neutróflo. Es un glóbulo blanco (leucoci­ to) especializado, también se denomina leucocito polimoifonuclear, generalmente es el primero de los fagocitos que llega al lugar de la lesión durante la respuesta inflamatoria. La abreviatura para estas células es: PMNs: polimorfonucleares. Son células muy móviles que contienen gran cantidad de lisosomas, predominan en el torrente sanguíneo y la médula ósea y pueden encontrarse en grandes cantidades cuando hay un foco in­ feccioso. Su vida es muy corta y los neutrófilos muertos tienden a “amontonarse” en ese lugar, constituyéndose en los principales componentes de la sustancia que se conoce como pus. 2. Macrófagos. También son leucocitos que después de llegar al torrente circulatorio se desa­ rrollan hasta alcanzar varias veces su tamaño ori­ ginal, convirtiéndose en células grandes capaces de destruir la mayoría de los agentes patógenos. Algunas veces se mencionan con nombres más específicos que indican su localización, por ejemplo: 1) histiocitos, en el tejido conjuntivo, 2) microglía, en el sistema nervioso y 3) células de Kupffer, en el hígado (véase figura 5.3). Infortunadamente, los fagocitos, al igual que otras defensas inespecíficas, no son totalmente efectivos y las infecciones pueden aparecer en

algún momento. Los principales factores deter­ minantes de la inefectividad de los fagocitos son: La edad y el estado nutricional. - Edad. Generalmente la mayoría de las en­ fermedades y, por supuesto, las de origen infec­ cioso suelen ser más graves en los extremos de la vida: la infancia y la senectud. En la infancia, se asocia a la desaparición de los anticuerpos matemos, la inmadurez del sistema inmunitario y a la pobre respuesta inflamatoria y fagocítica. En la senectud, se presentan alteraciones anatómicas que dificultan la eliminación de los agentes patógenos (bronquiectasias o adenoma de próstata), también, una disminución progre­ siva de la respuesta inmunitaria. - Estado nutricional. La desnutrición cau­ sada por una prolongada carencia de alimentos e inadecuada alimentación se asocia con mayor gravedad y frecuencia las enfermedades infec­ ciosas. Esta situación se presenta por disminu­ ción de la actividad fagocítica, leucopenia (dis­ minución de los leucocitos o glóbulos blancos), o la avitaminosis que conlleva a una falta de protección de las mucosas, entre otras. 3. Células asesinas naturales. Las células asesinas naturales están constituidas por un grupo nuevo de linfocitos que destruyen muchos tipos de células extrañas, principalmente las tumorales o infectadas por virus. Se les conoce con las letras mayúsculas NK, que vienen del inglés Natural Killer. No son células T ni B y después de la estimulación para su producción, su número no aumenta ni generan memoria inmunológica.

122 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Estas células acaban con la mayoría de ese pequeño y constante flujo de agentes patógenos que logran atravesar las barreras o defensas externas del cuerpo humano. Su mecanismo de acción, generalmente, consiste en causar lisis celular y ocasiona alteración de la membrana citoplasmática.

Interferón En la segunda línea de defensa también tienen gran importancia ciertas sustancias proteicas a las cuales se les dio el nombre de interferón. Los interferones son sintetizados por la mayoría de las células humanas como respuesta a una invasión por virus, parte de estas proteínas son liberadas a la circulación. Su nombre viene de la función que cumplen: interferir la capacidad viral para producir enfermedades. Son proteínas de bajo peso molecular (17.000 Dalton) que impiden la multiplicación de los virus al estimular la producción de proteínas antivirales.

Complemento Con este nombre se conoce a cada uno de los miembros de un grupo aproximado de 20 enzi­ mas plasmáticas inactivas, que llevan a cabo una función muy importante en la segunda línea de defensa. Las moléculas del sistema del comple­ mento se activan en una cascada de reacciones químicas desencadenadas por mecanismos de defensa específicos e inespecíficos, de una ma­ nera secuencial y ordenada, interactúando con las bacterias u otro tipo de material extraño y al final de la cascada del complemento, ocurre la lisis o pérdida de los componentes celulares, como resultado del daño a la membrana citoplas­ mática de la célula extraña que desencadenó la activación del complemento. El sistema del complemento se designa con la letra C mayúscula y consta de una serie de componentes proteicos mencionados con una C y un número, ejemplo: Cl, C2, C3, ... y así su­ cesivamente y solo se activa con los anticuerpos o inmunoglobulinas G y M (IgG e IgM).

Inmunidad específica A diferencia de la inmunidad inespecífica, los mecanismos inmunitarios específicos solo atacan agentes extraños específicos que el organismo ha reconocido como ajenos. Esta clase de inmunidad se considera como una tercera línea de defensa del organismo y está a cargo de un tipo de leucocitos llamados linfocitos. Los linfocitos se originan, como todas las células sanguíneas, de unas células madre hematopoyéticas (productoras de sangre) loca­ lizadas en la médula ósea roja del feto. Los linfocitos se diferencian en linfocitos B y linfocitos T también conocidos como células B y células T. La inmunidad específica se caracteriza porque posee tres propiedades: especificidad, memoria y tolerancia. 1. Especificidad. La respuesta específica

no se produce inmediatamente que sucede el contacto con el antígeno (Ag) o agente extraño capaz de estimular una respuesta inmunitaria, sino que tiene unos días de retraso. Pero cuando la respuesta ocurre solo se direcciona hacia los antígenos del agente patógeno. 2. Memoria. Cuando el sistema inmunitario ha producido una respuesta específica —anti­ cuerpo (Ac) específico— al estar en contacto por primera vez con un determinado antígeno, se produce un efecto llamado memoria inmunológica, es decir, que cuando el sistema inmunitario detecta por segunda vez el mismo antígeno produce grandes cantidades del mismo anticuerpo específico que reaccionan con ese agente patógeno y lo destruyen. 3. Tolerancia. Es la incapacidad del sistema inmunitario para organizar una respuesta inmu­ ne frente a determinados antígenos, porque las células del hospedador también son antígenos potenciales. Por causa de la tolerancia, la respuesta inmune del hospedador hace diferencia entre las molé­ culas extrañas no propias, y por consiguiente, potencialmente perjudiciales y las moléculas propias e inocuas del hospedador e interacciona adecuadamente con ellas.

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Linfocitos T Por definición los linfocitos T son células que han pasado por el timo (donde “aprenden” a diferenciar entre lo propio y lo extraño) antes de migrar al bazo, a los ganglios linfáticos y al hígado. Representan de 70 a 80% de los linfo­ citos circulantes. Las células T secretan esas sustancias llama­ das citocinas o citoquinas que actúan directa o indirectamente sobre los agentes patógenos y son la principal fuente productora de citocinas en el transcurso de la respuesta inmunitaria. La producción de citocinas no es exclusiva de los linfocitos T, existen otras células que también pueden hacerlo como los macrófagos, los mastocitos, los granulocitos, los fibroblastos y las células endoteliales. Algunas citocinas tienen nombres muy espe­ cíficos según la función que desempeñen: 1. Factor activador de macrófagos. Estimula los macrófagos para que destruyan los agentes extraños fagocitándolos velozmente. 2. Factor quimiotáctico. Atrae a los macrófa­ gos haciendo que cientos de ellos migren cerca de una célula T. 3. Factor inhibidor de la migración. Detiene la migración de los macrófagos. 4. Linfotoxina. Es una sustancia con gran poder tóxico que actúa de forma más directa, y elimina rápidamente las células que ataca. 5. Otras linfocinas. Se nombran como interleucina 1, interleucina 2, interleucina 3 e interleucina 4 , todas con funciones específicas (también se mencionan como interleuquinas 1, 2, 3y 4). Este tipo de inmunidad mediada por los lin­ focitos T se denomina inmunidad celular.

Linfocitos B Estas células representan de 5 a 15% de los lin­ focitos circulantes. El desarrollo de los linfocitos B se produce en 2 etapas o fases: Primera fase. En el pollo la primera fase se produce en un órgano llamado bolsa de Fabricio, por eso, se denominan células B. Como los mamíferos no poseen este órgano, otro u otros

órganos deben suplir esta ausencia y actuar como sitio para que se dé la primera fase de desarrollo de las células B. En los mamíferos la función linfopoyética es asumida por el tejido hematopoyético del hígado durante su estado fetal y posteriormente por la médula ósea, donde persiste por el resto de la vida. Segundafase. Esta etapa de desarrollo se pro­ duce cuando la célula B adquiere en su superficie un receptor específico para el antígeno llamado inmunoglobulina (Ig) o anticuerpo (Ac). La inmunidad mediada por linfocitos B se conoce como inmunidad humoral (véase figura 5.4). Tanto los linfocitos T como los B, se origi­ nan de las células madre de la médula ósea. El desarrollo de ambos se inicia por división de la célula madre que produce células, bien sea pre-T o pre-u, ü_gún el caso. Las células pre-B se desa­ rrollan en tejidos “equivalentes de la bolsa”, como el saco vitelino, el hígado fetal y la médula ósea. Las células pre-T migran al timo donde se desa­ rrollan. Ya desarrolladas y formadas las células B y T pasan al torrente sanguíneo y circulan hasta los ganglios linfáticos y el bazo. Entre los exponentes de la respuesta inmunita­ ria, los principales son los dos tipos de linfocitos mencionados como células B y células T, descritos en los párrafos anteriores (véase tabla 5.1). Estos dos tipos de células desempeñan funciones muy diferentes en la respuesta inmunitaria, pero en los dos casos el sistema inmunitario sigue tres pasos fundamentales: 1) reconocer al invasor; 2) lanzar un ataque, y 3) recordar al invasor para repeler invasiones futuras.

Antes de continuar con este tema, es impor­ tante enfatizar en los siguientes conceptos: 1. Antígeno (Ag). Moléculas grandes y com­ plejas (macromoléculas) de alto peso molecular, superior a las 100.000 UMA, potencialmente pa­ tógenas que inducen al sistema inmunitario a pro­ ducir cierto tipo de respuestas muy específicas. La mayoría de los antígenos son proteínas extrañas al organismo, es decir, extrañas a la especie. No necesariamente todos los antígenos deben ser proteínas, algunos pueden ser polisacáridos como la cápsula de las bacterias, los ácidos nucleicos y sustancias inertes, entre otras sustancias.

124 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

2. Determinantes antigénicos. Son pequeñas zonas ubicadas en la superficie de la molécula antigénica que pueden presentar formas variadas. Los determinantes antigénicos se conocen con un nombre más sencillo y menos largo: epítopo. Por ejemplo, si la molécula antigénica es una proteína, el epítopo está compuesto por una

secuencia de aminoácidos de estructura rígida que forman parte de una cadena de aminoácidos mucho más larga. La sucesión de aminoácidos de un epítopo determina su forma, y como la suce­ sión es diferente en los distintos antígenos, cada clase de estos puede tener epítopos específicos y de forma única.

Inmunología básica / 125

Tabla 5.1

Células comprometidas en la respuesta inmunitaria

Nombre de las células

Descripción

Macrófagos

Glóbulos blancos que engloban a los agentes extraños o patógenos y avisan a otras células inmunitarias que se ha presentado una invasión

Células asesinas

Glóbulos blancos que destruyen células del cuerpo que han sido infectadas o células cancerosas.

Células B

Linfocitos que producen anticuerpos (Ac) o inmunoglobulinas (Ig)

Células plasmáticas

Células descendientes de células B que secretan anticuerpos al torrente san­ guíneo

Células B de memoria

Células descendientes de células B que proveen una inmunidad futura contra invasiones causadas por el mismo antígeno (Ag)

Células T

Grupo de linfocitos que regulan la respuesta inmunitaria o destruyen (matan) a ciertos tipos de células

Células T citotóxicas

Células descendientes de células T que destruyen células que son un blanco específico, principalmente células eucarlóticas ajenas, células infectadas o células cancerosas del cuerpo

Células T auxiliares

Células descendientes de células T que inducen respuestas inmunitarias por parte de las células B y T citotóxicas

Células T supresoras

Células descendientes de células T que inhiben las respuestas inmunitarias de otros linfocitos cuando el invasor ha sido controlado

Células T de memoria

Células descendientes de células T que proveen una Inmunidad futura contra invasiones causadas por el mismo antígeno

3. Anticuerpo (Ac). Sustancias que carac­ terizan la respuesta inmunitaria humoral, des­ encadenada por los linfocitos B. Su principal característica es la capacidad de reaccionar con los antígenos que indujeron su producción. El término más aceptado y de uso más general para referirse a los anticuerpos es inmunoglobulina (Ig). 4. Clon. Se refiere a una familia de células en la que todas descienden de una misma célula. 5. Complemento. Se refiere a un grupo de proteínas plasmáticas que, cuando se activan, actúan juntas para destruir células extrañas. 6. Hapteno. Es una molécula que no produce una respuesta inmune por sí misma, pero que puede reaccionar con un anticuerpo específico. 7. Toxoide. Es el equivalente a ciertas toxinas que por acción de un agente físico, como el calor, o un agente químico, han perdido su efecto tóxico, pero no su capacidad antigénica, es decir, continúan siendo antígenos.

8. Punto de combinación. Lo determinan pequeñas regiones de forma cóncava ubicadas en la superficie de la molécula del anticuerpo. Estos puntos de combinación de los anticuerpos tienen una forma tal que permiten que los epítopos antigénicos encajen perfectamente en ellos quedando unidos el antígeno y el anticuerpo. A esta unión se le llama complejo antígeno-anticuerpo. Como los puntos de unión reciben y fijan antígenos, también se les denomina receptores antigénicos y puntos o sitios fijadores de antígenos.

Clases de antígenos Los antígenos pueden ser de diversas clases entre ellas tenemos: 1. Antígeno viral. Los virus son excelentes antígenos porque la cápside y el ácido nucleico son buenos antígenos individualmente y, por consiguiente, la nucleocápside también lo es.

126 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

2. Antígeno fúngico. Las partes que constitu­ yen los hongos son buenos antígenos: la pared, las hifas, las toxinas, entre otros. 3. Xenoantígeno. Esta clase de antígenos procede de especies diferentes, es decir, son xenogénicos. Ejemplo: los antígenos de las bacterias, de los hongos o de los animales son xenoantígenos para el hombre. 4. Aloantígeno. Proceden de individuos de la misma especie, pero de diferente constituci ón genética, es decir, son alogénicos. Por ejemplo, los antígenos eritrocitarios responsables de los grupos sanguíneos A, B, O y Rh; los antígenos de histocompatibilidad responsables del rechazo de trasplantes. 5. Autoantígeno. Son sustancias del propio organismo que no son reconocidas como propias y, por tanto, el sistema inmunitario, de ese orga­ nismo, responde contra ellas. 6. Toxoide. Como ya se mencionó, es una sustancia que por acción del calor o productos químicos ha perdido su virulencia, pero conserva su propiedad antigénica intacta. 7. A ntígeno bacteriano. Se presentan varios tipos de antígenos bacterianos, entre ellos: 1) antígeno K (Vi), se encuentra en la cápsula de las bacterias que la poseen; 2) antígeno H, está en los flagelos de las bacterias

que poseen estos apéndices; 3) antígeno O, se consideran antígenos somáticos: la pared, la membrana citoplasmática, ácidos nucleicos y demás estructuras internas de la bacteria; 4) an­ tígeno secretado, constituido principalmente por exotoxinas y exoenzimas (véase figura 5.5).

Anticuerpos Todos los anticuerpos comparten el mismo pa­ trón estructural, son proteínas producidas por las células B como respuesta inmunitaria al estímulo causado por un antígeno y poseen características fisicoquímicas muy similares. A estas proteínas o anticuerpos se les conoce como inmunoglobulinas, se las identifica con la sigla Ig y, como todas las proteínas, son moléculas muy grandes formadas por largas cadenas de aminoácidos o polipéptidos. Se encuentran presentes en el suero y en otros líquidos corporales como las secreciones gástricas, la leche materna, la saliva, entre otras. Cada molécula de inmunoglobulina la forman cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas pesa­ das o H (heavy) y dos cadenas livianas o ligeras o L (,light). Estas cadenas se unen entre sí por puentes disulfuro, de tal manera que la molécula de inmunoglobulina en conjunto tiene la forma de la letra Y. Las dos cadenas pesadas están unidas

Inmunología básica

una a la otra por un número variable de puentes de azufre (2 a 15) y cada cadena pesada se une a una cadena ligera, también, por puentes disulfuro. Cada molécula pesada tiene 446 aminoáci­ dos, es decir, que son más largas y pesan aproxi­ madamente el doble de las cadenas livianas. Las cadenas pesadas y livianas poseen unas regiones variables, mencionadas con las letras VH para las cadenas pesadas y VL para las li­ geras, esto quiere decir, que son regiones en las cuales las secuencias de aminoácidos varían en las diferentes moléculas de anticuerpos y son las responsables de la especificidad. Las cadenas pesadas y livianas poseen, además de las regiones variables, unas regiones constantes, también nombradas con dos letras CH, para las pesadas y CL, para las ligeras, formadas por 106 aminoácidos cuya secuencia es exactamente igual en todas las moléculas de inmunoglobulinas. Las cadenas pesadas tienen tres regiones constantes y las livianas solo una. Las cadenas pesadas se unen entre sí por los enlaces disulfuro que, a su vez, se unen a las cade­ nas livianas adyacentes por los mismos enlaces. Los extremos externos, formados por la cade­ na pesada y la liviana, poseen un grupo conocido como amino terminal (-N) y es precisamente aquí donde se encuentra el sitio de unión del antígeno. El extremo contrario, formado por las dos cadenas pesadas, posee un grupo llamado carboxilo terminal (C-). En 1959, R. Porter demostró que al tratar una molécula de inmunoglobulina (el estudio lo realizó con la IgG) con una proteasa como la enzima papaína o la pepsina, en presencia de cisterna, la molécula se partía en dos fracciones importantes: 1. Fracción Fab. En esta se determinaron dos sitios de unión antigénica. Ubicados en los extremos de cada par de regiones variables o ab, esta sigla se refiere a las iniciales en inglés de la expresión unión con el antígeno antigen binding fragment. 2. Fracción C o Fe. En el experimento esta

fracción no se unía con el antígeno, pero se cris­ talizaba fácilmente. La C se refiere a cristalizable: crystallizable fragment (véase figura 5.6).

/ 127

Clases de anticuerpos o inmunoglobulinas En la mayoría de los mamíferos superiores existen cinco tipos diferentes de inmunoglobulinas tam­ bién denominados isotipos: IgG, IgA, IgM, IgD e IgE. Actualmente se han descrito dos subclases de IgA: IgAl, IgA2 y cuatro subclases de IgG: IgGl, IgG2, IgG3, IgG4 (Véase Tabla 5.2). El nombre de la inmunoglobulina lo da la es­ tructura primaria o secuencia de aminoácidos de las cadenas pesadas (isotipo de cadena pesada) y se nombran por las letras derivadas del griego, así. Gamma = y 1- IgG 2. IgA Alfa =a 3. IgM Mu - p Delta - 5 4. IgD 5. IgE Epsilon = s Existen, además, dos tipos de cadenas li­ vianas nombradas también por letra griegas k (kappa) y X (lambda). Una molécula de inmunoglobulina solo puede tener un tipo de cadena liviana, o bien k, o bien X, pero en el suero humano normal pueden haber moléculas de, por ejemplo IgG, que tengan cade­ nas livianas k y otras con cadenas livianas X. Como el nombre de la inmunoglobulina lo da la secuencia de aminoácidos de la cadena pesada, para el caso que describimos, el nombre sería y, es decir, IgG. Por ejemplo: la fórmula estructural de la IgG, se representa de la siguiente forma: 1. y2K2 si la molécula posee cadenas livianas k. 2. y2X2 si la molécula posee cadenas livianas X (véase figura 5.7). Inm unoglobulina G

La inmunoglobulina G o IgG constituye de 70 a 75% de todos los anticuerpos circulantes y pre­ domina en la segunda respuesta de anticuerpos, es decir, que esta es la respuesta que sigue a con­ tactos posteriores con un antígeno determinado, corresponde a la segunda línea de defensa. Esta inmunoglobulina defiende al organismo contra muchos patógenos que podrían ser transpor­ tados por la sangre, como: bacterias, virus y algunos

128 / Microbiología básica para

Tabla 5.2

el área de la salud y afines

Clases de inmunoglobulinas humanas (Ac) y sus propiedades

ig

Concentración sérica (mg/ml)

IgG (y)

13,85

2

Es principal anticuerpo (Ac) circulante y se une al com­ plemento

Fluido extra-celular, sangre y linfa y atraviesa la placenta

IgA (a)

Sérica 3,5

2

Es un importante anticuerpo circulante

En el suero

Propiedades

Sitios de unión al antígeno

Distribución

(en forma de monómero)

Secretora 0,05

4

Es el principal anticuerpo presente en las secreciones

En las secreciones (en for­ ma de dímero)

IgM (M)

1,5

10

Es el primer anticuerpo posinmunización y tiene fuerte unión al complemento

Sangre, linfa y superficie de los linfocitos B

IgE (s)

0,00005

2

Participa en las reacciones alérgicas, porque presenta un fragmento (CH4) que es capaz de unirse a las células cebadas o mastocitos

Solamente en sangre y linfa

IgD (5)

0,03

2

Es el anticuerpo circulante que se encuentra en menor cantidad

Sangre, linfa y superficie de los linfocitos B

hongos y toxinas. También, tiene la capacidad de atravesar la placenta, pasando de la sangre de la madre al feto. Esta acción se facilita porque son moléculas de un único monómero, formadas por una sola unidad básica de anticuerpo, relativamente pequeña, que se encargan de la protección del recién nacido cuando entra en contacto con sustancias extrañas. Esta protección es de mucha importancia porque el niño nace con altos niveles de IgG ma­ terna, que lo protegerán (como inmunidad pasiva) durante los primeros meses de vida, mientras comienza su producción regular de anticuerpos, que solo se inicia después del nacimiento. Otras funciones son estimular macrófagos y activar el sistema de complemento (véase figura 5.8).

el primer anticuerpo producido por el neonato y el anticueipo predominante en la respuesta inmune primaria. Es una inmunoglobulina de muy alto peso molecular porque cada molécula de IgM la forman cinco unidades básicas de anticuerpos en forma de Y, unidas por puentes disulfuro. Las mo­ léculas se encuentran asociadas con un polipéptido conocido como cadena J o joining Caín. La inmunoglobulina la sintetizan las células B inmaduras y es el anticuerpo predominante tras el contacto inicial con un antígeno, primera línea de defensa. Igual que la IgG, la IgM puede neutralizar cuerpos extraños (antígenos) como bacterias, virus y hongos. Por sus numerosos puntos de unión puede aglutinar células, también estimula macrófagos y ac­ tiva el sistema de complemento (véase figura 5.9).

Inm unoglobulina M Inm unoglobulina A

La inmunoglobulina M o IgM representa el 10% de las inmunoglobulinas totales y es la primera inmu­ noglobulina que aparece en la respuesta inmune,

Las moléculas de inmunoglobulina A o IgA pueden presentarse como monómeros y como

Inmunología básica / 129

polímeros. Esta inmunoglobulina la forman dos unidades básicas de anticuerpos unidas por una cadena proteica que se conoce como cadena J y un componente secretor, SC. Es el principal anticuerpo presente en las mucosas del organismo (secreciones seromucosas del tracto respiratorio y genitourinario), en la saliva, las lágrimas, el moco, secreciones gastrointestina­ les, traqueobronquiales y en la leche materna, la mayor cantidad de este anticuerpo se encuentra en la leche calostro. La IgA impide el ataque de las superficies epiteliales por virus y bacterias.

Defiende contra los patógenos inhalados o ingeridos. Se localiza estratégicamente en las vías respiratorias, tubo digestivo, vías urina­ rias, conducto reproductivo y surco gingival. Cuando se presenta con dos unidades básicas de anticuerpos se denomina inmunoglobulina A secretora (IgAS) y las cadenas livianas de ambos monómeros son del mismo tipo k o X, pero no un monómero k y el otro X. Cuando aparece como monómero se conoce como in­ munoglobulina A sérica y se encuentra en el suero normal (véase figura 5.10).

130 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

In m u n o g lo b u lin a E La inmunoglobulina E o IgE está compuesta forma una sola unidad básica de anticueipo y, a diferencia de las otras moléculas de inm u­ noglobulina, sus cadenas pesadas están unidas por dos enlaces disulfuro y un puente disulfuro une las cadenas pesadas y livianas entre sí. Se encuentra en muy baja concentración en

el suero y su vida media es aproximadamente de dos a tres días, es importante porque puede producir interesantes efectos nocivos, como los relacionados con las reacciones alérgicas. Los antígenos que la estimulan se llaman alergenos (véase figura 5.11). Aunque el suero contiene

Inmunología básica / 131

cantidades bajas de IgE, se encuentran en la superficie de los basófilos y de los mastocitos de todos los individuos y también sensibiliza a algunas mucosas como la nasal, bronquial y conjuntival. Algunos reportes indican que esta Ig desempeña algún papel defensivo contra los parásitos helmintos, pero la mayoría de los científicos inmunólogos la relacionan con las enfermedades alérgicas, como el asma o la fiebre del heno. Hasta hace poco, se pensaba que el receptor de alta afinidad para la IgE se ubicaba exclusivamente en los mastocitos y basófilos, pero investigaciones recientes publicaron que las células de Langerhans (islotes pancreáticos de Langerhans) y las células madre podrían poseer también ese receptor. Inmunoglobulina D La molécula de inmunoglobulina D o IgD también esta compuesta una sola unidad básica de anticuerpo. Se encuentra-en cantidades muy pequeñas en la sangre, aproximadamente en 1%, aún se ignora su función biológica exacta, sin embargo, se reporta gran actividad de este anticuerpo cuando se presentan deficiencias de insulina y también cuando se presentan reaccio­ nes alérgicas ocasionadas por la penicilina. Cuando realizaban estudios de una proteína poco común que se encontraba asociada con el mieloma humano, (tumor en la médula ósea), se produjo el descubrimiento de la IgD. Debido a su baja concentración en el suero normal los estudios no han aportado resultados exitosos, por tanto, su función en el conjunto de la respuesta inmune es poco conocida (véanse figuras 5.12 y 5.13).

Reacciones antígeno-anticuerpo Los anticuerpos luchan para que permanezcamos saludables, para que no nos enfermemos, recono­ ciendo las sustancias extrañas o anormales. El tipo de inmunidad mediada por anticuer­ pos se conoce como inmunidad humoral porque se produce en el plasma, que es uno de los hu­ mores o líquidos del cuerpo. Cuando el antígeno se une con el anticuerpo se forma un complejo

132/ Microbiología básica para el área de la salud y afines

Inmunología básica / 133

llamado antígeno-anticuerpo que puede reaccio­ nar en formas diferentes. La forma más fácil de estudiar las reacciones antígeno-anticuerpo es in vitro, utilizando preparaciones de antígenos y an­ tisueros. Este estudio se llama serología y es de especial importancia en la microbiología clínica diagnóstica. Pueden observarse diferentes tipos de reacciones antígeno-anticuerpo, pero solo se mencionan algunas (véase figura 5.14).

Aglutinación En la reacción de aglutinación los anticuerpos capturan antígenos particulados o celulares como virus, bacterias, esporos, eritrocitos, etc., hacen que se adhieran entre sí y forman racimos, lo que permite que los macrófagos y otros fagocitos los eliminen con mayor rapidez, al ingerir y digerir, y dirigen muchos antígenos de una sola vez. La aglutinación o aglomeración al formar agregados

o racimos mayores puede visibilizarse a simple vista. Esta reacción se utiliza eventualmente para la determinación del grupo sanguíneo, para la identificación de especies bacterianas y de an­ ticuerpos contra algunas proteínas bacterianas, como la proteína de la tuberculosis, entre otras pruebas de identificación (véase figura 5.15).

Precipitación Otra reacción antígeno-anticuerpo donde, a diferencia de la anterior, el antígeno es soluble, por ejemplo, venenos, enzimas, sueros, entre otros. Esta reacción experimentalmente se pue­ de realizar una prueba inmunológica llamada inmunodifusión en gel. Se toma una placa con el gel, al cual, se le realizan dos orificios, uno para los antígenos y otro para los anticuerpos. Los líquidos depositados en los orificios comienzan a difundirse en el gel y cuando se encuentran

134 / M icrobiología básica para

el área de la salud y afines

forman una banda visible, la cual indica que los anticuerpos eran específicos para esos antíge­ nos, por lo tanto, la reacción es positiva (véase figura 5 16). Otra variación para observar los resultados de la precipitación en gel es la difusión doble en dos dimensiones. Los resultados se interpretan en la figura 5.17. Una diferencia para tener en cuenta entre las reacciones de aglutinación y de precipitación es que el antígeno en la aglutinación es insoluble, antígeno particulado.

