Introducción a los Microorganismos

Los microorganismos son un extenso y variado grupo de seres vivos que, debido a sus reducidas dimensiones, solo pueden ser vistos con microscopio óptico y, en algunas ocasiones, con el electrónico. Pueden existir como formas celulares aisladas, libres e independientes, capaces de llevar a cabo sus procesos vitales de reproducción, generación de energía y crecimiento, o como agrupaciones celulares.

Características Generales de los Microorganismos

• El pequeño volumen que ocupa el citoplasma de un microorganismo mantiene una gran superficie de contacto con su entorno, lo que facilita el intercambio de sustancias entre el medio externo y el citoplasma celular.
• Las pequeñas dimensiones permiten que todos los puntos estén relativamente próximos, por lo que las pérdidas de actividad enzimática por dilución se reducen al máximo. De esta forma, las reacciones metabólicas transcurren a gran velocidad.
• Son capaces de capturar nutrientes del medio y metabolizarlos rápidamente, por lo que originan gran cantidad de productos de desecho, que son eliminados al medio externo. Por ello, alteran en poco tiempo el medio en el que viven, consumiendo sus nutrientes e inundándolo de residuos de su metabolismo. Esto puede ser útil para la fabricación de antibióticos.
• Debido a su eficiente tasa metabólica, se pueden multiplicar rápidamente si tienen condiciones ideales de presión, temperatura y nutrientes. Se dividen por bipartición, pudiendo hacerlo cada 20 minutos en condiciones ideales.

Diversidad de Seres Microscópicos

Bacterias

Las bacterias son organismos simples con escasas estructuras internas y cuatro tipos morfológicos distintos:

• Bacilo: Alargada.
• Coco: Esférica.
• Espirilo: Bastón espiralado.
• Vibrio: Forma de coma.

Presentan gran variabilidad en su metabolismo. Algunas pueden formar agrupaciones:

• Bacilos: Cadenas (en una dirección).
• Diplococos: Parejas (en una dirección).
• Estreptococos: Cadenas (en una dirección).
• Estafilococos: Racimos (en dos direcciones).
• Sarcinas: Asociaciones tridimensionales regulares.

Viroides

Los viroides son pequeñas moléculas de ARN circular y monocatenario que infectan células vegetales. Este ARN no codifica ninguna cadena polipeptídica, pero posee una estructura secundaria que permite que la ARN polimerasa lo replique. Su infección causa disminución del crecimiento de la planta y un desarrollo anormal (ejemplo: enfermedad del cadang-cadang).

Priones

Los priones son partículas infecciosas constituidas por proteínas. Son proteínas con la misma o parecida secuencia de aminoácidos (aa) que una proteína normal, pero tienen una forma espacial distinta. Son capaces de inducir a las proteínas normales de la célula a adoptar la forma espacial del prión. Suelen ser proteínas de membrana de las neuronas, por lo que causan enfermedades neurodegenerativas. Aunque no contienen ácidos nucleicos, son capaces de inducir su autorreplicación. Las defensas inmunitarias no pueden destruirlos (ejemplo: enfermedad de Creutzfeldt-Jakob).

Virus

Los virus no tienen estructura ni organización celular. Están formados por un ácido nucleico asociado a proteínas y contienen información genética propia. Dirigen su proceso de replicación y su ácido nucleico codifica para la síntesis de proteínas virales, algunas estructurales y otras necesarias para su multiplicación. Son parásitos intracelulares obligados.

Cuando el virus está fuera de la célula, recibe el nombre de virión; es inerte y actúa como vehículo de transporte del ácido nucleico entre una célula y otra. Dentro de la célula, el ácido nucleico del virus se integra en el ácido nucleico de la célula que parasita, tomando el control de su maquinaria metabólica para multiplicarse.

Estructura y Clasificación Viral

Composición del Virión

1. Ácido Nucleico

   Puede ser ADN o ARN, de una cadena o dos, y moléculas circulares o lineales. Según el virus, el ácido nucleico puede estar en una única molécula o en varios segmentos separados dentro de la cápsida. Los retrovirus llevan dos copias idénticas del genoma. Algunos pueden contener bases modificadas como 5-hidroximetilcitosina o 5-hidroximetiluracilo.

2. Cápsida

   Es una estructura proteica que protege al ácido nucleico. Cada cápsida está formada por subunidades proteicas llamadas capsómeros.

   Tipos de Cápsida:

   • Helicoidal: Forma de cilindro proteico hueco, rígido o flexible. Sus capsómeros están formados por un solo tipo de proteína.
   • Poliédricas: Forma de poliedro regular (los más comunes son icosaédricos).
   • Complejas: Cápsida con otras estructuras añadidas.

3. Envoltura

   Formada por una bicapa lipídica que procede de la membrana plasmática del huésped, la cual el virus ensambla en su superficie al abandonarla. Contiene proteínas codificadas por el ácido nucleico viral, muchas de ellas glucoproteínas que sobresalen de la envoltura formando espículas.