Neutralización En la reacción de neutralización, las toxinas bac­ terianas o exotoxinas son neutralizadas por an­ ticuerpos específicos. Esto se produce cuando las moléculas de toxina y las moléculas de anticuerpos respectivas se combinan, de tal manera, que la porción activa de la molécula de

Inmunología básica / 135

toxina, que es la responsable del daño celular, queda bloqueada. Otras reacciones de naturaleza similar ocu­ rren cuando, por ejemplo, anticuerpos específi­ cos neutralizan la acción de los virus. La cápside viral es un antígeno que estimula el sistema inmunitario y produce anticueipos específicos contra las proteínas de la cápside; al neutralizarse la cápside, el virus no puede realizar el primer paso de la replicación viral, o sea, la adsorción a la célula (véase figura 5.18).

Tipos de inmunidad específica Existen dos grandes tipos de inmunidad especí­ fica: heredada y adquirida. La inmunidad heredada. Se produce cuando la inmunidad a ciertas enfermedades se desa­ rrolla por procedimientos genéticos antes del nacimiento. Esta inmunidad también se conoce como inmunidad innata. La inmunidad adquirida. Es la que se con­ sigue después del nacimiento y se divide en: inmunidad natural e inmunidad artificial y a su vez cada una puede ser activa o pasiva. 1. Inmunidad adquirida natural activa. Se

consigue cuando la persona adquiere una en­ fermedad que le proporciona inmunidad, por ejemplo: sarampión, viruela, etc. 2. Inmunidad adquirida natural pasiva. Se produce cuando se adquieren anticuerpos en for­ ma natural, ejemplo: el feto recibe protección de la madre cuando la inmunoglobulina G atraviesa la placenta y el lactante la recibe cuando la madre le proporciona inmunoglobulina A secretora por medio de su leche. 3. Inmunidad adquirida artificial activa. Este tipo de inmunidad lo proporcionan las vacunas que se aplican a las personas para evitar que contraigan una enfermedad específica. 4. Inmunidad adquirida artificial pasiva. Se consigue cuando a un organismo se le proporcio­ nan anticuerpos prefabricados en un organismo diferente, por ejemplo: suero antiofídico, gammaglobulina prefabricada (véase figura 5.19).

Conceptos básicos de inmunología: sumario Son tantos los factores que pueden producir enfermedades, que si un organismo no tuviera una “fuerza de seguridad eficaz” que lo defen-

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diera de esos peligrosos factores, difícilmente sobrepasaría los primeros días de nacido, porque los miles de microorganismos patógenos como protozoos, hongos, bacterias, virus, etc., son tan omnipresentes y potencialmente letales, que con facilidad lograrían causarle la muerte. Pero estos no son los únicos enemigos, también se encuentran en el interior del organismo en for­ ma de células anormales de formas irregulares que aparecen continuamente. Si estas células lograran sobrevivir, su reproducción anormal podría originar la aparición de tumores, que por sí mismos pueden amenazar la vida, además de tener la posibilidad de volverse cancerosos y difundirse, es decir, hacer metástasis a diferentes puntos del cuerpo. En este capítulo se mencionan los conceptos

básicos necesarios para comprender los fenó­ menos que utiliza el sistema que proporciona defensas contra los enemigos internos e internos: el sistema inmunitario.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1.

2. 3. 4.

Explique en qué consiste la capacidad que posee un organismo de distinguir entre lo propio y lo extraño. ¿En qué momento se da el carácter de ex­ traño? Explique. ¿Qué se entiende por sistema inmune? Explique con detalle en qué consisten los mecanismos de defensa conocidos como inmunidad inespecífica.

inmunología básica

5. 6.

¿Qué es resistencia de especie o genética? ¿En qué consiste la primera línea de defensa de un organismo? Dé ejemplos y explíquelos claramente. 7. ¿Qué es la segunda línea de defensa y con qué otro nombre se conoce? 8. Describa el proceso de la fagocitosis. ¿A qué línea de defensa pertenece? 9. ¿Cuáles son los diferentes tipos de fagoci­ tos? Describa la importancia de cada uno de ellos. 10. Defina y explique la importancia de los siguientes términos. - Células asesinas naturales - Interferón - Complemento - Linfocinas - Macrófagos - Células B

/ 137

- Células plasmáticas - Células B de memoria - Células T - Células T citotóxicas - Células T auxiliares - Células B supresoras - Células T de memoria 11. Explique con detalle los m ecanismos inmunitarios conocidos como defensa es­ pecífica. 12. Defina la tercera línea de defensa. Explique qué son los linfocitos T y B, detalle su im­ portancia, origen y funciones. 13. Defina ampliamente la siguiente termino­ logía. - Antígeno - Determinante antigénico - Anticuerpo - Clon

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13. 14. 16.

17.

18.

- Complemento - Hapteno - Toxoide - Punto de combinación ¿Cuáles son las diferentes clases de antíge­ nos? En un esquema, ubique los antígenos bac­ terianos K (Vi), H y O. Haga el esquema general de una inmunoglobulina, coloque cada una de las partes que la conforman y explíquelas. Mencione las clases de anticuerpos co­ nocidos, esquematícelos y describa con amplitud cada uno de ellos. Escriba la fórmula estructural de cada Ig y

19.

20. 21.

22.

explique qué representan las letras griegas que aparecen en ella. De las reacciones antígeno-anticuerpo, explique. - Aglutinación - Precipitación - Neutralización ¿En qué consiste la difusión en gel? Expli­ que. Esquematice e interprete los posibles resul­ tados al realizar pruebas de inmunodifusión dobles en dos dimensiones. Construya un cuadro sinóptico e incluya en él los diferentes tipos de inmunidad. Expli­ que cada concepto incluido en el cuadro.

6

Virus L o s virus conforman un inmenso y heterogé­ neo grupo de agentes infecciosos de estructura subcelular, que se comportan como parásitos intracelulares obligados de las células de los hospederos que ellos mismos han seleccionado. Se caracterizan por ser partículas infecciosas diminutas, de estructura elemental y tener un mecanismo de replicación, en el cual el ácido nucleico o material genético del virus da la in­ formación necesaria para programar a la célula hospedera y hacerla sintetizar macromoléculas específicas. Los virus son referidos y descritos como elementos proteicos y genéticos que infectan una célula, la invaden y se replican a expensas de ella. A la célula infectada se le denomina célula hospedadora u hospedera. Sin embargo, es difícil delimitar exactamente el concepto de virus si se tiene en cuenta que en la actualidad se han identificado agentes aún más pequeños y elementales, los cuales se denominan viroides y priones. Viroides. Son agentes que se caracterizan por estar constituidos exclusivamente por una molécula de ARN monocatenario, circular, de bajo peso molecular y porque son capaces de producir enfermedades en plantas como el coco y los cí­ tricos, entre otros y causan daños a las cosechas. Estas moléculas infecciosas o viroides hacen parte de los patógenos más pequeños reportados a la fecha. La forma extracelular de un viroide es el ARN desnudo, es decir, que no tienen una estructura de protección. Priones. Son moléculas de proteína infeccio­ sas de bajo peso molecular codificadas por genes de células humanas o de animales sanos, que al

sufrir la alteración de algún codón originarían proteínas insolubles, las cuales al acumularse en agregados intracelulares acelerarían el curso de enfermedades que normalmente tienen un largo periodo de incubación. Por sus caracte­ rísticas submicroscópicas, su estudio se asimila a la virología, aunque, en realidad, poco tienen ver con los virus. Los priones tienen una forma extracelular distintiva que parece exclusivamen­ te proteica. En apariencia no contienen ácido nucleico, sin embargo, la proteína del prión es infecciosa y causa diversas enfermedades en los animales, principalmente, y en algunos casos en el hombre. De las enfermedades más conocidas causadas por priones están el prurito lumbar de las ovejas y cabras conocido como scrapie; la encefalopatía espongiforme del ganado vacuno o BSE se conoce vulgarmente como enfermedad de las vacas locas, el Kuru y la enfermedad de Creutzelt-Jakob o CDJ, en el hombre (todas estas enfermedades producen una degeneración espongiforme característica de la sustancia gris de la médula espinal). Tal vez, la definición más aceptada de viras es la propuesta por el investigador Luria, en 1967, quien los define: son entidades cuyos genomas son elementos de ácido nucleico que se replican en el interior de células vivas utilizando la maquinaria en­ zimática celular y dando lugar a la síntesis de elementos especializados que pueden transferir el genoma viral a otras células. Los virus se replican en las células que cons­ tituyen las plantas, los animales, el hombre y en

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los microorganismos. Causan enfermedades o infecciones a insectos, peces, microorganismos en general (eucarióticos y procarióticos) y, por su­ puesto, a las plantas, a los animales y al hombre. Muchos virus no causan daños importantes a sus hospederos, pero aun en estos casos tienen un efecto visible, por ejemplo, el virus de los tulipanes produce un jaspeado a esas flores, muy apreciado por los cultivadores, pues los tulipanes sanos tienen colores uniformes. Otros virus, por el contrario, son responsables de una amplia variedad de afecciones en las plantas, en el ser humano y animales; entre ellas están el sarampión, la poliomielitis, la rabia, el sida, entre otras. Los virus no poseen capacidad para reali­ zar metabolismo, tampoco tienen movilidad independiente, pero tienen la propiedad de mu­ tación y su estudio se realiza con técnicas muy diferentes a las utilizadas para las bacterias y otros microorganismos. Para poder observarlos, resulta indispensable la utilización del micros­ copio electrónico.

Reseña histórica Desde hace siglos se conocen las enfermedades virales. La primera enfermedad infecciosa para la cual se descubrió un método práctico y eficaz de prevención tenía origen viral. En 1796, Jenner “vacunó” a un niño de ocho años con el exudado de una lesión de viruela bovina obtenida de la mano de una ordeñadora (véase reseña histórica en el capítulo 5: Inmu­ nología). En 1892, Dimitrii Ivanowski, botánico inglés, descubrió que el agente causal de la enfermedad mosaico del tabaco era filtrable, además, demos­ tró que la savia de una planta enferma era infec­ tante, aun después de haber sido pasada por filtros capaces de retener las bacterias más pequeñas conocidas hasta ese momento. Su experimento se realizó de la siguiente forma: colocó un filtrado obtenido del triturado de plantas enfermas y libres de bacterias, en las hojas de una planta de tabaco sana y consiguió reproducir la enfermedad en las hojas de la planta (véase figura 6.1).

Características de los virus 1. Inertes. Los virus en su forma aislada son inertes, carecen de metabolismo porque no tienen la maquinaria biosintética necesaria para la producción de energía y sintetizar macromoléculas. Por tanto, son incapaces de crecer y multi­ plicarse en medios inanimados como los medios de cultivo sintéticos utilizados para los cultivos bacterianos. 2. Composición. Están compuestos por una cubierta proteica o cápside que protege el ácido nucleico. Algunos poseen, además de lo anterior, una capa o membrana lipídica que se ubica ex­ ternamente a las estructuras mencionadas. 3. Tamaño. Su tamaño es increíblemente pequeño, si se tiene en cuenta que las bacterias se miden en mieras o micrómetros, los virus se miden en milimicras o nanómetros (nm) que son unidades mil veces menores y en angstroms (Á) que son 10.000 veces menores. El tamaño varía de 20 a 300 nm, por tanto, solo pueden observarse con instrumentos de altísimo poder de resolución, como el microscopio electrónico. 4. Filtrables. Los virus no son retenidos por los filtros ni membranas que retengan las bacte­ rias de menor tamaño conocidas. 5. Termolábiles. Presentan gran sensibili­ dad a temperaturas entre 50 y 65 °C, durante 30 min. 6. Estables a temperaturas bajas. Pueden continuar activos a temperaturas de subcongelación: -75 °C o inferiores. Pueden ser conservados en estado seco a temperaturas de 4 °C. También presentan estabilidad a pH comprendido entre los valores 5,0 y 9,0, aunque algunos virus, como los que afectan las vías entéricas, son resistentes a las condiciones ácidas. 7. Tienen un solo ácido nucleico. Todas las formas de vida contienen ADN y ARN, pero el virus solo contiene uno de los dos: ADN o ARN y de ninguna forma ambos ácidos nucleicos en el mismo virus. 8. Parásitos intracelulares obligados. Esta característica hace que únicamente puedan ser cultivados en tejidos vivos, animales de experi­ mentación, embriones, cultivos celulares, etc. Es

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decir, que los virus solo se activan cuando infec­ tan una célula viva pues su información genética es suficiente, en ese momento, para duplicar su ácido nucleico y lograr invadir y, posteriormente, salir de la célula hospedera. 9. Cristalizables. Es una propiedad que contribuye a los estudios de la virología, porque permite analizar la organización de las subunidades proteicas que conforman la cápside o cubierta proteica protectora del material genético del virus, quienes informan si los virus que se es­ tudian poseen cápsides helicoidales, poliédricas, combinaciones más complejas de ambas formas como los virus bacterianos o bacteriófagos que generalmente muestran una “cabeza” poliédrica y una “cola” helicoidal. 10. Sensibles. 1) A una proteína producida por las células humanas, excepto por los glóbulos rojos, llamada interferón, que pertenece a esa gran familia de las citoquinas que inhiben la duplicación viral porque, los interferones, son los primeros que actúan en el cuerpo (en horas) en

la respuesta defensiva contra una infección viral; 2) a temperaturas superiores a 45° C; 3) al éter que inactiva los virus que poseen la membrana rica en lípidos que envuelve a la cubierta proteica de protección o cápside; 4) al formaldehído que destruye la infectividad del virus al reaccionar con el ácido nucleico. 11. No son sensibles. 1) A los antibióticos; 2) a las sulfonamidas antibacterianas, y 3) a las temperaturas bajas.

Morfología Con los adelantos del microscopio electrónico y el perfeccionamiento de las técnicas de con­ traste, se ha logrado observar gran variedad de morfologías virales altamente simétricas (véase figura 6.2). En los virus se reconocen dos tipos de simetrías: la cilindrica y la esférica corres­ pondientes a las dos formas primarias que poseen casi todos ellos. Los virus con forma cilindrica poseen simetría helicoidal (virus del mosaico

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I Virus / 143

del tabaco o TMV), y los esféricos, simetría icosaédrica (virus del papiloma humano o HPV). Esta morfología muestra una estructura simétrica casi esférica, compuesta por veinte caras y se constituye en el modo más eficiente de ordenar las subunidades proteicas (los capsómeros) en una cubierta cerrada (la cápside), utilizando el menor número de unidades y la mayoría de los virus tienen más ácido nucleico del que puede empaquetarse en otro tipo de simetría.

Composición El estudio de la composición química de los virus ha sido posible gracias a los adelantos tecnológicos y al empleo de diversas técnicas analíticas que han logrado purificar y concentrar los virus, sin desnaturalizar sus componentes. Estos estudios han permitido observar que los virus están compuestos por: ácido nucleico, diversas proteínas y en algunos casos por car­ bohidratos y lípidos. 1. Acido nucleico. Es el soporte de la infomación genética, de la capacidad de replicación y por consiguiente de la infecciosidad. Como los virus únicamente posee un solo tipo de ácido nu­ cleico, ADN o ARN, pero en ningún caso los dos al mismo tiempo, los científicos los clasificaron en dos grandes grupos: 1) desoxirribovirus cuando su ácido nucleico es ADN, y 2) ríbovirus cuando su ácido nucleico es ARN. Los ríbovirus son el único ejemplo en la naturaleza de agentes infecciosos, en los cuales el ARN es el portador de toda la información genética.

Este ácido nucleico puede estar constituido por una sola cadena de nucleótidos (ácido nu­ cleico monocatenario), o por una doble cadena de nucleótidos (ácido nucleico bicatenario). El peso molecular y longitud del ácido nu­ cleico se relacionan con el tamaño del virus y puede presentarse como una gran molécula lineal o circular (véase figura 6.3). 2. Proteínas. Estos compuestos constituyen cuantitativamente la fracción más importante de los virus, de 50 a 90% del total de sus com­ ponentes, y tienen como función la protección

del genoma viral de la acción de las enzimas intracelulares de la célula hospedera como las nucleasas, por ejemplo. 3. Lípidos. Los virus no pueden producir sus propios lípidos, por consiguiente, deben obtenerlos a expensas de las células que infectan y pueden ser diversos tipos de lípidos, según la célula que estén infectando. Los virus que presentan envoltura rica en lípidos se describen como virus cubiertos o en­ vueltos y son sensibles a los disolventes de grasas como el éter, cloroformo y sales biliares. Los que no la poseen son virus desnudos y son resistentes a esas sustancias (véase figura 6.4). 4. Carbohidratos. Estas sustancias también son obtenidas a expensas de las células infec­ tadas y se ubican en la cubierta viral en forma de glucoproteínas conformadas por diferentes monosacáridos como fructosa, mañosa, glucosamina, galactosa. Los carbohidratos o glúcidos que se encuentran en los virus hacen parte de los azúcares que componen el ácido nucleico. Además de las sustancias mencionadas, los virus más complejos presentan huellas de me­ tales y sustancias vitaminoides.

Estructura Los virus están compuestos por: Cápside. Es una cubierta proteica, simétrica y rígida que protege el ácido nucleico componente del genoma viral. Las cápsides están constituidas de una manera altamente simétrica, es decir, que las formas de las unidades proteicas se ordenan en forma perfectamente regular. Capsómeros. Son subunidades proteicas que se unen para formar la cápside. Material genético. Se encarga de la transmi­ sión de la información genética contenida en uno de los ácidos nucleicos, bien sea, ADN o ARN. Nucleocápside. La conforman la cápside y el ácido nucleico. Actualmente se sabe que la membrana lipídica o envoltura no hace parte del virión. Envoltura. Es una estructura membranosa que poseen solo algunos virus llamados cu­ biertos y su composición es una bicapa lipídica

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con proteínas (generalmente glucoproteínas) embebidas en ella. Los lípidos de la membra­ na son obtenidos de la membrana de la célula hospedadora. Virión. Es la partícula viral infecciosa com­ pleta, es decir, el virión puede ser la cápside y ácido nucleico (en algunos casos como el virus de la polio o el de las verrugas humanas es idén­ tico a la nucleocápside). En virus más complejos como el del herpes o el de la influenza, el virión lo compone la nucleocápside (cápside y ácido nucleico) sin incluir la envoltura lipídica circun­ dante. En los virus bacterianos o bacteriófagos, el virión lo conforma sólo el ácido nucleico (ADN), pues la cápside no penetra al interior de la bacteria

Acción de los agentes físicos y químicos sobre los virus A continuación se describe el efecto de los agen­ tes físicos y químicos sobre los virus.

Agentes físicos Entre los agentes físicos se consideran: la tem­ peratura y las radiaciones. 1. Temperatura. Los virus son termolábiles y con temperaturas de 50 a 65 °C mantenidas por 30 min a una hora se inactivan la mayoría de los virus, porque se desnaturalizan las proteínas que componen la cápside. Sin embargo, hay excep­ ciones como el virus de la hepatitis B que debe someterse a temperaturas de 120 °C por 30 min y a 15 Ib de presión en autoclave para desinfectar objetos de metal o instrumentos que no se alteren con la acción del calor, humedad y presión. Para los equipos sensibles al calor se recomienda el óxido de etileno (óxido de etilo o etileno). Otro germicida recomendable para eliminar este virus es el glutaraldehído activado a 2%. Los virus son estables a temperaturas bajas, por ejemplo, a -75 °C, o sea, la temperatura de congelación de la nieve carbónica, pueden conservarse activos

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durante meses. A temperaturas de -196 °C, que algunos fármacos antivirales, aunque no resultan es la temperatura de congelación del nitrógeno ideales, pues, todavía no han podido desarrollar­ líquido, pueden conservarse activos durante se exitosamente. años. 3. pH. Los virus son muy sensibles a los 2. Radiaciones. Tanto las radiaciones no cambios de acidez y basicidad ocurridos en el ionizantes (luz ultravioleta), como las ionizantes medio donde se encuentran, por esta razón, es (los rayos X) inactivan los virus porque alteran la muy importante tener en cuenta factores químicos cadena de nucleótidos, produciendo roturas, forma­ como el pH, cuando se requiere hacer cultivos ción de dímeros, entre otras alteraciones. Los virus virales en el ámbito del laboratorio. Los viras más sensibles a las radiaciones son los que poseen son sensibles a los cambios drásticos de pH, sólo ácido nucleico monocatenario, es de anotar que soportan límites entre 5,0 y 9,0, por debajo o por las dosis de radiación cambian para los diferentes encima, respectivamente, de estos rangos los viras virus. Las partículas irradiadas, que ya no tienen se inactivan. capacidad de replicación, pueden ser aún capaces de manifestar algunas funciones muy específicas Cultivo de los virus en las células hospederas. Estas partículas infecciosas solo se desarrollan Agentes químicos en el interior de células vivas. Para aislar y culti­ var los virus en el laboratorio se utilizan diversos Entre los agentes químicos se consideran los procedimientos. disolventes lipídicos, los antibióticos. Es impor­ tante tener en cuenta el efecto que causa el pH Animales de experimentación sobre los virus. 1. Disolventes lipídicos. Los virus que poseen Es el método más antiguo para aislar y conservar envoltura lipoprotéica se pueden inactivar fácil­ los virus. Los viras se inoculan en animales de mente con los disolventes de grasa, como el éter, experimentación y se produce, casi siempre, una el cloroformo, los detergentes amónicos como el enfermedad con lesiones características que se desoxicolato sódico y los detergentes no iónicos puede transmitir en serie. Pero por el alto costo, a como Nonidet P40® y Tritón X-100®. la presencia de virus latentes y por dichos anima­ En cambio, los viras desnudos son resistentes les presentar respuesta inmunitaria, los métodos a la mayoría de los desinfectantes que se emplean de inoculación se emplean cada vez menos y para bacterias y otros microorganismos. Pero quedan reducidos a la inoculación intracerebral son muy sensibles a agentes oxidantes como de ratones adultos y lactantes. Sin embargo, los hipocloritos y compuestos yodóforos, al formol, animales se utilizan actualmente en investiga­ el glutaraldehído y a los ácidos en general, prin­ ciones experimentales sobre virus oncógenos cipalmente al ácido clorhídrico diluido. (productores de tumores), sobre la patogenia e 2. Antibióticos. Estos fármacos que se utili­ inmunidad de las virosis o infecciones causadas zan exitosamente en infecciones bacterianas, no por los virus y para la obtención de antisueros son eficaces contra los virus. Solamente existe (véase figura 6.5). un tipo de antibióticos que podría inactivar a los virus y son los que interferirían la síntesis de Huevos embrionados ADN y ARN porque impedirían el mecanismo de replicación viral. Pero dichos antibióticos Los huevos embrionados presentan la ventaja de también interfieren en el metabolismo de la ser animales embriológicamente estériles, con célula hospedera y son altamente tóxicos para escaso riesgo de virus latentes y sin producir ser utilizados en los tratamientos de infecciones respuesta inmunitaria. Los virus pueden inocu­ virales humanas. Sin embargo, se dispone de larse en huevos embrionados entre 7 y 14 días de

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incubación; haciendo un pequeño agujero en el cascarón, se alcanza la zona necesaria, según el virus que se investiga: en la cavidad alantoidea, el virus de la gripa; en la membrana corioalantoidea, el virus de la viruela; en la cavidad amniótica, o sea, directamente en las vías respiratorias del embrión, el viras de la gripa y las paperas; o en el saco vitelino, el virus del herpes (véase figura 6.6). Actualmente los estudios en este tipo de medio de cultivo se encuentran bastante restringidos, principalmente, para el virus de la gripa.

Cultivos tisulares Aunque los cultivos de tejidos y de células se conocen desde hace mucho tiempo, solo pudie­ ron utilizarse de manera sistemática cuando se descubrieron los antibióticos que permitieron evitar las contaminaciones bacterianas. Las células pueden cultivarse a partir de fragmentos de tejidos o explantes (cultivos tisu­ lares) o también de células aisladas o disociadas (cultivos celulares) o de cortes de órganos que conservan su arquitectura (cultivos de órganos). En la actualidad, los cultivos celulares constitu­ yen el método de elección para el desarrollo de

la mayoría de los viras y se utilizan los cultivos de órganos para el aislamiento de virus de difícil desarrollo o en casos especiales.

Cultivos celulares Cuando Enders descubrió que los virus eran ca­ paces de replicarse en cultivos de células aisladas o disociadas, este descubrimiento se constituyó en el método fundamental para ei cultivo de los virus. Estos cultivos pueden ser: 1. Cultivos celulares primarios. Esta técnica consiste en cultivar células aisladas proceden­ tes de tejidos normales. Los tejidos u órganos normales de origen animal o humano, se tratan con tripsina (enzima que rompe el cemento intracelular) y las células del tejido se separan o disgregan. Se obtienen así suspensiones de cé­ lulas aisladas que una vez lavadas y contadas se siembran en tubos, matraces, botellas especiales, que contengan en su interior un medio de cultivo adecuado por ejemplo el medio de Hanks. Las células se sedimentan, se adhieren al vidrio y se multiplican alrededor de una división diaria, y forman islotes de crecimiento que se extienden progresivamente hasta que entran en contacto, momento en el cual se inhibe su crecimiento (fe-

Virus

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nómeno de inhibición por contacto), por último, tripsina; obtienen células aisladas, lo que permite se forma una monocapa en la pared del recipiente iniciar un nuevo cultivo que se conoce como que constituye el sustrato sobre el cual se desa­ cultivo secundario. rrollan los virus. Este tipo de cultivos no tienen 3. Cultivos celulares permanentes o de duración indefinida, por lo que deben prepararse capa continua. Se obtienen utilizando células cultivos nuevos a partir de material fresco cada tumorales, por ejemplo, las células He La, que son vez que el estudio lo requiera. células neoplásicas o cancerosas de cuello uterino. 2. Cultivos celulares secundarios. Los cul­Este tipo de cultivos crece de forma indefinida y tivos primarios se mantienen vivos cambiando son los más utilizados en investigaciones virales, el medio dos o tres veces por semana. Cuando porque suministran material de estudio de forma están muy desarrollados se tratan de nuevo con continua.

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4. Cultivo de órganos. Recientemente para el aislamiento de algunos virus de difícil cultivo se ha utilizado el cultivo de órganos. Se realizan cortes de órganos embrionarios que, llevados a un medio adecuado, pueden mantener su estructura y función durante un corto periodo de tiempo. Se utilizan cultivos de órganos embrionarios de tráquea, intestino, entre otros. Estos cultivos también son útiles en la investigación vírica, porque permiten el crecimiento de los virus en condiciones de mayor control en el ámbito del laboratorio. Los recipientes para realizar estos cultivos que permiten el crecimiento de los viras son tubos de ensayo, cajas de Petri y botellas cono­ cidas como de Roux.

Detección del desarrollo de los virus Los viras se manifiestan cuando la estructura del tejido se deteriora a medida que el virus se mul­ tiplica. Este deterioro de los tejidos se denomina efecto citopático (ECP). Algunos ejemplos de efectos citopáticos son: Cambio de forma de las células (véanse figuras 6.7 y 6.8). Células sincitiales (véase figura 6.9). Células aglutinadas y degeneradas (véase figura 6.10). Núcleos picnóticos (véase figura 6.11). Cuerpos de inclusión. Son estructuras espe­ cíficas de los virus que aparecen en la célula por causa una infección viral y poseen características

Virus / 149

1 5 0 / Microbiología básica para el área de la salud y ajines

Tabla 6.1

Clasificación de los virus según su tropismo o afinidad por diferentes tejidos Tropismo Neurotropos o neurotrópicos

Dermotropos o Viscerotropos o dermotrópicos viscerotrópicos

Neumotropos o Pantropos o neumotróplcos pantrópicos

Oncógenos u oncogénicos

Tejido Tejido nervioso Piel afectado

Visceras y Vías y tejidos órganos internos respiratorios

Muchos tipos de células y tejidos

Promueven de­ sarrollo tumoral

Virus

Encefalitis

Rubéola o sarampión alemán

Hepatitis A, B, C

Influenza

Infecciones por virus coxsackie

Sarcoma de Roux

Rabia

Sarampión

Fiebre amarilla

Catarro común

Dengue

Poliomielitis

Viruela vacuna o viruela bovina

Fibroma de Shope Leucemia murina en ratones

Coriomeningitis linfocítica

Herpes simple o fuegos

Leucemia aviar

Verrugas

diferentes según la infección viral que sufra la célula. A veces su tamaño es mayor que el de la partícula viral y tienen afinidad por ciertos colorantes de carácter químico ácido como la eosina. Pueden ser detectados en el núcleo, en el citoplasma o en ambos. La presencia de los cuerpos de inclusión en las células pueden tener una considerable importancia en el diagnóstico médico, por ejemplo, el virus de la rabia produce los cuerpos de Negri y el de la viruela los cuer­ pos de Guarnieri, ambos son patognomónicos de las dos entidades virales. Los cuerpos de inclusión detectados en el cito­ plasma de la célula pueden ser producidos por los virus de la viruela humana, la viruela ovina, de las gallinas, la rabia y otras. Las inclusiones intranucleares detectadas pueden provenir de la infección de los virus de la varicela o el herpes, entre otros. Estos efectos citopáticos que se observan in vitro son exactamente iguales a los que se producen in vivo.