Clasificación de los Virus

Según la Arquitectura de la Cápsida

• Helicoidales: Organización simple. El ácido nucleico se encuentra dentro de la cápsida cilíndrica hueca con estructura helicoidal (ejemplo: el virus de la rabia).
• Poliédricos: Los más simples son virus icosaédricos con 20 caras (ejemplo: adenovirus).
• Complejos: Poseen estructuras complejas. Tienen una cápsida poliédrica donde está el ácido nucleico y una cola en forma helicoidal. En la cola pueden tener una placa basal provista de fibras articuladas y espículas, involucradas en la adhesión a la célula bacteriana. La cabeza está conectada a la cola por el collar.

Según la Presencia de la Envoltura

• Envueltos: La cápsida está cubierta por una capa de la membrana de la célula huésped.
• Desnudos: Las cápsidas no están cubiertas por una envoltura.

Enfermedades Causadas por Microorganismos

Enfermedad del Sueño

Causada por el protozoo Trypanosoma brucei.

• Síntomas Iniciales: Dolor de cabeza, dolores musculares, picor generalizado, estado de gran debilidad, inflamación ganglionar en todo el cuerpo.
• Síntomas Posteriores: Taquicardia, anemia, pérdida de peso.
• Fase Neurológica: El tripanosoma invade el sistema nervioso, produciendo cambios de humor, somnolencia durante el día e insomnio de noche. Finalmente, el paciente entra en coma y fallece.
• Vías de Transmisión: Por la picadura de la mosca tse-tsé del género Glossina, un insecto que únicamente se encuentra en el África subsahariana. Las moscas se infectan al chupar la sangre de algún animal o humano infectado. Al entrar en el torrente sanguíneo, el parásito comienza a reproducirse y a extenderse por todo el organismo.

Pie de Atleta (Tinea pedis)

Causado por hongos (Trichophyton sp. y Microsporum sp.).

Es una infección micótica producida por hongos dermatofitos (que se alimentan de queratina). Afecta a los pliegues interdigitales, la planta y los bordes del pie, causando picores, enrojecimiento y descamación de la piel.

S.I.D.A. (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida)

Causado por el Virus de Inmunodeficiencia Humana (V.I.H.).

• Fase Inicial: Fiebre, dolor, malestar (similar a una gripe).
• Fase Tardía: Pérdida brusca de peso, inflamación de ganglios, cansancio persistente, diarrea crónica, dolor de garganta, tos seca, erupciones de la piel.
• Vías de Transmisión:
  • Vía sexual.
  • Vía sanguínea: Transfusiones, jeringuillas compartidas.
  • Vía vertical: De madre portadora del VIH al bebé durante el embarazo, parto o lactancia.

Biotecnología y Manipulación Genética

La biotecnología es el conjunto de técnicas mediante las que se obtienen productos útiles para las personas a partir de seres vivos o de sus componentes. Incluye:

1. Procedimientos biotecnológicos tradicionales, como las fermentaciones.
2. La ingeniería genética: Es un conjunto de técnicas que permiten la manipulación y la transferencia de genes de un organismo a otro, obteniendo de este modo organismos genéticamente modificados. También se conoce como la técnica del ADN recombinante.

Un ADN recombinante es un ADN obtenido en el laboratorio que presenta segmentos procedentes de organismos diferentes.

Técnicas Clave de la Ingeniería Genética

• Tecnología del ADN Recombinante

  Permite aislar y manipular un fragmento de ADN de un organismo para introducirlo en otro.

• Secuenciación del ADN

  Técnica que permite saber el orden o secuencia de los nucleótidos que forman parte de un gen.

• Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR)

  Permite aumentar el número de copias de un fragmento determinado de ADN (lo que se conoce como amplificación génica). Por lo tanto, con una mínima cantidad de muestra de ADN, se puede conseguir toda la que se necesite para un determinado estudio.

• Realización de Transgénesis (Organismos Transgénicos)

  Consiste en la transferencia de ADN a células o grupos de células que originan células u organismos, llamados transgénicos, con características genéticas nuevas.

La ingeniería genética permite eliminar una característica indeseable de un organismo anulando el gen correspondiente, o introducir una nueva característica en una especie copiando el gen correspondiente e introduciéndolo en el genoma de la especie receptora.

Organismo Transgénico

Un organismo está modificado genéticamente cuando su genoma ha sido alterado mediante técnicas de Ingeniería Genética y puede transmitir esta modificación a la progenie. Cuando la modificación se ha producido mediante la incorporación a su genoma de un fragmento de ADN que procede de otra especie, se dice que el organismo modificado genéticamente es un organismo transgénico. El gen introducido o transgén debe estar acompañado por las secuencias reguladoras que permitan su expresión. El objetivo de esta técnica es obtener en un organismo características «útiles» de otros organismos.

Tecnología del ADN Recombinante

Esta tecnología nos permite obtener fragmentos de ADN en cantidades ilimitadas, que llevarán además el gen o los genes que se deseen. Este ADN puede incorporarse a las células de otros organismos en los que se podrá «expresar» la información de dichos genes.