Patogenia viral En general, el cuerpo de los vertebrados posee tres grandes superficies que están en contacto

con el medio ambiente: la piel, las mucosas y la cavidad bucal. Las mucosas más importantes son: la digestiva y la respiratoria. Existen tam­ bién dos superficies menos extensas que son la conjuntiva y el aparato genitourinario. Para que el virus pueda invadir el organismo debe infectar células de una de estas superficies. La infección viral cumple con las siguientes etapas: 1) proliferación de los virus en el sitio de entrada; 2) proliferación en los ganglios linfáti­ cos regionales; 3) viremia, es decir, penetración del virus al torrente sanguíneo, y 4) asentamiento en el órgano afectado (véase tabla 6.1).

Virus bacterianos Según los hospedadores u organismos infectados se conoce la clasificación de los virus, en: virus animales, virus vegetales o de las plantas y virus bacterianos o bacteriófagos o abreviadamente fago, que viene del griego phagein y significa comer. De estos grupos, tal vez el más estudiado es el de los virus bacterianos o bacteriófagos. Estos virus infectan bacterias del grupo entérico, como Escherichia coli y Salmonella thyphimurium.

Sin embargo, se conocen virus que infectan tanto

Virus /

al dominio Bacteria como al Archaea. El viras bacteriano con el mayor genoma conocido es el bacteriófago G (la G mayúscula, indica gigante) que infecta a Bacillus megaterium. La mayoría de los bacteriófagos estudiados en detalle contienen genomas de ADN bicatenaiio y hasta el momento es el tipo de virus bacteriano más común en la naturaleza. Uno de ios más conocidos es el colifago, que en virología y genética se conoce como

151

bacteriófago T4. El virión del fago T4 es estructu­ ralmente complejo y consta de una cabeza de forma icosaédrica y una cola compleja, la cual, posee un tubo helicoidal con una vaina contráctil, que se une a la cabeza por medio de un collar y termina en una placa basal o platina dotada de unas espículas y al final de la cola se encuentran unas fibras caudales que se fijan a la platina. En la figura 6.12 se observa una representación esquemática del fago T4 y su

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forma de infectar a la bacteria E. coli. Muchos de los conceptos básicos existentes en la virología actual se originaron de trabajos realizados con bacteriófagos y posteriormente se aplicaron a virus de organismos superiores.

Infección viral Los virus solo se replican en células vivas y pueden ser lisogénicos cuando se integran al cro­ mosoma de la bacteria, así cada vez que esta se reproduce lleva el virus en su material genético transmitiéndolo de generación en generación, este ciclo se conoce como ciclo lisogénico. Cuan­ do los virus lisan o destruyen la célula hospedera, el ciclo se denomina ciclo Utico. Los virus que realizan este último ciclo utili­ zan la maquinaria metabólica del hospedero para obtener energía y los precursores de bajo peso molecular para la síntesis de proteínas y ácido nucleico viral, es decir, que el virus induce a la célula hospedera a sintetizar todos los com­

ponentes necesarios para “fabricar” más virus. Luego los componentes se ensamblan formando virus nuevos y estos nuevos virus deben salir de la célula para infectar nuevas células. Los virus han desarrollado diferentes méto­ dos para lograr la multiplicación en las células hospederas parasitadas por ellos. Aunque los de­ talles varían de un grupo a otro, el patrón general de los ciclos de replicación es semejante.

Ciclo lítico Se toma como ejemplo la replicación del virus bacteriófago conocido como colifago para esque­ matizar el ciclo lítico viral pues, generalmente, los pasos de la infección viral son comunes a la mayoría de los bacteriófagos. Los virus infectan a las bacterias inyectando el ácido nucleico, utilizan el tubo para abrir un agujero al punzar la pared celular. El ácido nu­ cleico viral comienza a controlar el metabolismo de la célula y “dirige” a la bacteria en la síntesis de

Virus / 153

Etapa 1: adsorción Es la adherencia del virus a un receptor específi­ co ubicado en la pared de la bacteria. Esta unión es altamente específica porque el virus tiene una o más proteínas que interaccionan con los com­ ponentes específicos o receptor específico de la superficie de la célula. El órgano de adhesión se encuentra en los pequeños apéndices o espículas, de la cola del fago. La adhesión requiere dos pasos: 1) se presenta una adhesión preliminar de tipo iónico, que es susceptible a reversibilidad por cambios en el pH, en la presión osmótica, entre otros, y 2) se produce la real adsorción a la pared de la bacteria, esta unión es más firme e irreversible (véase figura 6.14). Etapa 2: infección También se conoce como penetración o in­ yección. Se ha demostrado que la penetración real es mecánica, pero, tal vez, la facilita una enzima llamada lisozima fágica que va en la cola del fago. La penetración se logra cuando: 1) las fibras caudales del virus se adhieren a la bacteria manteniéndolo firmemente adherido; 2) la vaina de la cola se contrae y el tubo penetra en la célula, y 3) la inyección del ADN, que es el ácido nucleico de los bacteriófagos, se hace como lo haría una jeringa al inyectar su conte­ nido. La cubierta proteica que forma la cabeza y la estructura de la cola quedan fuera de la célula hospedera (véase figura 6.15). E tapa 3: replicación más ácido nucleico viral, para fabricar partículas de viras completas. En corto tiempo, las partícu­ las de viras recién formadas se liberan, mediante la ruptura o lisis repentina de la pared celular, así quedan libres para infectar a otras bacterias sus­ ceptibles y dar inicio a un nuevo ciclo. El ciclo lítico se produce en cinco etapas: 1) adsorción, 2) infección, 3) replicación, 4) ensamblaje, 5) lisis (véase figura 6.13).

Se presenta inmediatamente después de la in­ yección del ácido nucleico a la célula bacteria­ na. Esta fase del ciclo también se conoce como periodo de eclipse. Esta etapa es un estadio de intensa actividad sintética, el virus se encarga de la maquinaria metabólica de la bacteria ha­ ciéndola fabricar ácido nucleico virale, en vez de los ácidos nucleicos bacterianos, necesarios para que la bacteria fabrique cada una de sus partes.

Virus / 155

nombre de profago. En esta situación la bacteria realiza normalmente su metabolismo y reproduc­ ción y el ADN viral es transmitido a cada célula hija en las generaciones sucesivas. Si una bacteria está infectada por un fago temperado se vuelve “inmune” al mismo fago o fagos relacionados y recibe el nombre de bacteria lisogénica. Ocurre, a veces y por razones desconocidas, que el ADN viral se separa del cromosoma bacteriano, dando lugar al ciclo lítico, este proceso se conoce como inducción espontánea. A escala experimental este proceso puede inducirse por irradiaciones con luz ultravioleta o por exposición a algún agente químico (véase capítulo 4: Genética bacteriana: Transducción, figura 4.12).

“Ecología” y mecanismos de transmisión viral Los virus, aunque sean clasificados como par­ tículas inertes, han desarrollado ingeniosos y

complicados mecanismos para transmitirse de un hospedero a otro, según la naturaleza del virus y la interacción entre este y el hospedero.

Contacto directo persona-persona En este caso el medio principal de transmisión puede consistir en infección por: 1. Gotitas o aerosoles. Como sucede con el sarampión, la gripa, influenza o la viruela. 2. Vía fecal-bucal. Se transmite de esta forma el sarampión y la hepatitis infecciosa A. 3. Contacto sexual. Así se transmite el virus de la hepatitis B, el herpes genital y el sida. 4. Contacto de mano-boca, mano-ojo, bocaboca. Por estas vías se transmiten la gripa, el herpes simple y la mononucleosis infecciosa aguda o virus de Epstein-Barr. 5. Intercambio de sangre contaminada. Es uno de los mecanismos de transmisión, princi­ palmente, de la hepatitis B y el sida.

156 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Transmisión de animal a animal En este mecanismo el hombre actúa como un hospedero accidental: 1. Mordedura, Como en el caso de transmi­ sión de la rabia. 2. Gotitas o aerosoles infectantes. Las cuales pueden dispersarse en sitios contaminados por roedores, se transmiten así las fiebres hemorrágicas sudamericana y de Corea.

Transmisión si se tiene como vector un artrópodo Por esta forma se transmite la encefalitis, la meningoencefalitis, la fiebre amarilla y el dengue. Entre los mecanismos de transmisión existen al

menos tres patrones reconocidos de infección transmitidos por artrópodos. 1. Ciclo hombre-artrópodo. Ejemplos: fiebre amarilla y dengue (véase figura 6.19). 2. Ciclo vertebrado inferior-artrópodo con infección colateral al hombre. Este representa uno de los mecanismos más comunes de transmisión. El hombre infectado se denomina hospedero “de pun­ to tenninal”. Ejemplos: fiebre amarilla selvática y encefalitis de St. Louis (véase figura 6.20). 3. Ciclo artrópodo-artrópodo con infección ocasional del hombre y vertebrados inferiores. En este ciclo el virus puede transmitirse del artró­ podo adulto a su prole por intermedio del huevo, es decir, se presenta transmisión transovárica, de esta forma el ciclo puede seguir adelante con la intervención de un hospedero vertebrado infec-

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tado con el virus o sin ella. Ejemplos: fiebre del Colorado causada por picadura de garrapata y encefalitis de La Crose (véase figura 6.21).

Virus: sumario Hacia finales del siglo xix se formuló la teoría de que cada enfermedad se produce por un germen. Se tenía, entonces, la seguridad de que para cada enfermedad infecciosa habría de encontrarse un microorganismo que podría verse con ayuda del microscopio, cultivarse en un medio nutritivo y ser retenido por los filtros. Pero los investigadores reconocían que había un conjunto de organismos, tan molestos como los anteriores, que no eran susceptibles de ser cultivados in vitro.

Sin embargo, Iwanowoski pudo demostrar que el agente causal del mosaico del tabaco pasaba a través de los filtros para bacterias, no podía culti­ varse en los medios conocidos ni se podía ver en el microscopio de luz. Luego se comprobó que si la fiebre añosa podía transmitirse de un animal a otro, el agente causal tenía que “reproducirse” y no podía ser, por tanto, una toxina bacteriana, puesto que los experimentos se habían realizado con un grado muy elevado en cada paso, es decir, utilizando la tecnología más avanzada de la época. Así la primera definición del nuevo tipo de agentes infecciosos, los virus, se ex­ puso en términos totalmente negativos: no podían ser vistos, no podían ser cultivados y, lo más importante, no eran retenidos por los filtros para bacterias.

158 / M icrobiología básica para

el área de la salud y afines

Preguntas para autocontrol del aprendizaje

7. 8.

1.

2. 3. 4.

5.

6.

Esquematice dos viriones sencillos identi­ ficando las siguientes estructuras: cápside, capsómero, ácido nucleico, núcleo cápside, envoltura lipídica. Indique cuál es desnudo y cuál cubierto. ¿Por qué se les da esos nombres y cuál es su importancia? Analice algunas propiedades de los virus que los distingan de otros organismos. ¿En qué difieren: un virus de un plásmido y un virión de una célula? Analice la composición viral y cada uno de sus componentes y compárela con la com­ posición de las bacterias y de los hor¡gos. Mencione diferentes agentes físicos y quí­ micos y analice su acción sobre los virus. Justifique su análisis comparativamente, con el efecto que esos mismos agentes causan sobre las bacterias. Si los virus no pueden cultivarse en los medios de cultivo para hongos y bacterias, explique y ejemplifique cómo se logra su cultivo al nivel de laboratorio y cuáles son esos procedimientos.

9.

10. 11.

i 2.

13.

14.

¿Qué es un organismo hospedador u hos­ pedero? Explique la utilidad de los cultivos celulares en la replicación viral. Cuando los virus se replican en las células de los tejidos, estos se deterioran, o sea, que se produce un CEP. ¿Qué significa esta sigla? Defina y ejemplifique algunos. ¿Sucede esto con las bacterias?, ¿con los hongos? Justifique. ¿Qué etapas debe cumplir un virus para producir una infección? Por medio de esquemas claros y precisos compare un virus sencillo, per ejemplo, un virus animal con un bacteriófago. ¿Cuál es la importancia del colifago o bac­ teriófago de la bacteria entérica Escherichia coli ? Compare la replicación viral con la re­ producción de las bacterias y la de los hongos. ¿Por qué se habla de replicación y no de reproducción como en otros seres vivos? Explique cada paso del ciclo lítico viral. ¿Por qué se llama ciclo lítico? ¿En qué se diferencia del ciclo lisogénico?

7

Hongos L a rama de la microbiología que se encarga del estudio de los hongos es la ¡ideología; en la actualidad se conocen más de 65.000 especies de hongos identificadas (de un total cercano al 1.500.000 que podrían existir en la Tierra), de las cuales la gran mayoría son benéficos para la humanidad y se encuentran en la naturaleza cumpliendo una función imprescindible en la descomposición y el reciclaje de materia orgáni­ ca. El aspecto de los hongos nos resulta familiar, pues hemos visto su crecimiento azul y verdoso sobre los limones, las naranjas, los quesos, el pan y la mermelada viejos, también, en las cor­ tinas plásticas de los baños etc., con apariencia de filamentos (comúnmente conocidos con el nombre de lama)', también los observamos como los “paragüitas de sapo” y las “orejas de palo” en los campos y bosques. Aunque su tamaño y morfología presentan mucha variedad, todos los hongos son eucariotes , por tanto, sus células poseen, al menos, un núcleo, membrana nuclear, retículo endoplásmico, mitocondrias y aparato secretor además de otras organelas rodeadas por la membrana cito­ plasmática. Se reconocen tres grandes grupos de hongos: los mohos u hongos filamentosos (pluricelulares), las setas u hongos de masa, también pluricelula­ res, y las levaduras, generalmente, unicelulares.

Im portancia Los hongos, antiguamente, aparecían clasifica­ dos como una división del reino vegetal o reino Plantae. La gran mayoría de los científicos, incluidos los que se dedicaban a la taxonomía,

creían que eran plantas sin tallos y sin hojas, que al evolucionar a organismos capaces de absorber alimento, habían perdido la clorofila y, por su­ puesto, la capacidad de realizar fotosíntesis. Debido a sus características morfológicas, fisiológicas, bioquímicas y ecológicas, en la actualidad, los hongos se ubican en su propio reino llamado reino fungí. Este reino está com­ puesto por organismos heterótrofos quimioorganotrofos, es decir, que requieren compuestos orgánicos para su nutrición, para lo cual, secretan enzimas que descomponen una gran variedad de estos sustratos. Cuando se alimentan de materia orgánica muerta se conocen como saprofitos y, generalmente, no causan enfermedades, solo descomponen restos complejos de vegetales y animales, degradándolos a sustancias quími­ cas más sencillas que son devueltas al suelo, aumentando así su fertilidad. Por esta razón, se les menciona como descomponedores de m a­ teria orgánica. De esta forma brindan muchos beneficios al ser humano, pero también pueden resultar dañinos cuando pudren madera, textiles, papel, alimentos y ottos productos derivados de fuentes naturales, utilizándolos como fuentes de carbono y energía. Los hongos saprofitos también son impor­ tantes en las fermentaciones industriales; por ejemplo, cuando se utilizan como medicamentos al suministrar metabolitos secundarios útiles como los antibióticos (la penicilina) y los fár­ macos inmunodepresores (ciclosporma) o en la industria láctea en la fermentación de leches y derivados lácteos, la producción de alimentos y bebidas espirituosas (quesos maduros, vinos, champañas, entre otros).

160 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Algunos hongos a pesar de ser saprofitos pueden prosperar como parásitos y causar enfermedades (hongos patógenos) en plantas y animales, incluidas las personas. Los hongos ejercen gran impacto económico en las industrias agrícolas debido a las enferme­ dades que les pueden causar a las plantas. A estos hongos tan particulares se les clasifica como hongos fitopatógenos. Sin embargo, de las más de 100.000 especies que se conocen sólo unas 100 son patógenas para los seres humanos. Muchos hongos patógenos como Histoplasma capsulatum, causante de la histoplasmosis (infección fúngica del sistema retículo-endotetelial y que compromete varios órganos), presentan dimorfismo, es decir, pueden existir en forma unicelular como las levaduras, o en forma filamentosa como los mohos. Adoptan la fase levaduriforme cuando el hongo es un parásito o un patógeno de un tejido y la forma filamentosa cuando es un saprofito del suelo o se cultiva en un medio de laboratorio. Por lo general, los hongos toleran amplios rangos de pH de 2,2 a 9,6, el rango más común es entre 4 y 8. La mayoría son aeróbicos obliga­ dos y necesitan mucho oxígeno y agua para su reproducción y desarrollo, sin embargo, existen reportes de hongos que frente a la presencia o no del oxígeno se comportan como facultativos. Genéticamente son haploides, es decir, tienen un número n de cromosomas.

Composición La pared de las células fúngicas difiere de la pared bacteriana porque contiene quitina (polímero de N-acetil-D-glucosamina, conformado por subu­ nidades de azúcar nitrogenado), que también es un componente de los exoesqueletos de insectos y es mucho más resistente a la degradación por causa de los microorganismos, que la celulosa, el principal componente de las paredes celulares de las células vegetales. Algunas especies fúngicas pueden presentar paredes celulósicas o con otros polímeros como mananos, galactanos y quitosán. La membrana citoplasmática es rica en esteróles y en el citoplasma existen mitocondrias, retículo

endoplásmico y flujo citoplasmático, también poseen membrana nuclear, núcleo definido, varios pares de cromosomas y su reproducción puede ser sexual o asexual, no tienen clorofila ni cloroplastos por lo cual no pueden fotosintetizar. En resumen, los hongos se caracterizan por ser organismos eucariotes perteneciente al grupo nutricional heterótrofos quimioorganotrofos. Alcanzan óptimo desarrollo en ambientes oscuros y húmedos. Muchas especies de hongos pueden crecer en ambientes extremos con pH muy bajos y con altas temperaturas (hasta de 62 °C). Cuando el ambiente cambia y se vuelve muy seco, los hongos pueden sobrevivir entrando en una fase latente o producen esporas resistentes a la falta de humedad.

Morfología Los hongos crecen en dos formas básicas: leva­ duras (unicelulares) y mohos que son filamen­ tosos (pluricelulares).

Hongos unicelulares: levaduras Las levaduras varían considerablemente en cuanto a tamaño, oscilando entre 1 y 5 ¡am de anchura y entre 5 a 30 pm de longitud. Cada especie tiene una forma característica, pero aun en cultivo puro, entre las células individuales, existe una considerable variación en el tamaño y la forma que puede ser redondeada, elipsoide o casi cilindricas. Estas características morfoló­ gicas se ven afectadas por la edad y el entorno. Las levaduras no poseen flagelos ni ningún otro tipo de órgano de locomoción. Las levaduras se reproducen normalmente por bipartición o fisión binaria (casi siempre asimétrica) o por gema­ ción , porque producen unos abultamientos en la célula madre llamados yemas que crecen hasta separarse. Algunas levaduras pueden filamentar, es decir, que la yema no se desprende y se van alargando tomando el nombre de seudohifa, al proliferar las seudohifas toman el nombre de seudomicelio. Esta fase filamentosa es una propiedad necesaria para la patogenicidad de

Hongos / 161

Candida albicans, levadura que puede causar in­ fecciones en la cavidad bucal, vagina, pulmones y en el caso de los enfermos de sida, les produce daño sistémico tisular. Otra de las levaduras bastante conocida es Saccharomyces cerevisiae, utilizada en la producción del pan y en la mayoría de las fermentaciones al­ cohólicas. Fue la primera célula eucariótica cuyo genoma se secuenció por primera vez en 1997. El hábitat original de esta levadura está en las frutas y sus zumos, pero las levaduras comerciales que existen en la actualidad difieren mucho de su ancestro silvestre, por causa de la manipulación, voluntaria o involuntaria, que ha hecho el hombre desde la antigüedad.

Hongos pluricelulares: mohos Estos hongos se encuentran ampliamente distri­ buidos en la naturaleza y están constituidos por filamentos tubulares llamados hifas. Cada hifa tiene aproximadamente de 5 a 10 pin de anchura y 1 pm de diámetro. En el interior y a lo largo de cada hifa existe un citoplasma co­ mún para toda su extensión. La hifa es la unidad estructural y funcional del hongo. Según la clase de hongo que la posea, la hifa puede presentar

diversas morfologías. Estos son algunos tipos de hifas: 1. Hifas no septadas o cenocíticas. Son es­ tructuras tubulares comunicantes y ramificadas, con muchos núcleos en el citoplasma rodeados por una pared única y rígida, no presentan ta­ biques o septos que dividan la hifa en células (véase figura 7.1). 2. Hifas septadas. Son hifas que presentan celdillas o compartimentos que las delimitan por tabiques o septos. Estas hifas pueden ser uninucleadas o polinucleadas. - Hifas septadas uninucleadas: presentan septos que las dividen en compartimentos o cé­ lulas con un solo núcleo en cada compartimento. En cada septo existe un poro o canal central que permite la migración de los núcleos y del citoplasma de un compartimento a otro. Aunque cada compartimento de una hifa septada no está limitado por una membrana como en una célula típica, habitualmente se menciona el comparti­ mento como si fuese una célula independiente (véase figura 7.2). - Hifas septadas polinucleadas: los septos dividen a las hifas en células que presentan más de un núcleo en cada compartimento (véase figura 7.3).

162 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Hongos / 163

Las hifas crecen en masa, por lo cual el con­ junto o masa de hifas cenocíticas o septadas se denomina micelio. Cuando el micelio crece sobre un sustrato (materia orgánica) toma el nombre de micelio aéreo que consta de las hifas y sus esporas (células resistentes, en reposo o durmientes); su función principal es la reproducción. El micelio aéreo es el que le da el aspecto algodonoso carac­ terístico de los hongos filamentosos o mohos. El micelio que se introduce dentro del sus­ trato, se llama micelio vegetativo y sus funciones primordiales son la nutrición y el soporte del hongo (véase figura 7.4).

Reproducción La mayoría de las partes de un hongo filamento­ so son potencialmente capaces de crecer y mul­

tiplicarse. La inoculación de un diminuto fragmen­ to fúngico sobre un medio de cultivo adecuado, es suficiente para dar inicio a un nuevo individuo. Los hongos se reproducen en forma natural por medio de una variedad de métodos que dependen del tipo de reproducción: 1) asexual­ mente por fisión, gemación o formación de esporas asexuales, 2) sexualmente por fusión de los núcleos de dos células afines.

Reproducción asexual Es la más común y no hay contacto de núcleos. Se relaciona directamente con la multiplicación. Los hongos que solo presentan este tipo de reproducción son hongos imperfectos. La repro­ ducción asexual puede ser por fisión, gemación y esporas asexuales.

164 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

- Fisión. Una célula se divide para formar • Los oídios o artrosporas. Son unicelulares dos células hijas iguales. y se forman al separarse o fragmentarse entre sí - Gemación. La célula madre desarrolla una las células de la hifa. pequeña protuberancia (yema), de la cual se • Las clamidosporas. También son esporas origina una célula hija. unicelulares, de gruesas paredes, muy resistentes -Esporas asexuales. Su función es diseminar a las condiciones adversas. Se forman a partir de o multiplicar la especie, por tanto, se producen en células de hifas vegetativas. gran número y existen muchas clases como: coni• Las blastosporas. Son yemas que se forman diosporas, esporangiosporas, oídios o artrosporas, sobre las células de levadura. clamidosporas, blastosporas. Son resistentes a la desecación y son el medio por el cual el hongo se Reproducción sexual dispersa a nuevos hábitats. Las conidiosporas o conidias. Se forman en Se caracteriza porque la fusión de los núcleos da los ápices o a los lados de una hifa y a menudo origen a un zigote. Este tipo de reproducción se muy pigmentadas. Cuando aparecen las conidias relaciona con la evolución y de ella se originan el color blanco, original del micelio cambia por hongos perfectos. Estas esporas se producen en el que le dan las conidias viéndose negro, azul número menor que las asexuales y, además, solo verdoso, amarillo, rojo o marrón. La presencia de se forman bajo ciertas condiciones. Son resisten­ estas esporas da al micelio la apariencia de una tes a la desecación, a la congelación y a ciertos capa de polvo. Si son pequeñas y unicelulares se compuestos químicos, pero no son tan resistentes llaman microconidias. Si son grandes y plurice­ como los endosporos bacterianos. lulares se denominan macroconidias. Existen varios tipos de esporas sexuales: zi• Las esporangiosporas. Son esporas unicelula­gosporas, ascosporas, basidiosporas y oosporas. res y se forman dentro de unos sacos llamados espo­ •Zigosporas. Son esporas grandes, de pared rangios. Cuando estas esporas son móviles, porque gruesa que se forman cuando los extremos de dos poseen flagelos, se llaman zoosporas y cuando son hifas sexualmente compatibles o gametangios, de ciertos hongos, se fusionan entre sí. inmóviles se denominan aplanosporas.

Hongos / 165

•Ascosporas. Son esporas unicelulares que se producen dentro de un saco llamado asea. General­ mente hay ocho ascosporas dentro de cada asea. • Basidiosporas. Estas esporas unicelulares nacen sobre una estructura en forma de porra, llamada basidia o basidio (véase figura 7.5). • Oosporas. Se forman dentro de una estruc­ tura especial femenina llamada oogonio. En general, las esporas sexuales son el resul­ tado de la reproducción sexual de algunos mohos que se lleva a cabo en tres pasos: 1. Plasmogamia. Es la unión de citoplasmas por medio de la cual se acercan dos núcleos compatibles. 2. Cariogamia. Es la fusión efectiva de los núcleos, dando lugar al zigote o zigoto (cigote o cigoto), que posee su núcleo con un número diploide de cromosomas. 3. Meiosis. También llamada reducción cro­ matínica. En este paso se restablece el estadio haploide del núcleo.

Fisiología y nutrición Fisiológicamente los hongos se adaptan con facilidad a condiciones más adversas y severas que los otros microorganismos. 1. Temperatura. Los rangos de temperatura, para la supervivencia de los hongos, son bastante amplios: de 0 a 62 °C, el rango óptimo es de 22 a 37 °C. Ni siquiera los alimentos refrigerados se escapan a la invasión de los hongos. 2. pH. Soportan escalas de pH entre 2 y 9, pero el pH óptimo, para casi todas las especies, está alrededor de 5,6. 3. Presión osmótica. Una gran cantidad de hongos son menos sensibles a las presiones osmóticas elevadas que las bacterias y son capaces de desarrollarse en soluciones salinas concentradas como las salmueras o en solucio­ nes altamente azucaradas como las jaleas o los jarabes. 4. Agua. Aunque necesitan humedad para su desarrollo y pueden obtener el agua de la atmósfera y del medio, los mohos pueden so­ brevivir en ambientes deshidratados, que serían inhibidores para la mayor parte de las bacterias

no esporuladas. Cuando el medio se deseca, los hongos producen esporas o pasan al estadio de resistencia. 5. Oxígeno. Casi todos los mohos son aeróbicos estrictos y su crecimiento lo incrementa la presencia de oxígeno abundante. También se tienen datos de algunos reportes que ponen de manifiesto la existencia hongos facultativos. 6. Carbono. Aparentemente este elemento podría actuar como factor limitante en el desa­ rrollo de los hongos, pero realmente no posee mayor importancia, porque son capaces de ob­ tener el carbono de los elementos más variados como los alcoholes o los hidrocarburos. Según el potencial enzimático de cada hongo, ellos pueden obtener el carbono de productos solu­ bles como los azúcares, por ejemplo, glucosa, maltosa, sacarosa, entre otros; o de productos insolubles como celulosa. 7. Nitrógeno. Lo obtienen de aminoácidos por desanimación y de restos orgánicos e inor­ gánicos como los nitratos. 8. Sustancias inorgánicas. Entre estas se incluyen elementos como fósforo, azufre, potasio, magnesio, entre otros, que son obtenidos muy fácil­ mente, además, sus requerimientos son mínimos. 9. Vitaminas. Las necesidades de vitaminas también son mínimas y solo algunos hongos las necesitan preformadas como la biotina, la tiamina y la piridoxina, por esto, se dice que: “un hongo se desarrolla donde existió o existe crecimiento de seres vivos”. Los hongos que parasitan tejidos vegetales y animales (incluidos los humanos), con fre­ cuencia desarrollan unas estructuras que salen de la hifa y penetran en la célula huésped para obtener alimento directamente del citoplasma. Estas estructuras se llaman haustorias o hauxtorias. El alimento pasa de las haustorias a la hifa principal que se desarrolla entre las células del huésped. Las haustorias pueden ser bulbosas y ramificadas (véase figura 7.6).

Medios de cultivo Los hongos crecen prácticamente sobre cual­ quier sustrato y donde haya humedad, pero

166 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

específicamente, en general, existen tres tipos de medios de cultivo para los hongos: 1. Medios naturales. En este caso pueden utilizarse trozos o infusiones de frutas, vegeta­ les, granos de cereales o tejidos animales. Estos medios varían mucho en su composición y no son fácilmente reproducibles. ni tampoco de amplio uso. 2. Medios preparados. A los cuales se les han adicionado sustancias como peptonas, extractos de plantas, agar y otros compuestos de composición desconocida o variable. 3. M edios sintéticos. De composición quí­ mica definida, por ejemplo: 1) agar sabouraud contiene glucosa y peptona m odificada, pH ácido para favorecer el crecim iento de los hongos y evitar la contaminación por bacterias. En este medio se cultivan hongos saprofitos y patógenos; 2) agar mycocel, a este medio se le adicionan antibióticos como el cloramfenicol y la ciclohexidina, que impiden el crecimiento de hongos saprofitos, de bacterias y permiten el desarrollo óptimo de los hongos dermatofitos (hongos que afectan la piel); 3) agar CzapekDox a su composición normal, se le adicionan

determ inadas cantidades de estreptom icina y aureomicina, según el caso, para inhibir el cre­ cimiento bacteriano. Si quieren aislarse los mohos resulta muy práctico usar un medio de cultivo que favorezca su desarrollo, pero que no sea óptimo para las bacterias, como los medios ácidos con un pH de 5,6, con concentraciones relativamente altas de azúcar. Estos medios son bien tolerados por los hongos e inhiben a la mayoría de las bacterias. Un medio natural de amplio uso para el cul­ tivo de hongos es una infusión de maíz al que se le adiciona agar y glucosa. Otro medio de cultivo para mohos y levaduras contiene infusión de papa con agar y glucosa.

Clasificación Como se había mencionado antes, los hongos están ubicados en el reino fu n g í y todos sus representantes se encuentran incluidos en el phylum mycota, donde se encuentran dos gran­ des grupos: Mixomycota. En este grupo no se incluyen hongos que sean patógenos para el hombre.

Hongos

Eumycota. La clasificación de los hongos toma como base principal las características de sus esporas sexuales y cuerpos fructíferos. Los biólogos taxonomistas aún no llegan a un consenso sobre la forma de clasificar esta gran diversidad de organismos y a pesar de que al­ gunos textos utilizan complicados sistemas de clasificación, los micólogos utilizan un sistema bastante sencillo y fácil de aplicar. Con este siste­ ma agrupan más de 65.000 especies conocidas en cuatro divisiones o filos —-phyla (fila)— . Estas divisiones tienen mucha importancia debido a la gran variedad de sus miembros donde se encuentran hongos patógenos para el hombre, los animales y las plantas, además de los hongos utilizados industrialmente como los comestibles y farmacológicos. Según este sistema los cuatro phyla son: Chytridiomycota (Chytridiomicetes); Zygomycota (Zigomicetes); Ascomycota (Ascomicetes); Basidiomycota (Basidiomicetes). Las cuatro divisiones se caracterizan por tener en su reproducción una fase sexual, conocida como teleomorfo y otra fase asexual que se conoce como anamorfo. Un grupo de hongos que no presenta te­ leomorfo o fase sexual conocida se asigna, en forma arbitraria a un phylum deforma, llamado Deuteromycota o Deuteromycetes. Investigado­ res como Kirk et al.,1en el año 2001, reconocen las cuatro divisiones y no aceptan al phylum Deuteromycota como una categoría taxonómica formal. Otros autores, como Esperanza Franco Molano et al.,2 2005, corroboran esta posición. Los miembros de un phylum de forma son simi­ lares entre sí en algunos aspectos, pero probable­ mente no comparten un ancestro común. Aun así, en este grupo algunos taxonomistas han ubicado esas especies que no pueden ser clasificadas con facilidad por causa de la au­ sencia de estructuras sexuales, denominándolas inclasificables, por lo cual, las incluyen entre los deuteromicetes. Sin embargo, la mayoría de esas especies está emparentada con el filum ascomicetes. Vale aclarar que no es una propuesta univer­ sal, aunque tiene bastante peso en la taxonomía fúngica más actualizada, muchos autores con­

/ 167

tinúan describiendo el phylum Deuteromycota. Debido a esto y por causa de la controversia taxonómica, en esta obra aparecen descritas las cuatro divisiones propuestas y además el phylum Deuteromycota, donde quedan incluidos ciertos mohos que anteriormente se localizaban en la división de los Ascomycetes. Algunos mohos como los deslizantes (orden, acrasiales) y los oomicetes u hongos acuáticos (Oomycota) que siempre se clasificaron como hongos, en la actualidad muchos taxonomistas, los consideran protistas (véase tabla 7.1).

Chytridiomycota-C hytridiomicetes Los hongos de la división Chytridiomycota se ca­ racterizan por ser hongos primitivos unicelulares o con un micelio rudimentario con hifas cenocíticas. Se reproducen sexualmente por zoosporas móviles por medio de un flagelo localizado en su parte posterior. Viven en medios acuáticos, terrestres, materia orgánica viva y en descom­ posición, algunos son anaerobios y ayudan a los rumiantes a descomponer el material vegetal que consumen ubicándose en el tracto digestivo de estos animales.

Zygomycota-Zigomicetes Los hongos de la división Zygomycota son fi­ lamentosos, con hifas cenocíticas y multinucleadas. Se encuentran en el suelo, aire y agua. Entre ellos se señalan algunos géneros patógenos como Mucor y Rhizopus. Por ejemplo, Rhizopus nigricans se conoce con el nombre vulgar de moho del pan. Reproducción Según su reproducción, se clasifican como hon­ gos perfectos pues además de su reproducción asexual, también poseen la sexual. 1. Reproducción asexual. Estos mohos po­ seen micelios abundantes y bien desarrollados; las hifas fértiles poseen en su parte más distal un saco o bolsa llamado esporangio que contiene las esporas de reproducción asexual o esporangios-

Tabla 7.1

Clasificación de los hongos

División o phyla

Nombre común

Clase de hifas

Chytridiomycetes

Hongos primitivos

Cenocíticas

Estructuras repro­ ductivas

Hábitat

Esporas sexuales:

Materia orgánica viva o en descom­ posición, ambientes acuáticos

zoosporas

Principales representantes

Repercusión en la salud y la economía

Zlgomicetes

Moho del pan

Cenocíticas

Esporas sexuales: zigosporas Asexuales: espo­ rangiosporas

Suelo y materia orgánica vegetal en descomposición

Rizophus nigrícans

Causan la podredumbre blanda de las frutas y el moho negro que aparece en el pan

Ascomicetes

Hongos

Septadas

Esporas sexuales: ascosporas Esporas asexua­ les: conidias

Suelo y materia orgánica vegetal en

Saccharomyces (levadura)

Forman mohos en las frutas y causan daño a los textiles. Afectan árboles como el olmo y el castaño. Se incluyen levaduras y las morillas

descomposición

Basidlomicetes

Setas

Septadas

Esporas sexuales: basidiosporas Esporas asexua­ les: oídios o artrosporas

Suelo y materia orgánica vegetal en descomposición

Amanita (hongo venenoso) Pleurotus (hongo comestible) Roya y tizones (hongos fitopatógenos)

Producen daño a ciertos cultivos vegetales. Se incluyen zetas vene­ nosas, alucinógenas y comestibles

Deuteromicetes

Hongos imperfectos

Septadas

Esporas asexua­ les: micro y macroconidios

Suelo y materia orgánica vegetal en descomposición y el organismo de huma­ nos y animales

Candida albicans Paracoccidiodes brasiliensis Cocci-

Están incluidos la mayoría de los hongos patógenos para el hombre

diodes immitis

Hongos / 169

poras. La hifa que sostiene el esporangio es el esporangióforo. Las esporas poseen un número n de cromosomas (véase figura 7.7). 2. Reproducción sexual. Este tipo de repro­ ducción es diferente según se trate de hongos acuáticos o terrestres. Se describe la terrestre. La reproducción sexual necesita dos talos o micelios de tipos diferentes para poder apa­ rearse. Como los talos no pueden diferenciarse morfológicamente, se designan como más (+) y menos (-), provenientes de sus respectivos talos y esporos, con un número n de cromosomas, se ponen en contacto y se inicia un proceso de diferenciación. Se produce una prolongación del citoplasma conocida como progametangios que al unirse se convierten en gametangios separados por un tabique. El tabique se disuelve y ocurre la fusión de los citoplasmas, este paso se denomina plasmogamia. Los núcleos se van aproximando y se aparean (fusionan) produciéndose el evento que se conoce como cariogamia, cuyo resultado es un zygote, zigote, cigote, zigoto o cigoto que genéticamente es 2n, es decir, diploide. Es el único momento en que el moho tiene un número diploide de cromosomas. El cigote maduro reci­ be el nombre de zigospora que está contenida en una estructura llamada coenozygote o cenozygote. Posteriormente se produce meiosis y la pared

del coenozygote pronto se engruesa, se vuelve negra y se arruga, rompiéndose y permitiendo que de la zigospora salga un esporangióforo con su respectivo esporangio y un número n de cromosomas (véase figura 7.8).

Ascomycota-ascomicetes Los hongos de la división Ascomycota poseen micelios con hifas septadas, algunas son heterotálicas y otras liomotálicas, es decir, que se autofecundan porque son autofértiles. Están am­ pliamente difundidos en la naturaleza y algunos pueden ser patógenos para el hombre. 1. Reproducción asexual. La realizan por medio de esporas asexuales llamadas conidias, de las cuales existen diferentes clases que pueden ser unicelulares y pluricelulares. 2. Reproducción sexual. Se inicia cuando dos hifas, positiva y negativa, se unen y producen un fruto que da origen a unas hifas especializadas llamadas hifas ascógenas que luego sufren los procesos de plasmogamia, cariogamia, meiosis y mitosis; lo que da como producto final ocho ascosporas (haploides) en una asea. Las ascosporas son cuatro positivas (+) y cuatro negativas (-). Las aseas son una especie de vainas que contienen las ascosporas. Los ascomicetes pueden formar cuerpos fruc-

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tíferos o ascocarpos donde se alojan las aseas. Los ascocarpos dependiendo de su forma toman los siguientes nombres: apotecio, cleistotecio, peritecio. Cuando el asea madura estalla y dispersa las ascosporas que inician un nuevo ciclo.

Levaduras Las levaduras son hongos unicelulares que tienen la pared celular conform ada por residuos de

ácido-N-acetil glucosamina unidos por enlaces (3-1-4 en cantidad diferente a los mohos. Tam­ bién poseen un polímero de la glucosa que es el glucano, que le da rigidez, además, manano y proteínas que en algunas especies forman el complejo manano-proteína, también presentan lípidos y cantidades variables de quitina. La pared no es homogénea y permite la dife­ renciación de dos capas, una externa compuesta por glucano y una interna por manano-proteína.

Hongos

En el citoplasma las levaduras poseen varias vacuolas que contienen lípidos, polifosfatos y m etafosfatos. Los estudios realizados han demostrado actividad enzimática parecida a la actividad de las enzimas hidrolíticas como las proteasas, las esterasas y las ribonucleasas. La existencia comprobada de hidrolasas en las va­ cuolas sugiere que estas desarrollen una función muy similar a la de las lisozimas. Otra función de las vacuolas es servir de reserva energética para la nutrición de este tipo de hongos unicelulares (véase figura 7.9). Las levaduras son células con características morfológicas, fisiológicas y reproductivas dife­ rentes a los demás hongos. Las que se reproducen asexualmente se toman como imperfectas y las que poseen esporas sexuales como perfectas. Durante siglos, la mayoría de las levaduras han sido utilizadas en procesos fermentativos, en procesos de panificación y en la elaboración de alimentos. A ctualm ente, su utilización tiene m ucha demanda en las industrias de vitaminas, grasas y proteínas, en las cuales se utilizan como sustratos azúcares simples y amoniaco. Debido a su facilidad y velocidad de repro­ ducción, las levaduras se utilizan para estudiar procesos bioquímicos y metabólicos de las células eucarióticas. Sin embargo, algunas especies, causan daño a las plantas, animales y a los humanos. También

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pueden deteriorar alim entos, textiles, papel, y materia orgánica en general. Las levaduras poseen reproducción sexual y asexual. 1. Reproducción asexual. Las levaduras la pueden realizar- de diferentes formas: con blas­ tosporas y forman por este modo un seudomicelio, es decir, un falso micelio, por fisión binaria y gemación (véase figura 7.10). 2. Reproducción sexual. La realizan por medio de ascosporas. Se inicia con dos células positiva y negativa que se aproximan, dándose la plasmogamia, luego la cariogamia y el resul­ tado final son ocho ascosporas en un asea (véase figura 7.11). Las tres clases principales de este plrylum son: Hemiascomicetes, Euascomicetes y Loculoascomicetes (los términos filum, plrylum y filo significan lo mismo, igual que phylla, el cual usan actualmente algunos taxonomistas). Solo se describe el primero. Hemiascomicetes. Agrupa, principalmente, a las levaduras y otros hongos similares. Uno de los principales representantes de esta clase es la levadura de la cerveza o Saccharomyces cerevisiae que además de tener reproducción sexual por medio de ascosporas, también se reproduce asexualmente utilizando el proceso de gemación, en el cual aparece en la levadura una protuberancia o yema que va aumentando su tamaño y posteriormente se separan de la levadura original o célula madre.

172 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Hongos

Basidiomycota-Basidiomicetes Los hongos del phylum basidiomycota, se carac­ terizan por poseer hifas septadas dicarióticas, es decir, dos núcleos y los septos impiden el paso de los núcleos de un segmento a otro. Poseen tam­ bién una estructura en forma de pon-a o botella llamada basidia que contiene las esporas sexua­ les o basidiosporas. En esta clase se encuentran hongos macroscópicos o de masa, como las setas, los champiñones, los hongos conocidos como paraguas de sapo, orejas de palo, los tóxicos, los alucinógenos y los fitopatógenos, o sea, los que atacan a las plantas como la roya y los tizones (véase figura7.12). Algunos hongos de este gru­ po presentan, en sus hifas, unas estructuras que conectan un septo con otro llamadas grapas de conexión, las cuales permiten el paso del cito­ plasma y núcleos de un segmento a otro. Los hongos Basidiomycota tienen reproduc­ ción asexual y sexual. 1. Reproducción asexual. La realizan por medio de estructuras asexuales como artrosporas u oídios. 2. Reproducción sexual. Cuando una espora positiva o negativa encuentra el sustrato adecua­ do germinan y forman cada una un micelio por separado. Este micelio se llama micelio primario.

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Cuando la hifa (+) se une con la hifa (-), ambas provenientes de sus respectivos micelios primarios, ocurre un intercambio de núcleos que después de ciertos procesos de diferenciación forman un nuevo micelio conocido como micelio secundario. Cada segmento de las hifas de este micelio posee dos núcleos (n+ y n_), luego se forma una estructura fuerte o basidia y ocurre la cariogamia que forma un solo núcleo (2n), el núcleo, por meiosis, se divide y da lugar a cuatro núcleos que son cromosómicamente n, para luego diferenciar­ se en basidiosporas (esporas sexuales), que salen al exterior por medio de unos conductos, ubicados en la basidia, denominados esterigmas. Cuando el basidiocarpo presenta en la parte inferior del pñeo las estructuras en forma de láminas conocidas como Zamelas se denomina agarical. Si su superficie presenta poros seme­ jantes a un panal de abejas se llam a poliporaceo. Si su superficie es irregular semejando salientes o apariencia dentada se le denomina hydnaceo y si su superficie es lisa, es decir, que no presenta ninguna característica en particular, recibe el nombre de teleforaceo (véase figura 7.13). Los hongos más conocidos de esta división, se utilizan mucho industrialmente, entre ellos se encuentran: los champiñones, las setas, Pleurotus ostreatus que posee alto contenido de fibra.

174 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

El género Amanita incluye muchas especies venenosas como las llamadas popularmente ángel destructor y ángel de la muerte, pues la ingesta de una sola sombrilla de esos hongos puede ocasionar la muerte a un adulto sano. Es muy conocido el hongo Amanita muscaria que produce la sustancia alucinógena que se deno­ mina muscarina y afecta de muchas formas al sistema nervioso. El género Psilocybe incluye hongos muy populares en México, donde se consideran como hongos sagrados por algunas tribus indígenas aztecas y algunos indígenas americanos aún los utilizan en ceremonias religiosas. Un compo­ nente químico de estos hongos es lapsilocibina, pariente químico con uno de los componentes del LSD o ácido lisérgico, que es el responsable

del estado de trance y las visiones multicolores experimentadas por quienes los ingieren. Gene­ ralmente, no son letales, pero algunos consumi­ dores han reportado síntomas de intoxicación como malestar estomacal, sudoración y acele­ ración del ritmo cardiaco (taquicardia) (véase figura 7.14). Entre los hongos fitopatógenos están: la roya que puede destruir grandes áreas sembradas de cafetos y las royas negras que afectan los cereales como el trigo, maíz y árboles frutales como los cítricos (véase figura 7.15). Otros hongos son micorrizantes como Boletus que establece una relación mutualista con las raí­ ces del vegetal, beneficia la planta al descompo­ ner materia orgánica del suelo y así ayuda a que la planta obtenga agua y minerales como el fósforo

Hongos / 175

176 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

mientras que las raíces aportan al hongo azúcares, aminoácidos y otras sustancias orgánicas.

Deuteromycota En este phylum ele form a se han asignado unas 25.000 especies de hongos que pueden causar enfermedades al hombre y a los animales. Solo presentan un tipo de reproducción, la asexual; por esto, se les cataloga como fungí imperfecta. Entre estos hongos se encuentran los dimórficos, o sea, los hongos que pueden ser filamentosos y levaduriformes. Estos hongos se relacionan en forma estrecha con los ascomicetos y parece ser que algunos pocos están más relacionados con

los basidiomicetos. Si en estudios posteriores se descubren algunos hongos ubicados en este phylum, que posean reproducción sexual, estas especies se reasignan a otro phylum. La reproducción asexual la hacen por me­ dio de conidias que son esporas asexuales de diferentes formas y tamaños. Generalmente, se mencionan como microconidias y macroconidias.iyéanse figuras 7.16). Los hongos que se enumeran a continuación estuvieron clasificados en e\ phylum Ascomyco­ ta, actualmente se incluyen entre los D eute­ romycota, pues no se les reconoce reproducción sexual. 1. Penicillium notatum y Penicillium a y so-

Hongos / 177

genum, de ellos se obtiene uno de los antibióticos llaman micosis que reciben el nombre según el más conocidos: la penicilina (véase figura 7.17). lugar donde se produzcan, así: 2. Penicillium camembertti y Penicillium 1. Micosis superficiales o cutáneas. También roquefortti, utilizados en la industria láctea en la conocidas como dermatomicosis o tiñas. El hongo producción de quesos, conocidos comercialmen­ sólo infecta la piel, el pelo o las uñas. Las tiñas te como quesos camembert y roquefort. reciben el nombre dependiendo del lugar afec­ 3. Aspergillus niger, del cual se obtiene ácido tado, por ejemplo: tiña de la cabeza, tiña del pie cítrico y ácido glucónico (véase figura 7.18). (pie de atleta), de las uñas, etc. La candidiasis es 4. Aspergillus fumigatus, produce una dolen­ una infección de las membranas mucosas de la cia pulmonar conocida como goma aspergilosa boca y vagina y se cuenta entre las micosis más pulmonar. comunes. 5. Aspergillus flavus, produce una sustancia 2. Micosis subcutáneas. Para que se produz­ llamada aflatoxina que en dosis altas puede ser letal can es necesario que haya una puerta de entrada y en dosis pequeñas induce mutaciones celulares. o solución de continuidad como una herida en la 6. Candida albicans, responsable de infec­ piel. Son muy frecuentes entre los horticultores, ciones fúngicas de las mucosas bucales y vagi­ las personas que trabajan en aserríos, etc. nales que se conocen como candidiasis. 3. Micosis profundas o sistémicas. Com­ Los hongos dimórficos se caracterizan porque prometen uno o varios sistemas orgánicos. La a determinadas temperaturas y al nivel del labo­ histoplasmosis es una infección micótica muy ratorio se comportan como mohos, pero cuando grave, que causa un hongo llamado Histoplasma están en el cuerpo humano son levaduras. capsulatum, el cual esporula abundantemente en Aunque la piel y la membrana mucosa del los suelos que contienen excrementos de aves y hombre y animales sanos son una barrera muy cualquier persona que inhale las esporas puede eficaz contra la penetración de los hongos, exis­ contraer la infección. ten algunas especies que les pueden producir 4. Micosis oportunistas. Las causan hongos enfermedades. que no afectan a personas sanas, sino a aquellas Las enfermedades producidas por hongos se que han sido debilitadas por algún tipo de en-

178 /

M icrobiología básica para el área de la salud y a fines

fermedad sistémica debilitante, como: cáncer, diabetes, sida, desnutrición, entre otras.

3. 4.

Hongos: sumario Los hongos son microorganismos eucarióticos heterótrofos que obtienen su alimento en forma soluble, incorporándolo a través de la membra­ na citoplasmática de una manera similar a las células procarioticas. Poseen una gruesa pared celular constituida por polisacáridos sencillos. Pueden encontrarse como organismos unicelu­ lares (levaduras) y pluricelulares (mohos). Las levaduras generalmente se reproducen por gemación y como células aisladas, crecen y se reproducen más rápidamente que los mohos. Los mohos tienen un crecimiento típicamente ramificado (micelio), formado por filamentos individuales (hifas). La mayoría de los hongos están adaptados para vivir en el suelo, donde tienen importancia por con­ vertir el carbono orgánico en dióxido de carbono.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje 1.

2.

Compare la morfología y procesos de reproducción de las levaduras, mohos y bacterias. ¿En qué se parecen los hongos a las bacte­ rias?, ¿en qué difieren?

5.

6. 7.

8.

Compare morfológicamente las levaduras y los mohos. Describa ampliamente la morfología, me­ tabolismo, reproducción y genética de los mohos, y compare estas propiedades con las bacterias. Las esporas de los hongos pueden formarse asexualmente, pero a veces las esporas se producen por procesos sexuales. ¿Por qué son importantes estas últimas? Dé ejemplos de esporas sexuales y asexua­ les y descríbalas. Los hongos necesitan medios de cultivos diferentes a los de las bacterias, mencione varias clases de medios y compárelos con los utilizados para las bacterias. Hable sobre la clasificación de los hongos (grupos o divisiones), dando las característi­ cas de cada clasificación y compárelas entre sí. Analice sus formas de reproducción. ¿Por qué algunos se llaman imperfectos?, dé ejemplos y describa sus características.

Referencias bibliográficas 1. Kirk et al. Citado por Franco M olano E, et al. M acrohongos de la región del M edio CaquetáColombia. Medellín: Universidad de Antioquia, 2005. 2. Franco Molano E, et al. Macrohongos de la región del M edio Caquetá-Colombia. Medellín: Univer­ sidad de Antioquia, 2005.

8

Introducción a la parasitología E s t e capítulo considera las principales interrelaciones nutricionales entre diferentes especies, pero se limita a las que afectan a distintos tipos de animales, con el preámbulo de que una bue­ na parte, aunque no todo, de lo que se diga, se extiende también a las interrelaciones entre ani­ males y plantas. Existen fundamentalmente dos vías principales por las cuales un animal puede obtener alimento a expensas de otros animales: la predación o depredación y la simbiosis. Un animal puede atacar a otro animal vivo, produciéndole o no la muerte y posteriormente consumir todo o parte de su cuerpo para ali­ mentarse. Este proceso se denomina predación o depredación: el atacante es el predador o depredador y la víctima la presa. Algunos ani­ males pueden nutrirse de animales previamente muertos, bien sea devorando a aquellos que han muerto por causas naturales o comiéndose los restos que ha dejado un depredador. Los anima­ les que subsisten de esta forma se denominan carroñeros. Algunos animales son depredadores puros, otros carroñeros puros, pero muchos depredadores no se muestran adversos a una comida ocasional de carroña. Algunos animales consiguen siempre su alimento por su propio esfuerzo, o en asociación con otros animales de su misma especie. Esta es la forma más notoria y quizá la más común por la que los animales consigan su alimento; es a este gran grupo al que se hace referencia cuando se habla de carroñeros y depredadores. Otros animales que, aunque en esencia son depredadores o carroñeros, se han modificado tanto, hasta el punto de ser incapaces de obtener alimento a menos que se asocien, bien sea de

forma continua o intermitente, a miembros de otras especies. Esta asociación entre dos especies, quizá básicamente para obtención de alimento, por parte de uno o de ambos miembros se deno­ mina simbiosis. Literalmente, simbiosis, quiere decir “vida en común” y puede indicar también la existencia de protección u otras ventajas para uno de los asociados. Si se considera la asociación perjudicial o no para uno de los asociados, pueden distinguirse diferentes tipos de simbiosis. El comensalismo. Del latín “comiendo en la misma mesa”, define una asociación que es beneficiosa para un asociado y, al menos, no perjudicial para el otro. El mutualismo. Es una forma especializada de comensalismo y se produce cuando la asocia­ ción que surge resulta beneficiosa para ambos organismos. El parasitismo. Por el contrario, es una interrelación simbiótica en la cual un animal, el hospedador, se perjudica en algún grado por las actividades del otro animal, el parásito. El parasitismo, como los otros tipos de sim­ biosis, implica necesariamente una interrelación íntima entre las dos especies y es este contacto estrecho y prolongado el que diferencia al pa­ rasitismo de las actividades predadoras de los no parásitos. El parasitismo como modo de vida puede ser la única posibilidad para un organismo dado, o ser solo una alternativa. De esta manera se con­ sidera la siguiente clasificación: - Parásito obligado. Se refiere a un orga­ nismo que no puede sobrevivir de ninguna otra forma. - Parásito facultativo. Es un organismo que

1 8 0 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

puede vivir en estado libre o como comensal, pero si se le presenta la oportunidad vive como parásito. Está implícito en el término, el que este organismo no tenga la necesidad de ser parásito en ninguna fase de su vida. - Parásitos temporales. Algunos animales son parásitos obligados en una o más fases de sus ciclos biológicos y son de vida libre en otras. A este tipo de parásitos muchas veces se les califica de esta forma. - Endoparásitos. En este grupo se incluyen los parásitos que viven, necesariamente, en el interior del hospedador. - Ectoparásitos. Este término abarca los parásitos que se encuentran en la superficie del cuerpo del hospedador. - “Parásitos intermitentes ”. Esta clasifica­ ción, no aceptada por muchos ecologistas, in­ corpora a los animales pequeños como los mos­ quitos, que deben buscar periódicamente a otros animales más grandes para poder alimentarse. Esta utilización infortunada del término parásito proviene del supuesto que un depredador debe ser mayor y más fuerte que su presa, mientras que un parásito es un organismo pequeño y débil. La generalización es cierta para la mayoría de los depredadores y de los parásitos, o al menos para los más representativos. Sin embargo, la esencia de la interrelación parasitaria y lo que la diferencia de la depredación es la asociación prolongada e íntima entre el parásito y el hos­ pedador. La asociación entre el mosquito y su víctima no es ni prolongada ni íntima. Estos ar­ trópodos hematófagos, que llevan una existencia independiente, excepto ocasionales incursiones para alimentarse, deben denominarse micropredadores, término sugerido por un importante y representativo número de parasitólogos. Muchos organismos que se han considerado por costumbre como parásitos son en la actuali­ dad comensales. Entamoeba coli vive en la luz del intestino, subsiste allí alimentándose de la flora bacteriana entérica y no produce al hospedador ningún daño apreciable. Es una interrelación simbiótica en la que no se producen ventajas ni desventajas para el hospedador, mientras que la ameba está abastecida de alimento y protegida.

Aunque el parasitismo es un fenómeno gene­ ral de adaptación ecológica entre seres vivos que se asocian entre sí, la parasitología médica está circunscrita al estudio de los parásitos del reino animal, solamente cuando el hombre actúa como hospedador. La mayor parte de los parásitos humanos son endoparásitos que, gracias a algún mecanismo, lograron penetrar en la profundidad de los órganos, tejidos, sangre o cavidades na­ turales. También existen ectoparásitos que solo actúan en la piel o sus anexos. Las definiciones que se ofrecen en esta obra para simbiosis, comensalismo y mutualismo, difieren de las empleadas por muchos autores. Sin embargo, están de acuerdo con las reco­ mendaciones del Comité de Terminología de la Sociedad de Parasitología.

Parásitos Actualmente se trabaja con base en dos grandes grupos, en los cuales se ubican todos los parási­ tos que se referencian en este capítulo: protozoos y metazoos. Los primeros son unicelulares y poseen la típica estructura de la célula eucariótica. Los metazoos son parásitos pluricelulares, de los cuales, interesan a la parasitología clínica los helmintos o gusanos redondos y planos. Otro grupo de parásitos son los denominados artrópodos o animales provistos de exoesqueleto articulado como los insectos, pulgas, ácaros, entre otros.

Composición bioquímica Los parásitos poseen los mismos constituyentes de todas las células eucarióticas, pero se destacan por su alto contenido en hidratos de carbono. El principal de estos, de los helmintos y pro­ tozoos, es el glucógeno, el cual se utiliza en los procesos energéticos, cuando aquellos viven en un hábitat deficiente en oxígeno. Las proteínas estructurales de muchos parásitos son la queratina en los cestodos o tenias y la esclerotina en los quistes de protozoos y huevos de los helmintos. En los protozoos se encuentran fosfolípidos y esteróles en la composición de la membrana

Introducción a la parasitología

citoplasmática y triacilgliceroles (anteriormente llamados triglicéridos) en los lugares de almace­ namiento. Entre las sustancias inorgánicas de los helmintos se destacan los corpúsculos calcáreos, que además de los dos ácidos nucleicos, proteí­ nas y polisacáridos, poseen calcio, magnesio, fósforo y otros oligoelementos.

Respiración y metabolismo Inicialmente se consideró que por vivir en el tubo digestivo los parásitos intestinales eran anaerobios, mientras que los parásitos tisulares y hemáticos eran aerobios, porque en ellos la tensión de oxígeno es alta. Ninguna de estas aseveraciones es cierta, ya que los primeros pueden consumir oxígeno, incluso en altas concentraciones y los segundos utilizan la vía glucolítica en anaerobiosis total. Estructuras semejantes a las mitocondrias o ellas mismas son las encargadas del proceso respiratorio en helmintos y protozoos. La glucó­ lisis y el ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs) van unidos a hemoproteínas tipo citocromos, en la respiración aeróbica. Se conocen actualmente varias proteínas que intervienen en los procesos respiratorios de ciertos parásitos, pero aún se des­ conocen muchos de los mecanismos que se siguen en esta cadena. En resumen, la mayoría de los parásitos obtienen la energía necesaria para su metabolis­ mo por medio de procesos anaerobios como la glucólisis, pero en presencia de oxígeno pueden utilizar las actividades oxidativas. En anaerobio­ sis, los aceptores de electrones son sustancias orgánicas, y en aerobiosis, el oxígeno, por medio de una cadena enzimática en la cual intervienen los citocromos.

Fisiología La actividad fisiológica en los protozoos se efec­ túa mediante las formas biológicas vegetativas, denominadas trofozoítos. En muchos casos estos dan lugar a otras formas biológicas llamadas quistes, caracterizados por su inmovilidad y

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bajo metabolismo, por lo cual son considera das formas de resistencia y conservación de la especie. La movilidad de los trofozoítos se establece mediante cilios, flagelos, seudópodos o membra­ nas ondulantes. Los protozoos pueden reprodu­ cirse de dos formas: sexual o asexualmente.

Nomenclatura La denominación de los parásitos, al igual que la de otros microorganismos, se ajusta a la no­ menclatura binomial de Linneo (1785). en la cual, la primera palabra corresponde al género y la segunda a la especie. Ejemplo: Entamoeba , esta palabra corresponde al género y la segunda, histolytica, corresponde a la especie. Es decir, que el nombre completo del parásito sería En­ tamoeba histolytica.

Fuentes de las parasitosis Una infección parasitaria puede adquirirse cuan­ do el parásito utiliza una de estas vías: 1. A partir de otra persona por contacto, que puede ser más o menos directo. Por ejemplo: Trichomonas vaginalis. 2. Por autoinfección. Uno de los ejemplos más representativos es el mecanismo ano-manoboca de la oxiuriasis, cuyo agente etiológico es Enterobius vermicularis. 3. Por transmisión matemofilial o congénita: Toxoplasma gondii. 4. A partir de objetos contaminados, como ropa o sábanas. Esta es una de las vías de infección parasitaria propia de Enterobius ver­ micularis. 5. A partir del suelo, aguas o alimentos contaminados con excretas humanas, ejemplo Entamoeba histolytica. 6. Por el consumo de carne de animales con­ taminados, es el caso de Taenia solium. 7. Mediante artrópodos transmisores. Por ejem­ plo, Plasmodium agente causal del paludismo, se transmite por la picadura de la hembra de diferentes especies del mosquito hematófago Anophelex.

182 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Vías de entrada Los parásitos pueden penetrar en el cuerpo humano por diversas vías, como la cutánea, la mucosa, la digestiva y la respiratoria. Otra po­ sible vía de entrada es la transfusión de sangre, cuando esta viene de individuos enfermos o

portadores asintomáticos como sucede con el género Plasmodium, productor del paludismo o malaria. El presente capítulo se divide en dos seccio­ nes para facilitar su estudio y entendimiento: una sección dedicada a los protozoos y la otra a los helmintos.

8A

Protozoos L o s protozoos son organismos unicelulares de estructura eucariótica, desprovistos de pared celular, de los cuales se han descrito aproximada­ mente 50.000 especies y de estas solo una vein­ tena son patógenas para el hombre y animales, otras especies son saprofitas y establecen hábitats diferentes como el suelo, el aire o las plantas, entre otros. Los protozoos pueden establecer su hábitat en aguas dulces o saladas (marinas). La estructura celular eucariótica del protozoo, básicamente, consta de citoplasma y núcleo. El primero está formado, casi siempre, por una zona delgada periférica llamada ectoplasma y otra interna muy compleja denominada endoplasma. El citoplasma tiene importantes funciones como el movimiento, la ingesta de alimentos, la excreción y, en algunos casos, la respiración. El endoplasma es granular, posee funciones de nutrición y en él existen vacuolas digestivas o de reserva y contráctiles, estas últimas tienen como función la eliminación de agua y regulación osmótica. Una gran cantidad de protozoos realiza su alimentación por el mecanismo de fagocitosis (proceso por el cual una partícula alimenticia es rodeada por unas prolongaciones o emisiones citoplasmáticas, que la introducen en la célula). Otros utilizan una estructura llamada citostoma, que funciona a modo de boca, la cual le permite al protozoo, literalmente, “tragar” bacterias u otras células eucarióticas de menor tamaño El núcleo es el responsable del control de las funciones vitales y la reproducción. Esta organela puede ser vesicular o compacta y posee una membrana nuclear, un retículo con ADN cromo­ sómico y los nucléolos o cariosomas. La forma,

el tamaño y el número de los núcleos tienen un gran valor taxonómico y diagnóstico. Los protozoos se clasifican en cuatro grupos taxonómicos, se tienen en cuenta características como: la movilidad, la patogenicidad, ciclo bio­ lógico, entre otras. Los grupos taxonómicos son: Sarcodina (ameboides), Ciliophora (ciliados), Mastigophora (flagelados) y Sporozoa o Apicomplexa (esporozoos) (véase tabla 8.1).

Sarcodina (ameboides) Los principales representantes del grupo Sarcodi­ na son las amebas y entre ellas se destacan como parásito comensal de vida libre Entamoeba coli y Entamoeba histolytica, como parásito patógeno y común en el intestino grueso de los humanos, productor de cuadros diarreicos llamados disente­ rías amebianas. El parásito, también se encuentra frecuentemente en el intestino grueso de animales del grupo de los primates y otros que se encuen­ tran normalmente en situaciones de estrés, como les ocurre a los animales de los zoológicos. La Entamoeba histolytica presenta tres formas bio­ lógicas: trofozoíto, prequiste y quiste. Trofozoíto. Es la forma de vida libre, la cual muestra la forma ameboidea característica de este parásito y es extraordinariamente móvil pleomórfica porque su aspecto y movilidad están influidos por los cambios de pH, potencial de óxido-reducción y osmolaridad. Se multiplica por fisión binaria, es muy sensible al jugo gás­ trico y a los agentes externos. Su hábitat com­ prende la luz y la pared del colon, especialmente el sigmoides y el recto. El tamaño del protozoo adulto oscila entre 15 y 35 ,um y se nutre por

184 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Tabla 8.1

Principales protozoos patógenos para el hombre

Grupo taxonómico

Nombre común

Principal representante

Sarcodina

Ameboides

Entamoeba histolytica

Ciliophora

Ciliados

Balantidium coli

Mastigophora

Flagelados

Giardia lamblia Trypanosoma cruzi Trichomonas vaginatis Leishmania braziliensis

Sporozoa o Apicomplexa

Esporozoos

Plasmodium vivax

fagocitosis a expensas de los tejidos disueltos y hematíes o glóbulos rojos, ayudándose con la emisión de seudópodos (falsos pies). El trofozoíto ameboideo es laforma invasiva de Entamoeba histolytica y la única forma biológica detectable en los tejidos, también puede detectarse en las diarreas acuosas de la disentería amebiana. El citoplasma presenta dos regiones una más externa hialina y otra interna granular. En la región citoplasmática granular se encuentran vacuolas alimenticias que desarrollan gran ac­ tividad enzimática para degradar las partículas nutritivas y vacuolas contráctiles que regulan el balance hídrico del parásito. Prequiste. Se forma por evolución del trofozoíto y no es más que un quiste joven, inmaduro, posee uno o dos núcleos, algunos cuerpos cromatínicos y vacuolas de glucógeno. Esta forma no es infectante. Quiste. Cuando el prequiste madura des­ aparecen los cuerpos de cromatina y se forman 4 núcleos (quiste cuatrinucleado), la estructura resultante toma el nombre de quiste, convir­ tiéndose en la forma infecciosa y resistente del parásito. Pueden observarse en la luz del colon y en las heces pastosas o formadas, de la persona parasitada. Es de forma oval o esferoidal y su tamaño varía de 10 a 25 |am. El quiste es muy resistente al jugo gástrico, a factores ambientales externos y a las concentra­ ciones habituales de cloro en el agua. Sobrevive hasta 5 minutos a temperatura de 50 °C y en el agua puede tolerar temperatura de 0 °C por 90

Toxoplasma gondii

días. Se mantienen viables en alimentos líquidos a temperaturas de 4 °C durante 10 a 15 días. En las deposiciones resiste hasta 9 días a temperatu­ ras de 22 °C y 25 días a 5 °C. El quiste es la forma infectante del parásito (véase figura 8.1).

Ciclo biológico El ciclo de vida o ciclo biológico es relativamen­ te sencillo. La infección se inicia con la ingesta de los quistes, los cuales, como se anotó antes, son capaces de resistir el pH gástrico. Los quistes provienen y son transportados por el agua o ali­ mentos contaminados con materia fecal humana o de animal parasitado por el protozoo. En el intestino delgado ocurre la llamada exquistación, que consiste en la división del quiste cuatrinu­ cleado que da origen a ocho núcleos, es decir, que pasa a un estado metaquístico transitorio (ameba metaquística), la división citoplásmica continúa y emergen ocho trofozoítos. Los trofozoítos se dirigen al intestino grueso para colonizarlo y madurar, ahí se alimentan de bacterias y restos celulares y reciben el nombre de trofozoítos de la luz intestinal (véase figura 8.2). En determinadas circunstancias, los trofo­ zoítos adquieren capacidad de invadir la mucosa intestinal y por la acción de enzimas proteasas, hialorunidasas y mucosacaridasas, erosionan la mucosa, produciendo, aveces, ulceraciones y al­ canzan incluso la submucosa. Toman el nombre de trofozoítos tisulares, que son de mayor tama­ ño, poseen más movilidad, son hematófagos, no

Introducción a la parasitología

se transforman en quistes y no suelen salir por las heces. Por medio del sistema portal pueden alcanzar el hígado u otros órganos. Finalmente, los trofozoítos de la luz intestinal pueden enquistarse completando el ciclo.

Ciliophora (ciliados) En el grupo Ciliophora se encuentran dos de los representantes más estudiados: Paramecium, es un parásito de vida libre y habitante normal de las aguas estancadas y Balantidium coli, como el representante patógeno humano. Las caracterís­ ticas de este último se mencionan a continuación por ser un parásito, primariamente, de animales y ocasionalmente infecta el intestino del hom ­ bre y produce cuadros diarreicos conocidos como disenterías balantidianas muy similares a las disenterías amebianas. Este protozoo posee dos formas biológicas: el trofozoíto que es la forma invasiva y el quiste que es la infecciosa, porque el trofozoíto se destruye rápidamente en el medio ambiente.

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Trofozoíto. Es la forma de vida libre del pará­ sito, su morfología es oval y de tamaño variable entre 40 y 50 pm. Superficialmente está cubierto por una capa de cilios de pequeña longitud que le proveen una característica de avance continuo y rotación alrededor del eje mayor del parásito. Posee dos núcleos, uno grande o macronúcleo de aspecto arriñonado o en V que se relaciona con las actividades vegetativas y otro pequeño o micronúcleo que se relaciona con las funciones reproductivas y de la herencia. El citoplasma suele ser granuloso y posee varias vacuolas alimenticias y dos vacuolas contráctiles. En el polo anterior se encuentra el citostoma o “boca” del parásito, recubierto de cilios y en el posterior el orificio excretor o citopigio. El trofozoíto se multiplica por fisión binaria y quizá también tiene la posibilidad de realizar el proceso de intercambio de material genético conocido com o conjugación (apaream iento sexual). Se encuentra en la luz intestinal y en el interior de la mucosa y submucosa de la región terminal del íleon, ciego, sigmoides y recto.

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Quiste. Tiene un tamaño de 45 a 65 ¡am y una pared doble y resistente, es esférico u oval. Los quistes jóvenes son ciliados y estos cilios se sitúan dentro de la pared. Posteriormente y a medida que el quiste madura, los cilios, el citostoma y con frecuencia el micronúcleo desaparecen. El quiste es la forma infectante del Balanticlium, pero a diferencia del de E. histolytica, no se divide. El quiste se arroja al medio externo con las heces donde contamina aguas y alimentos, que facilitan la infección del hombre (véase figura 8.3).

Ciclo biológico Los quistes maduros penetran por vía bucal, transportados por agua o alimentos contaminados con materia fecal. En el estómago comienza a disolverse la pared del quiste, proceso que se completa en el intestino delgado, dejando en libertad al trofozoíto de la luz intestinal. Los trofozoítos emigran al intestino grueso donde se multiplican y se comportan normalmente en forma comensal (véase figura 8.4).

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Posteriormente, los trofozoítos pueden inva­ dir la mucosa intestinal, incluso la mucosa sana, por acción de la secreción de enzimas como la hialorunidasa. Estos se llaman trofozoítos tisulares, los cuales se multiplican, no se enquistan, pero atraviesan la muscularis mucosae del intestino y alcanzan la submucosa, donde originan ulceraciones intestinales de aspecto cra­ teriforme. En ocasiones produce perforaciones intestinales, pero son raras las propagaciones a distancia por vía hemática, al hígado, pulmón o corazón.

Mastigophora (flagelados) En este grupo taxonómico se encuentran los protozoos móviles por estructuras o apéndices flexibles llamados flagelos. Muchos de estos fla­ gelados son de vida libre y un número importante de ellos son parásitos de animales y del hombre. Según su hábitat se dividen en tres grupos: 1. Flagelados intestinales. Como su nombre lo indica son parásitos de las vías intestinales. Por ejemplo, Giardia lamblia. 2. Flagelados atriales. Parásitos de la boca, uretra y vagina, como Trichomonas vaginalis. 3. Hemoflagelados. Este tipo de parasitos se desarrolla en secreciones propias de la boca, flagelados de la sangre, en este grupo pueden

mencionarse Leishmania brasilienzis y Tripanosoma cruzi.

Giardia lamblia (flagelado intestinal) Es el único protozoo flagelado patógeno para el hombre que habita el intestino en la porción del duodeno y yeyuno, de manera especial en niños, en ambientes de bajo nivel higiénico y sanitario. El protozoo tiene dos fases o formas biológicas: la forma vegetativa o trofozoíto (forma invasiva) y la forma de resistencia o quiste (forma infecciosa). A este parásito se le asignan varios nombres como: Giardia duodenalis, Giardia intestinalis (comúnmente utilizado en Europa); Lamblia in­ testinalis (utilizado en la antigua Unión Soviética), pero en esta obra se adopta el de Giardia lamblia hasta que los taxonomistas logren consenso para mencionar el protozoo con un solo nombre. Trofozoíto. Tiene aspecto piriforme, con un polo anterior redondeado y otro posterior afilado. Su tamaño es de 10 a 20 |jm de longitud. La cara anterior es cóncava y la posterior convexa. En la cara anterior se encuentra una estructura llamada axostilo, formado por un engrasamiento protoplasmático que divide al parásito en dos mitades. Posee dos núcleos anteriores con cariosomas centrales muy manifiestos. Tiene un gran disco de succión, cuatro pares deflagelos y corpúsculos parabasales

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Figura 8.4

Ciclo biológico de Balantidium coli

o cuerpos cromcitínicos. El trofozoíto casi nunca aparece en las heces, excepto en aquellos casos en que existe una marcada aceleración del tránsito intestinal, pero posee extraordinaria labilidad y se destruye rápidamente en el medio ambiente (véase figura 8.5). Quiste, Es ovalado o elipsoidal, refringente, posee dos núcleos cuando está inmaduro y cuatro cuando alcanza la madurez, con sus correspon­ dientes cariosomas centrales. La pared es lisa e incolora y normalmente gruesa. Cuando los parásitos pasan al colon, por lo general, se enquistan. El quiste, al igual que el de los parásitos ya mencionados, es la forma infec­

ciosa y la más usual y detectable del parásito en las heces, donde aparecen en grandes cantidades, inclusive, cuando las personas son totalmente asintomáticas (véase figura 8.5). Es el agente causal de la giardiasis adquirida en humanos. Ciclo biológico

Este en la Giardia lamblia es muy sencillo, por­ que no necesita un huésped intermediario. Su hábitat se encuentra en el intestino delgado alto, fundamentalmente el duodeno, aunque también, puede hacerlo en el yeyuno. El quiste penetra

Introducción a la parasitología

al organismo por vía bucal y por la acción del jugo gástrico pierde la envoltura protectora, dejando libre el trofozoíto en la luz intestinal. El trofozoíto permanece fijo a la superficie del epitelio intestinal por medio del disco de succión (ubicado en la parte superior del parásito), se reproduce por fisión binaria o sexualmente y al llegar al colon, como las condiciones intestinales le son desfavorables, se transform a en quiste para ser expulsado con las heces. El quiste se adquiere por la ingesta de aguas o alimentos contaminados o por contaminación fecal directa como puede ocurrir, con alguna frecuencia, en las guarderías para niños.

Trichomonas vaginalis (flagelado atrial) Trichomonas vaginalis es un protozoo flage­ lado atrial que parasita el tracto urogenital y es patógeno para la especie humana, aunque, experimentalmente se ha conseguido que parasite a algunos animales. En el varón afecta la próstata, vesículas seminales y uretra, y en la

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mujer el parásito es responsable de 15 a 20% de las vulvovaginitis clínicamente diagnosticadas. La temperatura óptima para su crecimiento está entre 35 y 37 °C y el pH entre 5,5 a 6,5 (véase figura 8.6). El trofozoíto es su única forma biológica y cumple simultáneamente las dos funciones: infecciosa e invasiva. Es el agente causal más común de las tricomoniasis en humanos. La morfología del trofozoíto es piriforme y en el extremo superior se observa el citostoma. El protozoo es extraordinariamente móvil con movimientos bamboleantes y de rotación, muy característicos del parásito, además, es demasia­ do sensible a los agentes externos, aunque puede resistir algunas horas en ambientes húmedos. Posee un núcleo redondeado o ligeram ente ovalado, con un nucléolo o cariosoma de dispo­ sición central o subcentral. El citoplasma que es de aspecto granuloso está surcado por varias vacuolas y granulaciones siderófilas, además, es atravesado en forma bastante manifiesta el axostilo. Tiene cuatro flagelos libres y uno más que se fija al borde libre de la membrana ondulante que

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es corta y casi nunca sobrepasa el tercio posterior del parásito; todos los flagelos se originan de un blefaroplasto. Se conocen varias especies de las cuales solo trichomonas vaginalis es patógena y se encuen­ tra en el aparato genitourinario de hombres y mujeres. Trichomonas hominis se encuentra en el in­ testino y trichomonas tenax en la boca asociada a enfermedades periodontales, pero a ninguna de las dos se les describe patologia en humanos. Las tres especies son prácticamente indiferenciables morfológicamente.

de Estados Unidos, México, América Central y Sudamérica). Esta enfermedad se presenta en muchas zonas del nuevo continente entre los 42° de latitud norte y los 43° de latitud sur. En Africa se conoce con el nombre de enfermedad africana del sueño. La transmiten insectos redúvidos, principalmente los chinches domésticos que defecan durante o inmediatamente después del proceso de alimentación, esos insectos pertenecen a los géneros Triatoma, Rhodnius y Panstrogylus.

Tripanosoma cruzi (hemoflagelado)

El artrópodo que lo transmite es un insecto redúvido que se conoce con el nombre vulgar de pito y se infecta cuando pica a una persona o animal enfermo y succiona de su sangre unas formas llamadas tripomastigote, que luego en el tubo digestivo del artrópodo se transforman en epimastigotes, es decir, formas cortas, que se dividen por fisión binaria dando lugar a nuevos epimastigotes o formas largas. Estos epimastigo­ tes se transforman, a su vez, en tripomastigotes metacíclicos que son expulsados por las heces (véase figura 8.8). Cuando el insecto redúvido o pito infectado

Este protozoo hemoflagelado, parásito de la sangre, adopta diferentes formas durante el desarrollo de su ciclo biológico. La morfología del parásito que esquematiza la figura 8.7, co­ rresponde a la forma de trypomastigote donde se observa un gran blefaroplasto, el núcleo, el flagelo que limita la membrana ondulante y presenta abundantes gránulos de volutina. Es el agente etiológico de la tripanosomiasis americana o enfermedad de Chagas (nombres con los cuales se conoce la patologia en el sur

Ciclo biológico

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pica a un nuevo huésped para tomar su sangre y alimentarse, deposita su contenido intestinal. Las heces del artrópodo contienen tripomastigotes metacíclicos que penetran en el tejido subcutáneo a través de la herida causada por la picadura o por otras heridas próximas, por folículos pilosos, por la conjuntiva e incluso la piel o las mucosas sanas. En el sitio de entrada suele presentarse un nodulo subcutáneo llamado chagoma. Desde esta localización llegan a la sangre en la que se

difunden vehiculizados por leucocitos, linfocitos, monocitos o simplemente como elementos libres. Los tripomastigotes no se dividen, pero penetran en tejidos, especialmente músculo cardiaco y sistema retículo endotelial y se transforman en amastigotes que son formaciones intracelulares, que se dividen por fisión binaria y se convierten en epimastigotes, los cuales son liberados al torrente circulatorio donde adoptan la forma de tripomastigotes (véase figura 8.9).

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Leishmania braziliensis (hemoflagelado) Este protozoo es un hemoflagelado y agente etiológico de la leishmcmiosis mucocutánea o nasofaríngea, pues, además de afectar la piel tie­ ne preferencia por las mucosas de la nariz, boca y faringe. El género Leishmania está ampliamente difundido en la naturaleza y las especies que lo componen son prácticamente indiferenciables morfológicamente. En Sudam érica lo transm iten moscas del género Lutzomya, que se conocen comúnmente con el nombre de mosquito palomilla, también por garrapatas y por contacto hombre-hombre; en Europa se transmite por moscas del género Phlebotomus. Sus reservorios principales son los cánidos, roedores y el propio hombre. La picadura de la mosca es muy dolorosa y produce una úlcera que crece en superficie y profundidad, generalmente en cara y extremidades.

Sporozoa o Apicomplexa (esporozoos) En el grupo Sporozoa o Apicomplexa se encuen­ tran los géneros Plasmodium y Toxoplasma, que son solo dos representantes de este numeroso grupo de esporozoos caracterizados por ser pa­ rásitos obligados e inmóviles en estado adulto. A unque su nom bre sugiere la form ación de esporos, estos protozoos no lo hacen como es el caso de las bacterias y los hongos. Si originan unas estructuras semejantes se conocen como esporozoítos.

Plasmodium Este género incluye más de 100 especies, cuatro de las cuales son agentes etiológicos de la ma­ laria o paludismo humano: Plasmodium vivax, Plasm odium ovale, Plasm odium fa lciparum y Plasmodium malariae. Todos son parásitos intracelulares ameboides, característica morfo­ lógica que los diferencia de otros esporozoos. Se

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transmite al humano con la ayuda de un vector: el m osquito hem atófago hem bra del género Anophelex infectado. Se presenta en zonas tropicales y subtropica­ les que se localizan a altitudes por debajo de los 1.500 m; sin embargo, los cambios climáticos y los movimientos de las poblaciones pueden hacer que la enfermedad se expanda. A parte del vector, la enfermedad también puede transmitirse por causa de transfusiones sanguíneas cuando el donante está enfermo o es un portador asintomático. Normalmente el perio­ do de incubación ocurre entre 10 y 15 días, pero puede ser mayor cuando la infección la causan Plasmodium vivax o Plasmodium malariae. Los síntomas más constantes son fiebres muy

altas y escalofríos, que a veces se acompañan de dolores musculares, de cabeza, vómito, diarrea y algunos pacientes pueden sufrir alteraciones del estado de conciencia, si no reciben tratamiento después de las crisis febriles.

Ciclo biológico El ciclo biológico es prácticamente igual en las cuatro especies y presenta dos etapas o fases bien diferenciadas:

1. Fase asexuada, esquizogónica o endóge­ na, Con multiplicación en el hospedador verte­ brado, para nuestro caso, el hombre. Esta fase es doble: a) esquizogonia exoeritrocítica o tisular, que se produce en las células parenquimatosas

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hepáticas, y b) esquizogonia eritrocítica, que los ooquistes que, posteriormente, se ingieren tiene lugar en el interior de los hematíes. y se localizan en neuronas, retina, miocardio, 2. Fase sexuada, esporogónica o exógena. Semúsculos y sistema retículo endotelial. Es el res­ lleva a cabo en el tubo digestivo de la hembra del ponsable de la toxoplasmosis que también puede mosquito Anophelex (véase figura 8.10). ser congénita posnatal y producirle, si no se produce el aborto, al recién nacido hidrocefalia, Toxoplasma gondii calcificaciones intracraneales y coriorretinitis. Estas importantes secuelas corresponden a la Este parásito Toxoplasma gondii es un esporozoo triada de Sabin. La infección congénita solo intracelular que puede parasitar varias especies se produce cuando las madres no inmunes se animales, incluyendo al hombre. Son parásitos infectan durante el embarazo y es la causa de naturales de gatos, felinos y algunos pájaros, en mortinato (bebé que nace muerto) que general­ el intestino delgado de estos animales se mul­ mente ocurre cuando la madre se infecta en el tiplican y por medio de las heces se expulsan primer trimestre del embarazo.

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Helmintos L o s helmintos son gusanos o vermes de cuerpos redondos o planos, pluricelulares, invertebrados, sin apéndices articulados que carecen de aparato circula­ torio, órganos de respiración y que pueden parasitar al hombre. La mayor parte de su ciclo vital ocurre en condiciones de anaerobiosis. El término helminto viene del griego helmint que significa gusano. De los helmintos parásitos del hombre se estudian dos grandes phylum:

Nematelmintos {phylum Nematoda) Son gusanos redondos no segmentados y con sexos separados, conocidos popularmente como lombrices. Los más comunes son: Ascaris lumbricoides, Necator americanus (uncinaria), Ente­ robius vermicularis (oxiuro), Trichuris trichura, Strongiloides stercoralis y Ancylostoma duodenale. En muchas ocasiones se les puede apreciar vivos en las heces con tamaños tan diferentes, que varían desde una hebra de hilo hasta el diámetro de una lombriz de tierra común. Posteriormente se describen las tres primeras especies. Según su número y tamaño causan hiporexia (disminución del apetito) o anorexia (falta o pérdida del ape­ tito), palidez causada por anemia, sensación de “embalonamiento” o “entamboramiento” (sensa­ ción de estómago hinchado o distendido), mala absorción de nutrientes e incluso dolor abdominal que puede llegar a semejar la sintomatología de un abdomen agudo.

Platelmintos (phylum Platyhelminth.es) Se dividen en dos clases de interés médico: la clase Trematoda que agrupa a los tremátodos

y la clase Cestoda o Cestoidea que agrupa los cestodos o tenias.

Clase Trematoda Son gusanos planos no segmentados, forma de hoja y pueden parasitar el aparato digestivo, los vasos sanguíneos mesentéricos, el cerebro, el aparto urinario y otros órganos. Casi todos los gusanos agrupados en esta clase son hermafroditas y se reproducen por autofecundación. Uno de los representantes más importante es Fasciola hepática, conocida como la lombriz del hígado de la oveja. Encontrar estas lombrices adultas en humanos es rarísimo, pero son muy abundantes en ovejas, terneras y otros herbívoros, a los cuales les penetran el intestino, luego pasan al hígado desde la cavidad abdominal y maduran en los conductos biliares.

Clase Cestoda o Cestoidea Son gusanos planos, generalmente segmentados, hermafroditas, conocidos popularmente con el nombre de tenias o cestodos. Las más comunes son Taenia solium (tenia del cerdo); Taenia saginata (tenia de la vaca); Hymenolepis nana (tenia de la rata) y Equinococcus granulosum (tenia del perro). Solo se describen las dos primeras especies. Estos gusanos (gusanos acintados) se caracterizan por su forma plana y, en algunos casos, cuando han alcanzado su estado adulto, viven en el hombre pero la larva debe crecer en un animal, de esta manera, la infección ocurre por contaminación con heces de animales, como sucede con la tenia del perro y de la rata o por

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ingesta de carnes eradas o mal cocidas (send­ eradas) como la tenia del cerdo y de la vaca. La mayor complicación de la infección por estos gusanos se presenta cuando es la larva la que se desarrolla en el hombre, como puede suceder con la larva de la tenia del cerdo llamada Cisticercus cellulosae, la cual puede localizarse en el cerebro y causar la cisticercosis. La larva del perro o de la rata puede localizarse en los pulmones o en el hígado y causar el quiste hidatídico (quiste hepático que contiene las larvas de la tenia). En los dos casos se presenta el riesgo de muerte y el tratamiento debe ser intrahospitalario con posibilidad de intervenir quirúrgicamente al paciente.

Nematoda o nematelmintos Ascaris lumbricoides Este gusano fue descrito por Linneo en 1758. Es el nematodo intestinal de mayor tamaño que afecta al hombre, es de color blanco o rosado y los extremos son redondeados. Los gusanos producen la ascariasis o ascaridiasis. La ascariasis es una geohelmintiasis (grupo de afecciones parasitarias relacionadas con las condiciones del ambiente, es decir, que son helmintiasis transmitida por el suelo, ya que los huevos deben permanecer algún tiempo en la tierra hasta que embrionen alcanzando así su

forma infecciosa), de distribución mundial que se presenta en climas húmedos, tropicales o templados. El parásito se conoce desde la época de los romanos, quienes lo confundían con las lombrices de la tierra. Están libres en la luz intestinal del intestino delgado y se alimentan del material alimenticio digerido. La hembra pone más de 20.000 huevos por día, que son expulsados con las heces, donde forman em­ briones en presencia de humedad y temperatura favorable, en un periodo de dos a tres días. En estado adulto el gusano hembra mide de 25 a 35 cm de longitud y en ocasiones puede alcanzar más de 50 cm, mientras que los machos son, relativamente, pequeños, en general miden 15 ó 20 cm, en pocas ocasiones alcanzan los 30 cm (véase figura 8.11). Ciclo biológico. Su ciclo biológico se inicia con la expulsión de huevos inmaduros con las he­ ces y su diseminación en el suelo. En buenas con­ diciones ambientales de temperatura, humedad, calidad de suelo y sombra, en 18 días alcanzan el estado de embrión. Al ingerirse los huevos en embrión llegan al intestino delgado donde eclosionan y las larvas penetran la mucosa. Luego, por vía venosa alcanzan la circulación portal y van a los pulmones donde sufren dos mudas. Posterior­ mente, ascienden por el árbol respiratorio hasta la faringe donde son deglutidas y vuelven a su hábitat, el intestino delgado, donde sufren otra muda y se convierten en gusano adulto. El pará-

Introducción a la parasitología

sito adulto se mantiene en movimiento constante para no ser expulsado por las ondas peristálticas. Su longevidad es de doce a veinte meses. Las hembras fecundadas inician la postu­ ra entre ocho y doce semanas después de la infección. Sus ovarios pueden contener hasta 27.000.000 de huevos y se calcula que un gusano hembra puede producir unos 220.000 huevos al día. Su sistema reproductor está altamente desarrollado y adaptado para producir grandes cantidades de huevos, debido a que su posibili­ dad de sobrevivir es menor a 1/1.000.000, aun en medios ambientes favorables. Cuando el número de gusanos es muy alto, es decir, que el individuo tenga en su intestino del­ gado varias decenas de parásitos adultos, puede provocar una obstrucción del intestino al formar una especie de “bola” u “ovillo” de gusanos, que es la responsable de producir la oclusión, especialmente en los niños. Los infantes que presentan este tipo de oclusión intestinal, en general sufren fiebre y malestar general. También es habitual una distensión del estómago con dolor a la palpación. Este signo ayuda a nombrar comúnmente esta enfermedad con la denominación de síndrome del niño flaco y barrigón. Epidemiología. Parasitosis que afecta a 20%

de la población mundial y a 45% del continente americano. Los niños preescolares son los más afectados. Presenta una distribución heterogénea e impredecible. Se observa principalmente en cli­ mas templados o cálidos (22 a 33 °C), ambientes húmedos, lluviosos y suelos arcillosos. La con­ taminación fecal del suelo tiene relación directa con una disposición inadecuada de las excretas, la calidad del agua y el uso del excremento humano como fertilizante, también favorecen su diseminación.

Necator americanus Infección intestinal conocida como uncinariasis o anemia tropical producida por esta especie de nematodos (también se conoce como uncinaria) que ocasionan anemia microcítica e hipocrómica, se acompaña de sintomatología digestiva no

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característica. Este gusano es una las especies que con mayor frecuencia causan enfermedad al hombre. Los gusanos machos adultos miden entre 5 y 12 mm de longitud y la hembra pue­ de alcanzar hasta 1 cm. El término uncinaria se refiere a la curvatura que posee en su parte anterior a manera de gancho, donde la cápsula bucal está provista de unas placas o láminas cortantes. En la hembra el extremo posterior termina en punta y en el macho presenta una di­ latación en forma de campana, que corresponde a la bolsa copulatriz. Los gusanos son de color blanquecino y poseen un esófago musculoso que les permite la succión vigorosa del material alimenticio (véase figura 8.12). Los vermes o gusanos adultos viven en el intestino delgado del hombre, sobre todo en el yeyuno. Se fijan en la mucosa intestinal mediante su cápsula bucal con sus placas cortantes, con las cuales destruyen el epitelio, ingieren tejidos y succionan sangre de los capilares. Cuando los gusanos se desprenden de un sitio y se fijan en otro punto del intestino, dejan ulceraciones que continúan sangrando por tiempo prolongado, de­ bido a la presencia de sustancias anticoagulantes. Histológicamente se encuentra inflamación de la mucosa, enteritis y síndrome de malabsorción intestinal. Ciclo biológico. Su ciclo biológico se inicia cuando las hembras fecundadas colocan sus huevos en la luz del intestino, aproximadamente 10.000 a 20.000 huevos por día, los cuales salen con las heces y en un medio ambiente apropiado, después de un periodo de veinticuatro horas, ocurre la eclosión de las larvas, que después de dos mudas alcanzan una longitud de 450 jam y en una semana más se convierten en larvas enquistadas, que son la forma infectante para el hombre. Al ponerse en contacto con la piel o mucosa faríngea, la penetran activamente. Necator americanus se adquiere solamente por vía cutánea. Al momento de la penetración, las larvas se despojan de una cutícula protectora y llegan a los vasos sanguíneos o linfáticos y de ahí a la circulación general. El sitio de en­ trada más frecuente es la piel de los espacios interdigitales de pies o manos y en esa zona se

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observan signos de dermatitis, manifestada por edema eritematoso acompañado de una erupción papular o vesicular pruriginosa hasta por dos semanas. Esta sintomatología se conoce con el nombre común de candelilla. Al llegar las larvas a los capilares pulmonares, rompen su pared, pasan a los alvéolos, donde causan pequeñas hemorragias e infiltrados celulares. Luego, as­ cienden por los bronquios, tráquea, faringe y son deglutidos hasta alcanzar su hábitat definitivo (el intestino delgado, principalmente el yeyuno), donde requieren de 3 a 4 semanas para llegar al estado adulto. Estos gusanos pueden sobrevivir en el intestino de 7 a 10 años. La hemorragia intestinal y el consumo de san­ gre por cada parásito se calcula en 0,5 mi por día. Epidemiología. El hombre es la única fuente de infección humana. En las zonas tropicales la interacción de tres factores: ambiente, agente y hospedero favorecen la permanencia de los huevos y larvas. Esta situación es más frecuente en el campo, porque la vegetación abundante favorecida por la lluvia permite la humedad, sombra y riqueza de residuos orgánicos, que resultan apropiados para la evolución de los huevos y larvas. En zonas endémicas, la población infantil es la más susceptible para contraer la infección

y el hábito de caminar descalzo incrementa la posibilidad de infectarse. La desnutrición y anemia por deficiencia de hierro que prevalecen en las zonas endémicas agravan los efectos de la enfermedad, lo que eleva significativamente su letalidad.

Enterobius vermicularis A este gusano también se le conoce con el nom­ bre de oxiuro y es el responsable de la oxiuriasis. Popularmente se le denomina lombriz de los niños. En nuestro medio es el parásito más co­ mún, tiene un color blanco nacarado, el macho mide 2 a 5 mm de longitud, lo que dificulta su observación y la hembra puede alcanzar 1 cm y en ocasiones un poco más. La hembra adulta sale generalmente de noche, hasta las márgenes del ano y pone sus huevos en cantidad de 10.000 o más por noche. La persona parasitada sufre un intenso prurito anal (escozor anal) que la obliga a rascarse, así logra que los huevos penetren en las uñas y las cutículas, y posteriormente se produzca la autoinfección por el mecanismo ano-mano-boca. Los huevos que quedan en la ropa, sabanas, etc., pueden producir infección porque allí logran permanecer vitales hasta por dos semanas.

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Los síntomas que se le atribuyen a Entero­ bius vermicularis son numerosos y aparte del prurito anal se mencionan: la falta de apetito, nerviosismo diurno, mal dormir y generalmente con los ojos entreabiertos y el rechinar de dientes causado por bruxismo acentuado. En las niñas pueden invadir la vagina al abandonar el recto y producir irritación local. Cuando la hembra está a punto de poner los huevos, migra hacia el final del tubo intestinal para salir por el ano y depositar los huevos. Este hecho es la causa del intenso prurito local que puede perturbar el sueño de los niños o adultos, parasitados por estos gusanos. También es cierto que para efectos prácticos Enterobius vermicularis puede considerarse como un comensal, excepto en aquellos indi­ viduos que por causa de hipersensibilidad a las secreciones y excreciones del gusano se produce prurito rectal (véase figura 8.13). Epidemiología. Es una helmintiasis de carácter cosmopolita, es decir, de distribución mundial. Tiempo atrás se hablaba de que entre 5 y 15% de la población del planeta estaba infectada por este parásito. En Colombia existen regiones donde la inci­ dencia es superior a 60% y otras donde la inci­ dencia de este parásito está por debajo de 10%. La infección por Enterobius vermicularis u oxiuro se caracteriza por la presencia tanto en el ámbito rural como urbano. Se observa con más frecuencia

en niños en edad escolar y en grupos familiares numerosos debido a su alta contagiosidad.

Platyhelminthes o platelmintos En el phylum Platyhelminthes se encuentra el grupo de los cestodos y en éste se ubica un grupo llamado Taenia o simplemente tenia, compuesto por gusanos planos, de cuerpos segmentados y desprovistos de aparato digestivo, toman los materiales nutritivos a través de la cutícula que rodea el cuerpo del gusano y presenta gran va­ riedad de vellosidades o estilaciones submicroscópicas, por lo cual se aumenta enormemente la superficie de contacto con el exterior. Realizan pinocitosis , son hermafroditas y en el mismo segmento se encuentran los órganos genitales masculinos y femeninos. Se alimentan directa­ mente de los nutrientes existentes en el intestino del hospedero. Otros grupos de cestodos también parasitan al hombre, pero en esta obra solo se trata el grupo Taenia. Se tienen datos que reportan aproxi­ madamente 350 especies de tenias conocidas y algunas hasta de 23 m de longitud.

Taenia solium Este gusano se conoce como tenia armada o tenia solitaria, en estado adulto mide de 2 a 8 m y puede poseer hasta 1.000 segmentos o anillos.

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Su hábitat es la posición proximal del yeyu­ no. Su cabeza o escólex está provista de cuatro ventosas y un rostelo con una doble corona de ganchos, los anillos o segmentos se denominan proglótides y en ellos están los órganos sexua­ les masculinos y femeninos, con un útero poco ramificado. Cada proglótide puede producir de 30.000 a 50.000 huevos. La forma larvaria se denomina Cisticercus cellulosae, comúnmente mencionado como cisticerco, es un quiste translúcido con un escó­ lex invaginado provisto de rostelo con ganchos, el cual produce la cisticercosis. El hospedador intermediario es el cerdo y excepcionalmente el hombre, pero este es el único hospedero defini­ tivo (véase figura 8.14). El gusano llamado también tenia del cerdo, causa dos tipos de enfermedades al hombre, dependiendo de la etapa en que se encuentre el parásito cuando se ingiere: si lo que se ingiere son los cisticercos contenidos en la carne de cerdo mal cocida, se adquiere una teniasis intestinal que puede producir dolor abdominal, aumento del apetito, pérdida notoria de peso y debilidad. Los pacientes pueden referir que han observado los proglótides y huevecillos en su excremento.

La cisticercosis, que es la segunda enfermedad producida por Taenia solium, se adquiere al inge­ rir los huevecillos del parásito. Esta enfermedad produce invalidez y puede tener un desenlace fatal. Las formas más graves de cisticercosis son la ocular, cerebral, cardiaca y, desde luego, la neurológica (sistema nervioso central: SNC). La cisticercosis cerebral se caracteriza por manifestaciones de hipertensión intracraneal, cefalea, alteraciones de la visión, vómitos en proyectil y crisis convulsivas. El tratamiento quirúrgico de la cisticercosis de SNC varía según la localización de los pará­ sitos. En términos generales cuando el neurocirujano manipula los parásitos pueden ocasionar cuadros agudos de hipertensión intracraneal posoperatoria que con frecuencia ocasionan la muerte del paciente. La teniasis intestinal se adquiere al ingerir carne, chorizo o longaniza de cerdo mal cocidos o crudos con cisticercos viables, a los cuales, por acción del pH ácido y las sales biliares, se induce la evaginación del escólex y por medio de sus ganchos (rostelo) se fija a la mucosa del yeyu­ no, desarrollándose la tenia de 5 a 10 semanas después de la ingesta.

Introducción a la parasitología / 201

Taenia saginata Es la tenia del ganado vacuno y alcanza la madu­ rez sexual solo en el hombre que es el hospedero definitivo. La infección se produce en personas que han consumido carne de res cruda o mal cocida, que contiene los cisticercos. Infección habitualmente asintomática, pero puede mani­ festarse con dolor abdominal, pérdida de peso, aumento del apetito y expulsión de proglótides en las heces También se conoce como tenia inerme y en el estado adulto mide de 4 a 12 m y llega a poseer hasta 2.000 anillos o proglótides. Se instala preferentemente en el duodeno y pri­ mera porción del ñeon, después en la luz del intestino evoluciona al estado de tenia adulta. Su escólex posee cuatro ventosas elípticas y carece de rostelo y ganchos. Sus proglótides son más largas que anchas y contienen los órganos masculino y femenino con un útero muy ramificado. Cada segmento puede poseer más de 10.000 huevos, idénticos a los de Taenia solium. Su estado larvario es un cisticerco llamado Cisticercus bovis cuyo escólex no posee rostelo ni ganchos y se enquista en el tejido conjuntivo intersticial y en el corazón del ganado vacuno.

El hospedero intermediario es un bovino y casi nunca el hombre (véase figura 8.15).

Introducción a la parasitología: sumario Los parásitos, como muchos animales superio­ res, deben competir por un hábitat, el alimento y la supervivencia. Para lograr esa meta desarro­ llan relaciones simbióticas como: mutualismo, comensalismo y parasitismo. No todas estas relaciones son positivas o benéficas para el hospedador, pero resultan fundamentales para el parásito asegurar su subsistencia en el hábitat elegido.

Protozoos El término protozoo viene de los vocablos grie­ gos protozoos y zoom, que significa “primer animal", son organismos eucarióticos que existen como células aisladas y que pueden diferenciarse de otros eucarióticos por su capacidad de despla­ zarse durante algún estadio de su ciclo biológico y por su falta de pared celular. El estudio de los protozoos es la protozoología. Existen más de 64.000 especies conocidas de protozoos: aproximadamente 32.000 son fósiles,

202 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

22.000 son formas de vida libre y 10.000 son parásitos. De estos últimos solo unas cuantas especies causan enfermedades a los seres humanos. La locomoción es un importante criterio para diferenciar la clase de protozoos: las amebas se desplazan por seudópodos; los ciliados por medio de delicados pelos o cilios; los flagelados son propulsados por flagelos generalmente loca­ lizados a un extremo de la célula y en ocasiones por membranas ondulantes y los esporozoos se desplazan deslizándose al flexionar sus cuer­ pos, ya que no poseen organelas externas de locomoción.

4. 5.

6. 7.

8.

Helmintos 9. Los helmintos o gusanos son metazoos de si­ metría bilateral y envoltura musculocutánea, sin apéndices articulados que se dividen en gusanos de cuerpos aplanados o platelmintos como el grupo Taenia y de cuerpo cilindrico o nematelmintos como los parásitos de los géneros As caris y Enterobius. Sus formas larvarias o adultas pueden parasitar al hombre y producir numerosas enfermedades infecciosas parasitarias.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje

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1. 2.

3.

¿Por qué se llama protozoos a este grupo de microorganismos? Desde el punto de vista morfológico, ¿cuá­ les son las diferencias entre un protozoo y un hongo? Compare los modos de reproducción

asexual de los protozoos con los de las bacterias y levaduras. Describa varias maneras de obtener alimen­ to por parte de los protozoos. Compare y contraste los modos, generales, de reproducción de los cuatro principales grupos de protozoos. ¿Son todos los protozoos patógenos para los seres humanos?, explique. Haga un cuadro en el cual asocie las principales clases de protozoos, tenga en cuenta: clase y nombre común, modo de locomoción, modo de reproducción y otras características, dé ejemplos. Haga un paralelo entre las clases Sarcodina y Ciliophora. Hable sobre las características de los parási­ tos pertenecientes a la clase Mastigophora. Clasifique según su hábitat y esquematice un representante de cada género y describa sus estructuras. Haga un paralelo entre protozoos y hel­ mintos. Compare y analice las características de los nematelmintos y platelmintos, dando varios ejemplos de cada uno, analice morfología, fisiología y ciclo biológico. Realice un paralelo entre helmintos y pro­ tozoos. Explique en forma resumida el ciclo bio­ lógico de los siguientes gusanos redondos:

Ascaris lumbricoides, Necator americanus y Enterobius vermicularis. 14, De Taenia solium y Taenia saginata diga

cuál es la función de las siguientes estruc­ turas: escólex, rostelo y proglótide.

9

Control de microorganismos D u ra n te toda nuestra vida estamos en con­ tacto con microorganismos. Muchas clases de microbios colonizan las superficies corporales, el intestino y los orificios que están en contacto con el ambiente. Verbigracia, la biota bacteriana normal (también llamada flora) de la parte baja del intestino es tan abundante, que casi la mitad del peso seco de la materia fecal la componen bacterias. La salud y el bienestar están influidos por la presencia o ausencia de microorganismos en el ambiente. En otras palabras, el bienestar y la prosperidad del hombre dependen en gran par­ te de su dominio sobre los microorganismos. El crecimiento microbiano se lleva a cabo exitosamente, si se cumplen dos factores deter­ minantes: 1) condiciones ambientales favorables como la temperatura, la-humedad, la presión osmótica y el pH, entre otras; 2) medio de cultivo apropiado, es decir, que los microorganismos puedan obtener los nutrientes necesarios para su crecimiento y desarrollo. Muchas prácticas de la vida diaria como: purificación del agua, pasteurización y conserva­ ción de alimentos, tienen como fin primordial el control de los microorganismos o gérmenes. El término germen en microbiología se utiliza para referirse a cualquier tipo de microorganismo, especialmente, los patógenos. De esta manera es frecuente encontrar escritos que rezan: “... entre los gérmenes más peligrosos para la salud de los humanos se encuentran...”.

Importancia del control Los motivos principales para controlar los micro­ organismos se resumen de la siguiente manera:

1. Prevenir la contaminación, para evitar la proliferación de microorganismos peijudiciales. 2. Prevenir la transmisión e impedir la trans­ misión de la infección y la enfermedad. 3. Prevenir el deterioro, para evitar la des­ trucción o deterioro de materiales por micro­ organismos. Los microorganismos se eliminan o se inhiben por medio de agentes físicos, procedimientos físicos o por agentes químicos, agentes quimioterapéuticos como los antibióticos y las sulfonamidas.

Terminología básica y su definición Por decisión judicial del Puré Food and Drug Act se estableció que el lenguaje que se utiliza en las técnicas de control de microorganismos es para darle el significado común convenido, para aquellos a quien va dirigido. Por tanto, el productor y el consumidor deben entender, do­ minar y manejar perfectamente la terminología referente al control de microorganismos. Antimicrobiano. Se refiere a cualquier agente que interfiera con el crecimiento y la actividad de los microorganismos. Si se refiere a grupos de microorganismos determinados se emplean los términos antibacteriano o antifúngico, entre otros. Bactericida. Es un agente que mata las bac­ terias. De manera similar los términos fungicida, virucida y esporicida se refieren a agentes que eliminan, respectivamente, hongos, virus y esporas. Bacteriostático. Es un agente que produce la supresión del desarrollo de las bacterias, solamen-

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el área de la salud y afines

te mientras el agente esté en contacto con ellas. De la misma manera, los fungistáticos se refieren a la supresión del desarrollo de los hongos. Los agentes que tienen en común la capaci­ dad de inhibir el desarrollo de los microorganis­ mos se designan colectivamente con el nombre de microbiostáticos. Antiséptico. Se refiere a toda sustancia que se opone a la sepsis, es decir, impide el desa­ rrollo o acción de los microorganismos, ya sea destruyéndolos o inhibiendo su crecimiento y actividad. Generalmente, alude a sustancias que pueden ser aplicadas al cuerpo. Desinfectante. Es un agente, por lo general químico, capaz de matar las formas en desarrollo, pero no necesariamente las formas resistentes o esporas, de los microorganismos patógenos. El término se aplica de forma común a las sustan­ cias que se utilizan en la desinfección de objetos inanimados. Por consiguiente, desinfección es el proceso de destruir, prácticamente, todos los agentes patógenos o infecciosos de objetos o superficies inanimadas. Se debe tener en cuenta que este proceso no destruye todos los microor­ ganismos de forma indiscriminada. Existe otro procedimiento muy utilizado en cuanto al control de microorganismos: la descontaminación, la cual, se describe como el tratamiento que se le hace a un objeto o superficie inanimada con el fin de poder manipularlo sin peligro para la salud. Germicida o microbicida. Es un agente que mata las formas en desarrollo, pero no forzosa­ mente las esporas. En la práctica un germicida es lo mismo que un desinfectante. Saneamiento. Consiste en reducir la pobla­ ción bacteriana por medio de un agente, según los requerimientos de salud pública. Por lo re­ gular es un agente químico que mata 99,9% de las bacterias en crecimiento. Los agentes para el saneamiento se aplican casi siempre a objetos in­ animados: equipos, utensilios en lecherías y plantas de alimentos, vajillas y cubiertos en los restauran­ tes. La desinfección produce saneamiento, pero éste no necesariamente supone desinfección. Agente terapéutico. Se refiere a los agentes antimicrobianos que se utilizan, específicamente.

en el tratamiento de las infecciones causadas por algún tipo de microorganismo. Esterilización, Es el proceso con el cual se destruye toda forma de vida microbiana. Un objeto esterilizado, en el sentido microbiológico, está libre de microorganismos vivos. Los términos estéril, esterilizar y esterilización se refieren a la ausencia o destrucción completa de los microorganismos y no se usan en sentido relativo. Una sustancia o un objeto están estériles o no lo están, pero de ninguna manera se puede aceptar que se mencionen como semiestériles o casi estériles.

Condiciones para la acción de los agentes antimicrobianos El término muerte se define en microbiología como la pérdida irreversible de la capacidad de reproducción. Los microorganismos viables tienen la capacidad de multiplicarse, en cambio, los muertos no se multiplican ni se desarrollan. Muchas de las características biológicas de los microorganismos influyen en la calificación de estos como muertos o inactivados por un agente químico o físico. No es posible elegir un procedimiento que desinfecte o esterilice todo tipo de materiales. Es necesario valorar cada situación por separado para seleccionar el método que la investigación y la experiencia han demostrado que produce un resultado óptimo. Se deben tener muy presentes los siguientes factores:

Tipo o clase de microorganismo Las distintas especies de microorganismos difieren en su susceptibilidad a los diferentes agentes químicos y físicos que se utilizan para controlarlas. Las bacterias jóvenes son más vul­ nerables porque las viejas tienen menor actividad metabólica. Las células vegetativas en desarrollo son mucho más susceptibles que las especies esporuladas, por consiguiente, las esporas son muy resistentes, pues son las formas orgánicas capaces de sobrevivir en condiciones adversas.

Control de microorganismos

Naturaleza del medio Las propiedades químicas o físicas del medio en que viven los microorganismos tienen gran influencia en la velocidad y eficacia de la des­ trucción bacteriana. Por ejemplo, el calor es más eficaz en un medio ácido que en uno alcalino. La consistencia del material, acuoso o viscoso, influye marcadamente en la penetración del agente. Las concentraciones altas de carbohi­ dratos aumentan, por lo regular, la resistencia térmica de los microorganismos. La presencia de materia orgánica extraña reduce notablemente la eficacia de un agente químico antibacteriano, porque lo inactiva pro­ tegiendo de este modo al microorganismo. La materia orgánica añadida a una sustancia des­ infectante conduce a los siguientes resultados: 1) combinación del desinfectante con la materia orgánica para formar un producto que no es microbicida; 2) combinación del desinfectante con la materia orgánica para formar un precipi­ tado, porque de esta forma se aparta al agente desinfectante de su posible combinación con el microorganismo, y 3) acumulación de materia orgánica sobre la superficie celular, con lo cual se forma una capa que impide el contacto entre desinfectante y microorganismo.

Tiempo de exposición La población de microorganismos no muere ins­ tantáneamente. Así, cuanto más prolongado es el tiempo de exposición o contacto, entre el agente y los microorganismos, mayor es el número de microorganismos destruidos.

Número de microorganismos A mayor población bacteriana, mayor debe ser el tiempo de contacto entre el agente y los mi­ croorganismos para destruirlos.

Intensidad y naturaleza del agente físico A mayor intensidad del agente físico utilizado, mayor destrucción de los microorganismos, por

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ejemplo: más calor, más radiación, mayor con­ centración, entre otros, más rápidamente serán destruidos los microorganismos.

Temperatura aplicada a un agente químico El aumento de la temperatura a un agente quími­ co aumenta la velocidad de muerte de las células bacterianas y, por consiguiente, potencializa su poder microbicida aunque la concentración del agente químico permanezca constante.

Concentración del agente químico El aumento de la concentración del agente quími­ co aumenta la velocidad de muerte de las células bacterianas y, por consiguiente, se aumenta su poder microbicida aunque la temperatura, a la cual se utiliza el agente químico, se mantenga constante.

Mecanismos de acción de los agentes antimicrobianos Los mecanismos de acción, más comunes, de los agentes antimicrobianos son: 1) daño de la pared celular; 2) alteración de la permeabilidad de la membrana citoplasmática; 3) alteración de la naturaleza coloidal del citoplasma; 4) inhi­ bición de la acción enzimática; 5) formación de antimetabolitos, y 6) inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos.

Daño de la pared celular Las paredes de algunas bacterias Gram positivas son atacadas por la enzima lisozima que se en­ cuentra en las lágrimas, leucocitos, secreciones mucosas y otras fuentes naturales. Las enzimas producidas por varias especies bacterianas, también son capaces de degradar la estructura de la pared celular de otras especies. A la des­ integración de la pared celular le sigue la lisis de la bacteria. Algunos agentes inhiben la formación de los componentes de la pared celular en un cultivo de

206 / M icrobiología básica para

el área de la salud y afines

bacterias en desarrollo y propician la formación de protoplastos. Los protoplastos son suscep­ tibles a la lisis, a menos que se les provea de condiciones ambientales especiales. El efecto antimicrobiano de la penicilina se atribuye a la inhibición de la síntesis de la pared celular.

Alteración de la permeabilidad de la membrana citoplasmática La membrana citoplasmática preserva la inte­ gridad de los constituyentes celulares y tiene a su cargo el transporte selectivo de nutrientes al interior de la célula bacteriana. Del daño a esta membrana resulta una inhibición del desarrollo o la muerte celular. La actividad antimicrobiana de los compuestos fenólicos, detergentes sintéticos, jabones y compuestos de amonio cuaternario anulan la permeabilidad selectiva de la mem­ brana y permiten la salida de los constituyentes celulares. La membrana celular, que tiene varias capas, es el asiento de diversas enzimas y su alteración afecta adversamente la función de estas.

Alteración de la naturaleza coloidal del citoplasma La viabilidad de la célula bacteriana está con­ dicionada la naturaleza coloidal del citoplasma. Toda situación o sustancia que altere este estado, bien sea por desnaturalización o coagulación, daña irreparablemente la bacteria. Las altas temperaturas y altas concentracio­ nes de agentes químicos cumplen esta función, porque producen un daño irreversible de los componentes citoplasmáticos vitales, como son las moléculas de proteínas y ácidos nucleicos.

Inhibición de la acción enzimática Cada una de las numerosas enzimas que hay en una célula es un blanco potencial para la acción de un inhibidor. La disminución de las reaccio­ nes que suministran energía es particularmente dañina. Muchos agentes afectan enzimas que son claves en sistemas tan importantes como el

glucolítico, el ciclo del ácido cítrico y el sistema de citocromos. Por ejemplo: 1. Cianuro (CN~). Es una sal del ácido cian­ hídrico, muy tóxica, que inhibe el citocromo oxidasa de la cadena de transporte electrónico, y provoca la muerte en pocos minutos al organismo envenenado. 2. Flúor. Impide la glucólisis porque inhibe la acción de la enzima enolasa e impide la for­ mación del fosfoenolpiruvato, por consiguiente, tampoco se obtiene el producto final de la glu­ cólisis: el metabolito esencial piruvato o ácido pirúvico. 3. Compuestos arsenicales trivalentes (arséni­ co inorgánico). Estos son compuestos derivados

del arsénico. Muchos compuestos que poseen arsénico se utilizan como pesticidas, herbicidas y aditivos alimentarios. Se caracterizan porque estos venenos bloquean el ciclo del ácido cí­ trico. 4. Dinitrofenol. Es una sustancia liposoluble que desacopla las fosforilaciones oxidativas, induce la formación de poros en la membrana y destruye la fuerza motriz de los protones y su capacidad para producir la síntesis de ATP. 5. Agentes oxidantes fu ertes. Sustancias como los halógenos y el peróxido de hidrógeno (H O ) pueden dañar los constituyentes celulares, impidiéndoles efectuar sus funciones metabólicas normales. Así, por ejemplo, la actividad catalizadora de muchas enzimas depende de uno de sus compo­ nentes, un grupo sulfidrilo (-SH), en este caso un agente oxidante como el oxígeno molecular (O j puede alterar esta disposición química e inactivar las enzimas (véase figura 9.1). La inactivación de ciertas enzimas se produ­ ce cuando estas se unen a iones metálicos como cobre, plata y mercurio. En la figura 9.2 se obser­ va que el efecto es sobre el grupo sulfidrilo.

Formación de antimetabolitos En algunos casos, cuando ocurre inhibición, la “lesión” inicial es una interferencia con una biosíntesis específica. Un ejemplo clásico es el bloqueo de la síntesis del ácido fólico (vitamina)

Control de microorganismos / 207

por la acción selectiva de la sulfanilamida, que es la sulfamida más simple. Uno de los componentes del ácido fólico es el ácido p-aminobenzoico (PABA), el precursor para la síntesis del ácido fólico y cuya estructura química es tan similar a la estructura de la sul­ fanilamida que ésta puede entrar en la reacción y ocupar el lugar del PABA. De esa manera, bloquea la síntesis del constituyente celular esencial: el ácido fólico. Este mecanismo de acción es un claro ejem­ plo de inhibición competitiva entre un metabolito esencial: ácido PABA y un análogo metabólico: la sulfonilamida, porque esta es un análogo del ácido p-aminobenzoico o ácido PABA (véase figura 9.3). Un agente que bloquee la acción enzimática se considera bacteriostático, porque cuando cesa

la acción del agente, la actividad enzimática se recupera.

Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos Existen sustancias químicas sintéticas y otras naturales que son poderosos inhibidores de la síntesis de ADN y ARN. Se encuentran dos categorías de sustancias que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos: 1. Compuestos que interfieren con la forma­ ción de los bloques estructurales de los ácidos nucleicos, los nucleótidos purina y pirimidina. 2. Compuestos que interfieren con la po­ limerización de los nucleótidos en el ácido nucleico. El papel vital del ADN y del ARN en los pro-

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cesos normales de la vida de la célula, señala que toda interferencia con su formación y su función produce un daño grave a la célula. Los agentes químicos y los antibióticos ac­ túan en la célula bacteriana en múltiples sitios (véase figura 9.4).

Control con agentes físicos Los microorganismos no solo son capaces de sobrevivir sino de desarrollarse en medios de condiciones limitantes y específicas, las cuales pueden tolerar, se adaptan y garantizan su su­ pervivencia. En este capítulo, también se habla sobre los agentes físicos disponibles para el control de los microorganismos y se describen sus efectos y aplicaciones. Las actividades metabólicas de un organismo son el resultado de la suma de todas las reac­ ciones químicas y como estas reacciones son influenciadas por la temperatura, en consecuen­ cia, el proceso vital también lo estará. Todos los organismos dependen del agua, la mayor parte de su masa es agua y todas sus actividades se

realizan en ambientes acuosos. Estos factores se relacionan íntimamente y se deben considerar juntos al discutir los efectos de las condiciones físicas sobre los microorganismos.

Temperatura Los microorganismos se desarrollan en una am­ plia gama de temperaturas, desde las muy bajas (psicróftlos), hasta las muy altas (tennófilos), pa­ sando, obviamente, por las temperaturas medias (mesófilos). Todos los microorganismos tienen una temperatura mínima, óptima y máxima para su desarrollo. Las temperaturas superiores a la máxima, en general los matan y las inferiores a la mínima, les producen éstasis y por ello se les considera como temperaturas preservativas. El control de microorganismos puede realizarse con temperaturas altas o con temperaturas bajas.

Temperaturas altas La temperatura elevada, combinada con un alto grado de humedad, es uno de los métodos más

Control de microorganismos / 209

efectivos para destruir los microorganismos. Es muy importante diferenciar entre el calor húme­ do y el calor seco en cualquier procedimiento de control microbiano. El calor húmedo mata los microorganismos porque coagula sus proteínas, es más rápido y efectivo que el seco, que tam­ bién los destruye al oxidar sus constituyentes químicos esenciales. El siguiente ejemplo ilustra las diferencias: las esporas de Clostridium botulinun, algunas de las cuales, al germinar producen una toxina mortífera que causa un envenenamiento alimentario letal, denominado botulismo, mueren en un tiempo de 4 a 20 min a 120 °C con calor húmedo, en cambio con calor seco es necesario someterlas a 2 horas de exposición a la misma temperatura. Se sabe que las células vegetativas de las bacterias son mucho más sensibles al calor que sus esporas. Las formas vegetativas de la mayoría de las bacterias mueren con un tiempo de exposición de 5 a 10 min, sometidas a tem­ peraturas entre 60 y 70 °C con calor húmedo. La susceptibilidad de los virus al calor se pare­

ce mucho a la de las formas vegetativas de las bacterias mesófilas. Para expresar la resistencia de las bacterias al calor, se usan dos conceptos: el tiempo de muerte por el calor y la reducción decimal del tiempo. 1. Tiempo de muerte por el calor. Es el pe­ riodo de tiempo más corto requerido para matar una suspensión de bacterias o de esporas, a una temperatura determinada y bajo condiciones específicas. 2. Reducción decimal del tiempo. Se refiere a una reducción específica del número de células viables, o sea, el tiempo en minutos que se necesi­ ta para reducir la población bacteriana en 90%. Los procedimientos prácticos en los que se emplean las temperaturas altas o el calor se dividen convencionalmente en calor seco y calor húmedo.

Calor seco La aplicación del calor seco para la destruc­ ción de los microorganismos, comprende tres

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el área de la salud

y afines

métodos: 1) esterilización con aire caliente: 2) desecación y 3) incineración. 1. Esterilización con aire caliente. El calor seco o aire caliente se recomienda siempre que el vapor de agua a presión no sea deseable o no sea posible que entre en contacto directo con el material que se va a esterilizar. Esto ocurre con objetos de vidrio de laboratorio como cajas de Petri, tubos de ensayo, pipetas, entre otros; igualmente con sustancias como polvos, aceites y algunos instrumentos metálicos. Estos elementos se esterilizan en un horno eléctrico o de gas, que consta de un termostato y un reloj. La esterilización con aire caliente tiene menor efecto sobre los microorganismos, por tanto, necesita un tiempo de exposición mayor que el calor húmedo. El calor seco produce una oxidación de los componentes químicos de los microorganismos, causándoles la muerte. Los siguientes rangos se consideran sufi­ cientes para la esterilización de estos tipos de materiales: - 1:30 horas a 180 °Cpara material metálico. - 2:00 horas a 160 °Cpara material de vidrio. 2. Desecación, Es la acción de reducir el agua

o grado de humedad que necesitan las bacterias para su supervivencia. La desecación o secado de la célula microbiana o del ambiente donde se encuentra, minimiza o detiene la actividad metabólica y puede producir la muerte de un gran número de bacterias, pero no de sus espo­ ros. En general, el tiempo de supervivencia de los microorganismos después de la desecación varía dependiendo de los siguientes factores: 1) clase de microorganismo; 2) material en el cual o sobre el cual el microorganismo se dese­ ca; 3) perfección del proceso de desecación, y 4) condiciones físicas a las que se exponen los microorganismos desecados, por ejemplo, luz, temperatura y humedad. 3. Incineración. Como procedimiento de esterilización resulta ideal para la destrucción de animales de laboratorio infectados, esquele­ tos para desechar; carcazas y cualquier tipo de material infectado que sea preciso destruir. La destrucción de microorganismos, inci­ nerándolos, se practica en forma rutinaria en

el laboratorio cuando se quema el asa bacte­ riológica de aro o de aguja, manteniéndola a la llama del mechero hasta obtener el rojo vivo y, posteriormente, realizar sembrados o cultivos microbianos y, de esta forma, evitar su conta­ minación con otros microorganismos. En este procedimiento debe evitarse el chis­ porroteo porque pueden salpicar góticas que lleven microorganismos viables, que al caer en un medio de cultivo adecuado pueden crecer, desarrollarse y provocar contaminación. Calor húmedo Este tipo de calor tiene un efecto mayor y más rápido sobre las bacterias que el calor seco. Como el agua es muy buen conductor de tempe­ ratura, el calor penetra mejor y se distribuye en forma más uniforme. El calor húmedo se puede aplicar por cualquiera de los siguientes proce­ dimientos: 1) vapor a presión, 2) esterilización fraccionada, 3) agua hirviente y 4) pasteurización. Estos procedimientos causan la muerte de los microorganismos porque coagulan y desnatu­ ralizan sus constituyentes proteicos y por ende sus enzimas. 1. Vapor a presión. Es la forma más práctica y segura para esterilizar porque alcanza tem­ peraturas muy altas en corto tiempo, además, hay penetración de la temperatura y humedad en abundancia que facilitan la coagulación y desnaturalización de las proteínas. El aparato para esterilizar que utiliza vapor de agua a pre­ sión regulada se denomina autoclave (antes se mencionaba simplemente como olla a presión) (véase figura 9.5). Actualmente se cuenta con una gran variedad de referencias de equipos para esterilización al vapor (véase figura 9.6). En este proceso de esterilización no es la temperatura o el .vapor de agua o la presión en forma independiente las que destruyen los microorganismos sino la alta temperatura del vapor a presión. Este es el principio físico para la destrucción de microorganismos empleando la autoclave. Se utiliza para la esterilización de ropa de cirugía, gasas, guantes, instrumental cortante,

Control de microorganismos

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medios de cultivo sólidos o líquidos, soluciones - U tilización de productos químicos que y cultivos que se van a desechar. En condiciones cambian de color según los niveles normales la autoclave funciona a: 121 °C a 15 Ib de temperatura alcanzados. de presión (1 atmósfera) x 15 min. 2. Esterilización fraccionada. Se utiliza para Los métodos de esterilización más importan­ ciertos medios de cultivo y sustancias químicas tes en el medio hospitalario utilizan el autoclave, que no pueden someterse a más de 100 °C sin que por tanto, requiere de indicadores de control, que se alteren sus propiedades, ejemplo: medios de comprueben que en el interior del recipiente se cultivo ricos en carbohidratos, vitaminas, entre han dado las condiciones óptimas de temperatu­ otros. El método se realiza durante tres días de ra, presión y tiempo de exposición para destruir la siguiente manera: toda forma de vida. - Primer paso: se calienta el medio de cultivo Las principales fallas que se presentan con el a 100 °C por 30 minutos. uso del autoclave, generalmente, se relacionan - Segundo paso: se incuba por 24 horas a con: mal funcionamiento del equipo, programa una temperatura favorable para la germinación inadecuado, mala manipulación del equipo por de las esporas. parte del personal encargado (ésta es la más - Tercer paso: se repite el proceso de calen­ frecuente). Los indicadores de control más tamiento e incubación hasta completar los tres utilizados son: días. Esporos de ciertas bacterias como Bacillus Este método también se conoce como tinstearothermophilus. dalización. El aparato para llevar a cabo esta

212 /

M icrobiología básica para el área de la salud y afines

técnica se llama esterilizador de Arnold, aunque se puede obtener el mismo resultado si se adapta el autoclave, de tal manera, que se permita que el vapor fluya. 3. Agua hirviente. Si bien es cierto que todas las formas vegetativas se destruyen aproximada­ mente a los 10 min de estar expuestas al agua hirviendo a 100 °C, no puede decirse lo mismo de las esporas que pueden resistir esas condiciones por muchas horas. Por este motivo, el agua hirviendo no es un mé­ todo recomendable para lograr la esterilización. 4. Pasteurización, La leche, la crema de leche y ciertas bebidas alcohólicas como la cerveza y el vino son sometidas a un tratamiento por calor controlado que mata a los microorganismos de ciertos tipo, pero no a otros, por tanto, es un proceso que reduce la población microbiana. El primero en utilizar este método fue Louis Pasteur, quien utilizó el calor para controlar la contaminación del vino. La leche pasteurizada no es leche estéril, lo cual quiere decir que pasteurización no es sinóni­ mo de esterilización. La temperatura selecciona­ da para la pasteurización depende del tiempo de muerte por calor del microorganismo patógeno

más resistente que se debe destruir. La exposi­ ción de la leche a una temperatura muy elevada no es deseable porque produce sabores extraños, y cambia sus propiedades organolépticas. En sus comienzos, la pasteurización de la leche se utilizó para destruir los agentes pató­ genos causantes de la tuberculosis, la brucelosis, la fiebre tifoidea y la fiebre Q, pero este procedimiento también mejoró la vida útil de la leche y también ha conseguido eliminar géneros bacterianos como E. coli y Salmonella. Los tiempos y temperaturas más usadas en la pasteurización se describen claramente en la tabla 9.1, donde se diferencian la pasteurización lenta, rápida y ultrarrápida.

Temperaturas bajas Las temperaturas bajas, por debajo de la óptima para el crecimiento de las bacterias, disminu­ yen la tasa metabólica y si la temperatura es suficientemente baja, cesan el metabolismo y el crecimiento. Las temperaturas bajas son útiles para la conservación de cultivos microbianos, porque los microorganismos tienen una capaci­ dad impresionante de sobrevivir al frío extremo.

Control de microorganismos

Tabla 9.1

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Tipos de pasteurización

Tipo de pasteurización

Tiempo requerido

Usos principales

Pasteurización lenta

63-66 °C x 30 min

Se usa principalmente para crema de leche, y que­ sos. No se usa para leche de consumo

Pasteurización rápida

71 °Cx 15 s

Se utiliza en leche de consumo, cervezas y jugos, entre otros

Pasteurización ultrarrápida

85 °C x 2-6 s

Es muy utilizada en Europa. Con este método se consigue mayor destrucción de microorganismos

Obviamente existen excepciones como los go­ nococos y los meningococos que se destruyen a temperaturas de 0 °C. Cuando se utilizan las temperaturas bajas en el control de microorganismos, hay que marcar diferencia entre las temperaturas de refrigeración y las temperaturas de congelación. Temperaturas de refrigeración. Las tempe­ raturas de refrigeración son las comprendidas entre 4 y 7 °C, sirven para la conservación de alimentos (es la temperatura del interior la ne­ vera, refrigerador o heladera) y para mantener cultivos de bacterias, levaduras y mohos crecidos sobre medios con agar en tubos de ensayo. De esta forma, se logra que permanezcan viables por meses. Temperaturas de congelación. Las tempera­ turas de congelación son las que se ubican por debajo de 0 °C. Los virus y las bacterias pueden mantenerse a -20 °C (temperatura de los conge­ ladores mecánicos), a -70 °C (la temperatura del hielo seco o nieve carbónica), e incluso a-195 °C (la temperatura del nitrógeno líquido). De hecho, el nitrógeno líquido se usa con frecuencia para conservar cultivos de virus y microorganismos, así como para almacenar células de tejidos de mamíferos utilizados en virología animal y en otros muchos tipos de investigación. En todos estos procedimientos el congelamiento inicial mata algunas de las células, pero la mayor parte de las sobrevivientes, generalmente, permanecen viables durante largos periodos de tiempo. Ante la evidencia de estos conceptos, queda claro que las bajas temperaturas, aun las extre­

mas, no sirven para la desinfección y mucho menos para la esterilización. Los organismos mantenidos a temperaturas de congelación o inferiores pueden considerarse como “durmientes”, porque no tienen ninguna actividad metabólica detectable. Esta es la base del éxito de la conservación de alimentos a bajas temperaturas.

Liofilización Como se sabe, según la temperatura una sustancia cualquiera tiene tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Si queremos convertir el agua en gaseosa (vapor) la tenemos que hervir o por lo menos dejarla reposar largo tiempo para que “se seque” espontáneamente.. Si queremos que un pedazo de hielo se derrita, le aplicamos el calor ambiental o lo calentamos para acelerar su licuefacción. La liofilización consiste en sacarle el agua a una sustancia congelada saltándose el paso por el estado líquido: se congela una solución acuosa de la sustancia química que se desea liofilizar y, a esa baja temperatura que impide cambios químicos que produzcan deterioro, se le somete a un alto vacío que pasa el agua del estado sólido al estado gaseoso, sin pasar por el estado líqui­ do. Es una forma de secar un producto químico a temperaturas bajísimas, sin el deterioro que produciría el recalentamiento. La liofilización es más un proceso para conser­ vación que para destrucción de los microorganis­ mos. Los cultivos de microorganismos liofilizados permanecen viables durante muchos años.

214 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Presión osmótica Osmosis es la difusión por medio de una mem­ brana semipermeable que separa dos soluciones con distintas concentraciones de sustrato o solu­ to. El proceso tiende a igualar la concentración de soluto a ambos lados de la membrana. El aumento de la presión osmótica se con­ sigue ampliando la concentración de solutos al medio que contiene los microorganismos. Este incremento de la presión osmótica puede detener el crecimiento bacteriano o destruir las células. En este proceso se basan algunas técnicas de conservación de alimentos como: salado de carnes y salmueras, entre otros, a las cuales se les aumenta la concentración de sal. También puede incrementarse la concentración de glucosa como sucede en jarabes, jaleas, mermeladas, leche condensada azucarada, entre otros, para conseguir el mismo efecto. La presión osmótica puede aumentarse, si se incrementa la concentración de sal o azúcar del medio, por consiguiente, la cantidad de solutos del medio externo, es mayor que los

solutos que se encuentran en el interior de la célula (solución o medio hipertónico), lo que provoca una deshidratación celular conocida como plasmólisis. La presión osmótica también puede disminuirse (solución o medio hipotónico) rebajando la concentración de solutos a niveles que sean inferiores a los que se encuentran en el interior de la célula. De esta manera, el agua fluye desde la solución al interior de la célula y produce un fenómeno llamado plasmotipsis o turgencia. El medio ideal debe tener una presión osmótica equilibrada entre la célula y el medio externo donde ella se encuentre, es decir, que la concentración de solutos que se encuentran en el interior de la célula estén en equilibrio con los solutos del medio externo (solución o medio isotónico). Si la membrana de la célula es elástica, por ejemplo, en los glóbulos rojos de la sangre, hará que se hinchen e incluso estallen. Las bacterias tienen paredes celulares rígidas que resisten los cambios de presión osmótica y por ello no presentan cambios notables en su forma o tamaño cuando tienen lugar los fenómenos de plasmólisis o plasmotipsis (véase figura 9.7).

Control de microorganismos / 215

Radiación La radiación es un fenómeno electromagnético, por el cual la energía se propaga en el espacio o en otro medio. Varias clases de radiaciones elec­ tromagnéticas se convierten en armas letales para las células microbianas, bien sea produciendo la esterilización o disminuyendo la carga microbia­ na de, prácticamente, cualquier sustancia que se someta a sus efectos. Las diferentes clases de radiaciones electromagnéticas comprenden porciones del espectro electromagnético, de esta manera se conocen: ondas de radio, microondas, radiaciones infrarrojas, luz visible, radiaciones de luz ultravioleta, rayos X, radiaciones gamma o radiaciones y, los rayos catódicos, los electrones de alta velocidad. Estos tipos de radiación elec­ tromagnética pueden, potencialmente, controlar el crecimiento de los microorganismos, depen­ diendo de la radiación utilizada, pues, cada tipo de radiación tiene su mecanismo específico de acción. En este capítulo se diferencia entre las radiaciones ionizantes y las no ionizantes. Radiaciones ionizantes

Las radiaciones ionizantes son letales para los mi­ croorganismos y también para formas superiores de vida por causa de su gran energía y alto poder de penetración. Sin embargo, no resultan útiles para métodos rutinarios de control de las poblaciones microbianas porque, a causa de su alto poder de pe­ netración, resulta muy difícil establecer pantallas protectoras, además de la dificultad para utilizarse de manera eficiente. Las principales radiaciones ionizantes son: los rayos catódicos, las radiaciones gamma y los rayos X. La radiación más energé­ tica es la de los rayos catódicos, seguida por la radiación gamma y luego los rayos X. Estas radiaciones tienen longitud de onda corta. Por ejemplo: los rayos X de 1 a 100 A y los rayos gamma de 0,01 a 1 Á. La fuerza de este tipo de radiación es sufi­ ciente para sacar los electrones de las moléculas, ionizarlos y producir hidrógenos libres, grupos hidróxido (-OH) o algunos peróxidos (H20 2) que provocan daño celular.

La radiación ionizante se utiliza para la es­ terilización y descontaminación de suministros médicos, suministros quirúrgicos, materiales de un solo uso en laboratorios (medios de cultivo), medicamentos, injertos de tejidos (teniendo en cuenta sus limitantes) y en algunas industrias de alimentos. En Estados Unidos, la Food and Drug Administration (FDA) aprobó el uso de la radia­ ción ionizante para los productos mencionados, pero por causa de su alto costo y la peligrosidad del equipo de radiación, esta práctica de esteri­ lización se limita solamente para aplicaciones industriales a gran escala que estén provistas de instalaciones muy especializadas y de ninguna manera contempla la práctica rutinaria. Radiaciones no ionizantes

Este tipo de radiaciones no ioniza sino que se absorbe. Específicamente produce una excita­ ción de los electrones aumentándolos a niveles mayores de energía. Como ejemplo, se tiene la luz ultravioleta (LUV) que es una porción del espectro electro­ magnético que comprende todas las radiaciones desde 15 a 390 nm, o sea, entre 150 y 3.900 Á. La longitud de onda alrededor de 260 a 270 nm, es decir, 2.600 a 2.700 A, tiene la mayor eficien­ cia bactericida. La LUV que llega a la superficie de la tierra está entre 280 y 390 nm o entre 2.800 a 3.900 A porque la filtra la capa de ozono y las nubes. Esta luz “próxima a la visible”, teniendo en cuenta el espectro electromagnético, se utiliza para la desinfección de superficies, aire y otros materiales. Pueden conseguirse diferentes tipos de las denominadas lámparas germicidas, las cuales emiten una elevada concentración de LUV en la región de incidencia directa. Estas lámparas tie­ nen amplia utilización para reducir la población bacteriana de los quirófanos en los hospitales, salas de envasado aséptico en la industria farma­ céutica, donde los productos estériles se pasan al interior de viales o ampolletas, y en las industrias lechera y alimentaria, para el tratamiento de superficies contaminadas. Una importante consideración práctica en el

216 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

uso de LUV para destruir microorganismos es su bajo poder de penetración. Por eso, solo son susceptibles de destrucción los microorganismos que estén sobre la superficie de un objeto, en don­ de queden directamente expuestos a la LUV.

Las bacterias han desarrollado mecanismos de restauración por medio de enzimas encargadas de reparar estos daños de dos formas: 1) la fotorreactivación, y dos) la escotorreactivación.

Fotorreactivación Mecanismo de acción de la luz ultravioleta La luz ultravioleta la absorben casi todos los componentes celulares, pero de manera más significativa los ácidos nucleicos, a los cuales causa el mayor daño, predominantemente en las bases pirimidinas. Una alteración importante es la formación de dímeros pirimidínicos, en los cuales dos pirimidinas adyacentes se enlazan como se observa en la figura 9.8. A menos que los dímeros sean separados por enzimas intracelulares específicas, se inhibe la replicación del ADN y pueden presentarse mu­ taciones o la muerte de la bacteria.

Mecanismo enzimático reparativo que desarro­ llan algunas bacterias que han sido sometidas a irradiaciones con LUV. Este mecanismo puede demostrarse cuando se expone un cultivo de células bacterianas irradiadas con LUV, a la luz visible durante varios minutos. Algunas células se recuperan, nunca todas. Es decir, que las células aparentemente dañadas y recuperadas, que han sido fotorreactivadas por la exposición a la luz visible, lo hacen por la activación de una enzima reparativa conocida con el nombre de enzima luzdependiente. Esta enzima cumple el papel de reconocer los dímeros pirimidínicos de

Control de microorganismos

timina, presentes en el ADN y posteriormente, reestablecer la estructura normal del ADN (véase figura 9.9).

Reactivación oscura o escotorreactivación Algunas bacterias desarrollaron un segundo mecanismo para reparar el daño producido en el ADN por las radiaciones ultravioletas. Este mecanismo no es luzdependiente y necesita una secuencia de reacciones enzimáticas. También se conoce con el nombre de reactivación por escisión y se realiza en dos pasos. Primer paso. Se da inicio al proceso con la acción de dos enzimas: una, la enzima endonucleasa dímero-específica, y otra, la enzima exonucleasa dímero-específica. Estas enzimas se encargan de escindir el segmento de ADN alterado, es decir, cortan la parte de ADN donde se localizan los dímeros de timina y varios nu­ cleótidos vecinos, para evitar cualquier tipo de fallo en la reparación. Segundo paso. El segmento de la cadena de ADN escindido o separado, se repara por medio de la inserción enzimática de nucleótidos com­ plementarios. En este paso, al igual que en el anterior, son dos las enzimas que se encargan de la realización del proceso: una, la enzima ADN-poiimerasa se encarga de sintetizar o polimerizar el segmento necesario, y otra, la enzima ADN-ligasa restable­ ce su localización y fijación en la posición correc­ ta de la cadena de ADN (véase figura 9.10). Filtración

Algunos materiales, en particular fluidos bio­ lógicos como sueros animales, soluciones de sustancias enzimáticas, ciertas vitaminas, gases y antibióticos, son termolábiles o termosensibles, es decir, que se alteran con el calor. Agentes físi­ cos como las radiaciones, son perjudiciales para estos materiales, de modo que resulta impracti­ cable esterilizarlos por los métodos que hemos conocido. Así que la opción disponible consiste en esterilizar por medio á&filtros.

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Durante muchos años, el microbiólogo ha dispuesto de una cierta variedad de filtros bacteriológicos, pero en los últimos años se ha desarrollado un nuevo tipo de filtro para elimi­ nar microorganismos y ahora su uso está muy extendido. Un filtro es un dispositivo provisto de poros tan pequeños que impiden el paso de bacterias e inclusive de virus, pero lo suficientemente grandes para permitir el paso de líquidos o gases. El mate­ rial para confeccionar el filtro se prepara con un éster de celulosa u otras sustancias polímeras con poros de tamaño preciso y uniforme. El tamaño de los poros se conoce y su rango está entre 0,001 y 10 jom. El material filtrante es muy delgado, tiene aproximadamente 150 |am de espesor y, por ello, se le denomina filtro de membrana. L im pieza físic a

La limpieza física comprende muchos procedi­ mientos entre ellos se mencionan el ultrasonido y el lavado.

Ultrasonido Las ondas sonoras de alta frecuencia se usan para desintegrar células microbianas y para limpiar o eliminar microorganismos de equipos, así como en técnicas especializadas de diagnóstico y cirugía.

Lavado El lavado o cepillado con jabón, preferiblemente antiséptico o antibacteriano, constituye otro método físico para eliminar microorganismos de las superficies. Al frotar la superficie se desprende el polvo de los objetos, de la piel o de las manos, por efecto de la fricción. El jabón elimina la cutícula aceitosa que mantiene a las bacterias unidas a las superficies, incluida la piel. Una vez que se ha eliminado esta cutícula, los microorganismos son arrastrados por el flujo de agua corriente (véase tabla 9.2). Existen otros procesos físicos para eliminar mi­ croorganismos como la electricidad, la tensión su­ perficial, la centrifugación y ultracentrifugación.

218 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Control de microorganismos / 219

220 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

Tabla 9.2

Aplicación de agentes físicos para controlar los microorganismos

Método

Usos recomendados

Limitaciones

Calor húmedo con autoclave

Esterilización de instrumentos, ropa clínica, utensilios y bandejas de tra­ tamiento, medios de cultivo y otros líquidos

Ineficaz contra organismos que están en materiales impermeables al vapor; no puede usarse para materiales sensibles al calor

Vapor libre o agua hirviendo

Destrucción de patógenos no formadores de esporas. Para higienizar ropa de cama, ropa en general, platos, utensilios de cocina, entre otros

No se puede garantizar la este­ rilización después de una sola exposición

Calor seco con horno de aire caliente

Esterilización de materiales imper­ meables o que se deterioren con la humedad, por ejemplo, aceites, vidrio, instrumentos cortantes e instrumental metálico

Destructivo para materiales que no pueden resistir altas temperaturas durante largos periodos de tiempo

Incineración

Eliminación de objetos contaminados que no pueden volverse a usar

El tamaño del incinerador debe ser adecuado para quemar la carga pronto y por completo. Se puede presentar una potencial polución del aire

Radiación con luz ultravioleta

Control de infecciones transmitidas por el aire. Desinfección de superficies

Para ser eficaz, debe ser absor­ bida por los microorganismos. No pasa a través del vidrio transpa­ rente u objetos opacos. Irrita los ojos y la piel. Tiene poco poder de penetración

Radiación con rayos X, gamma y rayos catódicos

Esterilización de materiales quirúrgi­ cos sensibles a! calor y otros instru­ mentos médicos

Procedimiento demasiado costoso que requiere instalaciones espe­ ciales para su uso

Filtración con filtros de membrana

Esterilización de fluidos biológicos sensibles al calor

El fluido debe estar relativamente libre de material particulado

Filtración con filtros de vidrio

Desinfección del aire

Método bastante costoso

Limpieza física con ultrasonidos

Descontaminación de instrumentos muy delicados para su limpieza

No es efectivo por sí solo; como procedimiento adjunto aumenta la efectividad de otros métodos

Limpieza física con lavado

Descontaminación de manos, piel y objetos

Higieniza, es decir, solo reduce la flora microbiana a niveles no perju­ diciales para la salud

Control de microorganismos

Control con agentes químicos Muchas sustancias químicas tienen efectos no­ civos sobre los microorganismos porque tienen la capacidad de inhibirlos o matarlos. La acción sobre ellos permite clasificar esas sustancias así: 1) a los agentes que destruyen bacterias se les da el nombre de bactericidas', a los que destruyen los hongos, fungicidas y para los de los virus se utiliza el término virucida', 2) a los agentes que dificultan o inhiben el crecimiento, también se les asigna un nombre dependiendo del tipo de microorganismo sobre el cual ejercen su acción, de esta manera, los que actúan sobre las bacterias reciben el nombre de bacteriostáticos\ sobre los hongos, fungistáticos y sobre los virus, virustáticos.

Los componentes etimológicos de los térmi­ nos indican: el sufijo cida se refiere a muerte, destrucción, y el prefijo remite al tipo de micro­ organismo que destruye. El sufijo estático indica obstrucción o inhibición del crecimiento, y el prefijo da cuenta del tipo de microorganismo, al cual le inhibe el crecimiento. Tales sustancias van desde elementos metálicos pesados como la plata y el cobre, hasta moléculas orgánicas complejas como los compuestos de amonio cuaternario. En la vida cotidiana, doméstica o laboral, se utilizan un sinnúmero de compuestos químicos para controlar el crecimiento de los microorga­ nismos. Los detergentes y jabones que utilizamos para la higiene corporal diaria, para el lavado de la ropa o de los utensilios de cocina, tienen la finalidad de reducir la carga microbiana, inhibir el crecimiento de los microorganismos de la superficie corporal o de la ropa o en el mejor de los casos, destruirlos. En unidades especializadas como los laboratorios microbiológicos, hematológicos, instalaciones industriales, entre otros, se utilizan agentes químicos en forma rutinaria para controlar el crecimiento de microorganismos indeseados. Sin embargo, no existe un solo producto quí­ mico que sea capaz de convertirse en el agente químico ideal para el control microbiológico, pues, para lograrlo debe cumplir con una serie de

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características, prácticamente imposibles de reunir en un solo producto. Esas características son: 1. Actividad antimicrobiana. El producto químico, a baja concentración, debe tener un amplio espectro de actividad antimicrobiana, es decir, que pueda destruir muchas clases de micro­ organismos. 2. Solubilidad. La sustancia debe ser soluble en agua u otros solventes en la cuantía suficiente para que permita su uso efectivo. 3. Estabilidad. Los cambios que sufra la sustancia a lo largo del tiempo, mientras perma­ nece guardado en un estante, deben ser mínimos. Además, estos cambios no deben producir una pérdida significativa de la acción antimicro­ biana. 4. No debe ser tóxico para personas y ani­ males. El compuesto debe ser letal para los

microorganismos e inocuo para las personas y animales. 5. Homogeneidad. El agente debe tener una composición uniforme, de tal manera que los ingredientes activos estén presentes en cada aplicación. Los productos químicos puros son homogéneos, pero las mezclas pueden hacer que se pierda esta propiedad. 6. No debe combinarse con material orgá­ nico extraño. Muchos desinfectantes tienden a

combinarse con las proteínas u otro material orgánico. En consecuencia, cuando son usados en condiciones en que exista una considerable cantidad de material orgánico, la mayor parte del desinfectante queda inactivado. 7. Actividad antimicrobiana a temperatura ambiente y corporal. El agente químico debe ser efectivo sin que sea necesario elevar la tempe­ ratura del producto, por encima de los valores que normalmente se encuentren en el ambiente en donde se va a usar el compuesto. 8. Capacidad de penetración. El agente químico debe ser capaz de penetrar a través de la superficie, para que su acción antimicrobiana no se limite únicamente al sitio de aplicación. Si la sustancia no logra atravesar la superficie, su acción antimicrobiana estará siempre limitada a la superficie donde se aplica el producto. 9. No debe ser corrosivo ni teñir. El agente

222 / M icrobiología básica para

el área de la salud y afines

químico no debe oxidar o estropear de ninguna forma los metales, tampoco debe teñir ni dete­ riorar o estropear cualquier tipo de tela. 10. Poder desodorante. El agente químico, como un desinfectante, por ejemplo, debería, idealmente, ser inodoro o al menos poseer un olor agradable, 11. Capacidad detergente. Un agente quími­ co, por ejemplo, un desinfectante que también sea detergente (agente limpiador) tiene la ventaja que su acción limpiadora mejora la efectividad del desinfectante. Esta propiedad se encuentra en varios productos comerciales utilizados para la limpieza diaria. 12. Disponibilidad y costo. Se debe poder disponer del producto en cantidades abundantes, en cualquier momento del año y a un precio razonable.

Efectos de los agentes antimicrobianos sobre el crecimiento

seleccionar el agente químico apropiado, debe tenerse en cuenta: 1. Naturaleza del material que se va a tratar.

Un agente químico utilizado para desinfectar utensilios efectivamente puede ser poco satis­ factorio si se usa en la piel, porque le puede producir daño a las células de la epidermis. La sustancia seleccionada debe ser compatible con el material al cual se aplica. 2. Tipo de microorganismo. Se debe saber seleccionar el agente antimicrobiano para que sea efectivo contra los microorganismos que se quiere eliminar. 3. Condiciones ambientales. El uso exitoso de un agente antimicrobiano requiere el conoci­ miento de la influencia que sobre él ejercen las condiciones ambientales, como pH, temperatura y presencia de materia orgánica, entre otros. De esta manera puede emplearse bajo condiciones más favorables.

Principales grupos Pueden diferenciarse tres tipos de efectos al aña­ dir agentes antimicrobianos sobre un cultivo de bacterias que se encuentre en fase exponencial (fase log o de reproducción acelerada). Efecto bacteriostático. Se inhibe el crecimien­ to, pero las células bacterianas no mueren por­ que los agentes bacteriostáticos se unen a los ribosomas e inhiben la síntesis de proteínas. Sin embargo, esa es una unión débil y al disminuir la concentración del agente se libera de los riboso­ mas y se reanuda el crecimiento bacteriano. Efecto bactericida. Los agentes bactericidas matan las bacterias, pero no les producen rom­ pimiento o lisis. Efecto bacteriolítico. Los agentes bacteriolíticos causan la muerte bacteriana produciendo lisis a las células que conforman el cultivo.

Los grupos de agentes químicos antimicrobianos más utilizados son: Fenol (ácido fénico) y com puestos fenólicos

El fenol tiene importancia histórica en el desa­ rrollo de técnicas quirúrgicas sépticas por haber sido utilizado por Lister en la década de 1860. Actualmente se utilizan otros desinfectantes más eficaces y activos a concentraciones mucho más bajas. Los compuestos fenólicos, como el ácido fénico puro, son bactericidas o bacteriostáticos dependiendo de la concentración a la cual, se usen. Alcoholes

Agente químico antimicrobiano apropiado Los compuestos químicos antimicrobianos pueden ser muy efectivos en algunos usos y completamente nulos en otros, así que para

El alcohol etílico a concentraciones de 50 a 70% es el agente químico más usado como an­ tiséptico, porque produce desnaturalización de las proteínas y, además, es solvente de lípidos. por lo que causa daño a la membrana celular.

Control de microorganismos / 223

pero tiene un bajo poder sobre las formas esporuladas. Existen reportes que demuestran la supervivencia de esporas de Bacillus subtilis durante nueve años y las del carbunco durante veinte años.1 H alógenos y sus com puestos

C ompuestos de am onio cuaternario

Se encuentran ejerciendo acciones desinfectan­ tes, antisépticas e higienizantes, ejemplos: el cloruro de benzalconio (Zephiran), cloruro de benzetonio (Phemerol) y cloruro de acetilpiridinio (Cupryn). Estos compuestos tienen un gran poder bactericida sobre bacterias Gram positivas y un poco más bajo sobre las Gram negativas.

En este grupo de los halógenos se encuentran el yodo, cloro, flúor, bromo. Los compuestos del cloro como los hipocloritos de calcio o de sodio Aldehidos y el yodo, son muy utilizados en las industrias y en los hogares. El glutaraldehído y el formaldehído son los dos 1. Cloro y sus compuestos. Es uno de loscompuestos que pertenecen a los aldehidos, que desinfectantes más utilizados para el tratamiento tienen diversas aplicaciones para controlar los de aguas en los abastecimientos municipales. microorganismos: Tal vez los componentes más conocidos son 1. Glutaraldehído. Una solución de gluta­ el hipoclorito de de calcio, Ca(OCl)2y el hipo- raldehído al 2%, presenta amplio espectro de clorito de sodio, NaOCl. Los dos compuestos actividad antimicrobiana. Es efectiva contra pueden obtenerse en variadas presentaciones bacterias vegetativas, hongos, esporas bacte­ comerciales. rianas y fúngicas, virus. Se usa para esterilizar 2. Yodo. Es uno de los germicidas más an­instrumentos médicos y odontológicos. Sin tiguos y se utiliza para este fin desde hace más embargo, se necesita largo tiempo de exposición de un siglo. El derivado que más se usa como para lograr la esterilización. germicida es la tintura de yodo. Las soluciones 2. Formaldehído. Los vapores de formalde­ de yodo se utilizan principalmente como desin­ hído se usan para esterilizar un área cerrada y fectantes de la piel, en especial, como desinfec­ bajo condiciones apropiadas. Las características tante prequirúrgico. indeseables del formaldehído son la irritación de la piel y los vapores nocivos. M etales pesados Q uim ioesterilizantes gaseosos

Metales como el cobre, el mercurio, especial­ mente la plata, poseen una propiedad llamada acción oligodinámica, es decir, que en cantida­ des muy pequeñas (solo unas pocas partes por millón), ejercen un efecto letal sobre los micro­ organismos. El término se deriva de dos palabras griegas: oligos, que quiere decir “pequeño” y dynamis que significa “poder”. Colorantes

Principalmente los colorantes derivados del trifenilmetano como el verde de malaquita, el cristal violeta y el verde brillante, tienen alto poder destructor contra bacterias Gram positivas.

Su uso resulta muy efectivo en materiales que no pueden ser esterilizados con temperaturas altas o con esterilizantes químicos. Por ejemplo, el óxido de etileno es un compuesto orgánico cuya fórmula es relativamente simple. Se utiliza mucho en hospitales, industria y laboratorios. Destruye tanto formas vegetativas como resistentes. Una notable y deseable carac­ terística es su alto poder de penetración, porque puede pasar a través de las envolturas y esteriliza grandes paquetes de materiales, piezas de tela e incluso ciertos plásticos. El óxido de etileno es explosivo y tóxico, por eso, debe utilizarse con mucha precaución. Los vapores de óxido

224 / Microbiología básica para el área de la salud y afines

de etileno en el aire son altamente inflamables, aunque se encuentren en bajas concentracio­ nes. Por ser un potente agente esterilizador se utiliza universalmente para la esterilización de materiales sensibles al calor o a la humedad, además, las formas esporuladas, prácticamente, no presentan resistencia a la destrucción con la utilización adecuada del óxido de etileno (véase tabla 9.3).

Concentración mínima inhibitoria (CMI) El valor utilizado para expresar el resultado de la medición de la actividad antimicrobiana es el CMI. Se mide determinando la cantidad o la concentración mínima de un agente químico antimicrobiano que se necesita para inhibir el crecimiento de un microorganismo utilizado como control. Para conseguir este objetivo se utilizan, comúnmente, dos métodos: 1) dilución en tubo, y 2) difusión en agar.

Dilución en tubo Este método consiste en inocular con el mi­ croorganismo escogido una serie de tubos de ensayo con un medio de cultivo líquido. A cada tubo se le agrega una concentración diferente del agente químico antimicrobiano que se va a estudiar. Después de la incubación se observa la turbidez de los tubos: a mayor turbidez mayor crecimiento microbiano y viceversa. De esta manera, el tubo con menor concentración del agente inhibitorio que impida el crecimiento del microorganismo utilizado como referencia da el valor de la CMI. Por consiguiente, la CMI no es constante para un determinado agente porque depende del tipo de microorganismo utilizado, del tamaño del inoculo, de las condiciones de incubación: temperatura, pH, aireación, entre otras. Este método no permite ver la diferencia entre un agente microbicida o microbiostático, porque el agente va a estar presente en el medio de cultivo durante el tiempo que dure el periodo de incubación.

Difusión en agar Es otro procedimiento que se utiliza con fre­ cuencia para estudiar la acción antimicrobiana. El método consiste en preparar una caja de Petri con un medio de cultivo apropiado para el óptimo crecimiento del microorganismo seleccionado. El microorganismo escogido se cultiva en un medio de cultivo líquido y se inocula uniforme­ mente en el medio de cultivo de la caja de Petri, por el método de barrido. Luego se impregnan discos de papel de filtro con diferentes concen­ traciones del agente químico antimicrobiano y se colocan en la superficie del medio de cultivo. Durante la incubación, el agente se difunde desde el disco de papel de filtro al agar o medio de cultivo. Al finalizar el periodo de incubación se observan una serie de halos de inhibición del crecimiento microbiano alrededor de los discos de papel, de diferentes diámetros. A una deter­ minada distancia del disco de papel se alcanza la CMI y a partir de ese punto se observa el crecimiento microbiano. La zona de inhibición es proporcional a la cantidad del agente químico antimicrobiano añadido al disco de papel de filtro, la solubilidad del agente, el coeficiente de difusión y la eficacia del agente. Este método es muy rutinario para comprobar la sensibilidad a los antibióticos de los microorganismos patógenos y se conoce con el nombre de antibiograma.

Antibióticos y otros agentes quimioterapéuticos Los agentes quimioterapéuticos son sustancias químicas usadas para el tratamiento de enfer­ medades infecciosas (quimioterapia) o para la prevención de enfermedades (quimioprofilaxis). Estas sustancias se obtienen de los mismos microorganismos o de plantas y se sintetizan en los laboratorios farmacéuticos. En general, las sustancias químicas que existen naturalmente se distinguen de los compuestos sintéticos con el nombre de antibióticos. Para que una sustancia química sea útil como agente quimioterapéutico debe tener toxicidad

Tabla 9.3 Principales grupos de agentes químicos antimicrobianos Grupo principal

Características adicionales

Modo de acción

Compuestos específicos

Uso recomendado

Limitaciones

Fenol y compuestos fenólicos

Desnaturalizan las proteí­ nas y dañan la membrana celular de los microorga­ nismos

Los derivados como el hexilresorcinol, reducen mucho la tensión superficial

Los cresoles son más germi­ cidas que los fenólicos. Otro compuesto es el hexil­ resorcinol

Desinfección general

Efectividad microbiana limitada. Irritantes y co­ rrosivos

Alcoholes

Desnaturalizan proteínas. Los alcoholes son agen­ tes deshidratantes que, también, tienen acción detergente

Cuantos más carbo­ nos tenga el alcohol, su acción es más germicida

El alcohol metílico es menos bactericida y más tóxico. El alcohol etílico es el menos tóxico y se utiliza en con­ centraciones de 70%. Otros alcoholes como el propílico, el butírico y el amílico son de uso menos frecuente

Antisepsia para la piel. La concentración de 60% elimina a los virus si no hay materia orgáni­ ca extraña

Su efectividad es anti­ séptica

Halógenos: yodo

Producen halogenación de la tirosina; inactivan enzi­ mas y otras proteínas.

Efectivo contra bacte­ rias y esporas

La tintura de yodo se prepara disolviéndolo en alcohol. Los compuestos yodóforos se ob­ tienen cuando se adicionan agentes de superficie

Desinfección de la piel

Irritante de las membra­ nas mucosas

Cloro y compuestos de cloro

Se combinan con las pro­ teínas de la membrana y las enzimas de la célula

El cloro se usa para desinfectar el agua; los compuestos de cloro son más fáciles de usar y tienen muchas aplicaciones

Los hipocloritos higienizan utensilios y equipos. Las cloraminas son agentes oxidantes

Desinfección del agua

Inactlvados por la materia orgánica. La efectividad depende del pH. El sabor y el olor son objetables si no se controlan estricta­ mente

Aldehidos

Rompe enlaces de hidró­ geno y desnaturalizan las proteínas

Efectivos contra todos los microorganismos, excepto las esporas bacterianas

Glutaraldehído

Esterilización de instru­ mentos y fumigación

Estabilidad limitada: no son esporicidas

Quimioesterillzantes gaseosos

El óxido de etileno alquila compuestos orgánicos e inactiva enzimas

Mata todas las formas de vida

Óxido de etileno

Esterilización de mate­ riales sensibles al calor; instrumentos, equipos grandes y colchones

Este agente es inflamable y potencialmente explosivo en forma pura. Su acción es relativamente lenta

Compuestos de amonio cuaternario: detergentes catiónicos

Desnaturalizan proteínas y dañan la membrana celular

Más germicidas que otros detergentes; más bactericidas contra Gram positivas; son fungicidas

Cloruro de benzalconio, clo­ ruro de benzetonio y cloruro de acetilpiridinio

Desinfección de la piel. Son agentes higieni­ zantes

No son esporicidas

226 / M icrobiología básica para el área de la salud y afines

selectiva, es decir, que debe inhibir o matar al microorganismo, al parásito o a la célula ma­ ligna, mientras que causa poco o ningún daño a las células del hospedador. Otro requerimiento es que sea capaz de penetrar en las células y en los tejidos del hospedador.

Historia de la quimioterapia En 1630 los europeos utilizaban la quinina natural, procedente de la corteza del árbol de la quina de América del Sur, para tratar la malaria, pero los indígenas nativos ya la utilizaban con el mismo fin, desde muchos años antes de esa fecha. Cuando la sífilis devastaba poblaciones se inició el tratamiento quimioterapéutico. En 1495 se utilizó el mercurio, pero solo en 1910 Paul Ehrlich, sintetizó un compuesto arsenical conocido como salvarsán, que fue una droga específica capaz de curar la enfermedad sin gran peligro para el paciente. En 1935 hubo un gran estruendo, cuando investigadores alemanes encontraron que un colorante particular llamado prontosil curaba ratones a los que se les había suministrado dosis letales de estreptococos hemolíticos (bacterias que destruyen glóbulos rojos). En el mismo año 1935, se descubrió que la acción bactericida del prontosil era causada por uno de sus compuestos: la sulfonamida o sulfa­ nilamida. En 1945 ya se habían fabricado unos 5.488 derivados de la sulfanilamida.

Antibióticos Un antibiótico es el producto metabólicc de un organismo, que resulta perjudicial o inhibitorio para otros microorganismos en muy pequeñas cantidades. Dicho de otra manera, un antibió­ tico es una sustancia química producida por un microorganismo, que es inhibitoria para otro microorganismo. En 1929, Alexander Fleming descubrió que el hongo Penicillium notatum producía una sustancia m etabólica que actuaba contra el Staphylococcus aureus y llamó a esa sustancia penicilina. Fleming cultivó, aisló e identificó

al hongo y la penicilina se convirtió en una “droga milagrosa” solo hasta la Segunda Guerra Mundial. Posteriormente vinieron los descubri­ mientos de muchos antibióticos, entre ellos la estreptomicina, por Selman Waksman a partir del aislamiento del Streptomyces griseus. En la actualidad, se han descubierto antibióticos que poseen efectos secundarios tan tóxicos que no pueden utilizarse en los seres vivos, a pesar de su potente capacidad antibacteriana. Antibiótico útil Para que un antibiótico logre la calificación de útil, debe cumplir con estas propiedades: 1. Ser capaz de destruir o inhibir muchas especies de microorganismos patógenos especí­ ficos, es decir, que el antibiótico sea de amplio espectro.

2. No debe propiciar el desarrollo de formas resistentes de los microorganismos al antibiótico que se está utilizando en la terapia. 3. No debe producir efectos colaterales inde­ seables en el hospedador como reacciones alér­ gicas, daño a las células nerviosas, alteraciones renales o irritación del tracto gastrointestinal. 4. No debe eliminar la flora microbiana normal del hospedador, porque puede alterar el equilibrio natural y permitir que microbios normalmente no patógenos o patógenos res­ tringidos por la flora normal, establezcan una nueva infección. 5. Debe poderse administrar por vía bucal, sin que se inactive por los ácidos estomacales, o por vía parenteraJ mediante inyección, sin que se una a las proteínas de la sangre. 6. Debe tener alto grado de solubilidad en los fluidos del cuerpo. 7. El antibiótico debe permitir alcanzar altas concentraciones en los tejidos o en la sangre para inhibir o destruir los agentes infecciosos.

Control de microorganismos: sumario Los microorganismos pueden causar mucho daño y perjuicio. Infectan a las personas- a

Control de microorganismos

animales y a las plantas, produciendo enferme­ dades cuya gravedad oscila entre una infección débil y la muerte. Contaminan los alimentos y producen cambios químicos en ellos, que los vuelven incomestibles o incluso venenosos. Los microorganismos son, además, responsables de la alteración y deterioro de muchos materiales como los textiles, el cuero, el papel, la madera, etc. Las pérdidas económicas, que de ello se derivan, pueden ser sustanciosas. Por esto, es necesario disponer de procedimientos efectivos para controlar la contaminación y el crecimiento microbiano. La palabra control, como se utiliza, regularmente se refiere a la inhibición, muerte o eliminación de los microorganismos.

Preguntas para autocontrol del aprendizaje Mencione cuáles son las principales razones para controlar las poblaciones microbianas. 2. Diferencie las siguientes parejas de términos: a) esterilización y desinfección; b) acción germicida y acción bactericida; c) agente bactericida y agente bacteriostático; d) agen­ te microbiolítico y agente bacteriolítico. 3. Describa situaciones prácticas y en lo posi­ ble cotidianas, en las que sea apropiado: a) desinfectar, b) higienizar, y c) esterilizar. 4 M Asuma que usted añade un desinfectante a una suspensión de microorganismos, ¿mue­ ren todas las células instantáneamente? Explique su respuesta. 5. En qué se diferencia el término “muerte” utilizado en microbiología, del mismo tér­ mino usado en organismos superiores. 6. ¿Qué efecto puede tener la materia orgánica extraña sobre la efectividad de un desinfec­ tante?

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Compare la eficacia del calor húmedo y el calor seco como medios de esterilización. Haga un paralelo funcional entre las células vegetativas bacterianas con sus esporas, en cuanto a la resistencia al calor. ¿Qué es un autoclave?, ¿cuál es su princi­ pio físico?, ¿qué materiales se esterilizan usualmente en este aparato? ¿En qué se fundamenta la esterilización fraccionada? Cite algunos materiales que se esterilicen en un homo de aire caliente. Indique para cada material, por qué el aire caliente es el método de elección para su esterilización. ¿Cuál es el efecto de las temperaturas bajo cero sobre la supervivencia de los micro­ organismos? Cite varios tipos de radiaciones microbicidas. ¿Cuáles son las ventajas, limitaciones y aplicaciones prácticas de cada una de ellas? ¿Por qué no existe el agente químico ideal en el control de microorganismos? Mencione los principales grupos de agentes químicos antimicrobianos. ¿Cuáles son sus principales usos y cuál su modo de acción? ¿Son los antibióticos útiles como agentes quimioterapéuticos? Explíquelo. ¿Los antibióticos son generalmente más efectivos contra infecciones bacterianas que contra infecciones virales? Exponga las razones para ello.

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