Construcción de un ADN Recombinante

Las moléculas de ADN recombinante suelen contener un vector y el gen o los genes de interés. Las herramientas básicas para la construcción de moléculas de ADN recombinante son las enzimas de restricción o endonucleasas de restricción y las ADN ligasas.

Enzimas de Restricción (Enzimas Tijera)

Son un grupo de varias enzimas propias de diversas especies de bacterias. Su función es destruir los ADN víricos que puedan entrar en estos organismos, para lo cual realizan cortes en el ADN extraño.

Corte Específico del ADN en Fragmentos

Se realiza mediante la utilización de las endonucleasas de restricción. Los enzimas de restricción se desplazan por la hebra de ADN y lo cortan cuando topan con una secuencia determinada (característica para cada uno de ellos), que tiene entre cuatro y ocho bases y que es palindrómica (se lee igual de derecha a izquierda en una hebra que de izquierda a derecha en la otra). Al cortar la doble hélice, estos enzimas dejan en los extremos secuencias de una sola hebra, llamados extremos cohesivos o pegajosos, porque tienden a aparearse nuevamente. Estos facilitan la formación de ADN recombinante a partir de los ADN cortados por la misma enzima de restricción.

Inserción de Fragmentos de ADN en Vectores de Clonado

Los vectores de clonado son transportadores biológicos capaces de entrar en la célula hospedadora con el fragmento de ADN que queremos introducir y de autorreplicarse en ellas. Los más utilizados en la tecnología del ADN recombinante son los plásmidos y los virus bacteriófagos.

Plásmidos

Son moléculas de ADN circular, con un tamaño menor que el del cromosoma bacteriano. Los plásmidos son útiles vectores de clonación debido a:

• Que se replican con independencia del cromosoma bacteriano, ya que tienen su propio origen de replicación.
• Mayor estabilidad del ADN circular durante su aislamiento químico.
• Presencia de marcadores característicos, como genes de resistencia a antibióticos, haciendo así más fácil la detección y selección de los clones.

Aplicación Biotecnológica: Producción de Insulina Humana

Conceptos Fundamentales

Insulina

Hormona polipeptídica formada por 51 aminoácidos, producida por las células β de los islotes de Langerhans del páncreas. Interviene en la regulación del metabolismo de los glúcidos en el organismo.

Diabetes

Enfermedad que se caracteriza por la disfunción en la producción de insulina.

La insulina consta de dos cadenas polipeptídicas (insulina A e insulina B, de 21 y 30 aminoácidos respectivamente, sumando 51) unidas mediante puentes disulfuro. Las dos cadenas están codificadas por partes diferentes de un mismo gen. En realidad, el gen de la insulina codifica una sola cadena polipeptídica más larga (proinsulina) que posteriormente dará lugar a la insulina madura, para lo que se debe eliminar el fragmento central de la cadena que une la insulina A y la B.

Para conseguir que las bacterias produzcan insulina humana, se realiza la producción de las cadenas A y B por separado (en distintas células bacterianas) y la unión posterior de las cadenas A y B para formar insulina. Puesto que las cadenas polipeptídicas de la insulina son cortas, resulta más rentable sintetizar en el laboratorio los polinucleótidos que las codifican, que aislar el gen de la insulina a partir de células humanas.

Proceso de Fabricación de Insulina Recombinante

1. Se fabrica en el laboratorio un ADN que codifica para la cadena A de la insulina humana, y se inserta en un plásmido bacteriano. Se fabrica también ADN que codifica para la cadena B, y se inserta en otro plásmido similar al anterior. En ambos casos, el gen para la cadena de insulina se encuentra al lado del gen bacteriano para la β-galactosidasa.
2. Los plásmidos se introducen (por separado) en células de Escherichia coli. Al expresarse, cada uno de ellos da lugar a una proteína de fusión, que contiene la cadena de β-galactosidasa unida a la cadena de insulina (A o B) mediante un residuo de metionina.
3. Ambas proteínas de fusión se extraen y se purifican por separado, tratándose con BrCN (bromuro de cianógeno), que destruye la metionina, quedando libres las cadenas de insulina.
4. Se juntan las cadenas A y B, y mediante procedimientos químicos (oxidación) se establecen entre ellas puentes disulfuro, obteniéndose insulina en su forma final.

Conceptos de Genética Molecular

Mutaciones

Agente Mutágeno

Agente físico, químico o biológico que desencadena una mutación inducida; agente que puede afectar a la estructura del ADN.

Mutación Génica

Mutación en sentido estricto. Alteración en la secuencia de nucleótidos de un gen determinado.

Mutación Cromosómica

Afecta al número y disposición de secuencias génicas normales de un cromosoma, pero no a la secuencia de nucleótidos.

Mutación Genómica

Altera, aumentando o disminuyendo, el número de cromosomas característico de la especie.

Expresión Génica

Transcripción

Síntesis de ARNm. Es la primera fase de la expresión génica, durante la cual se transfiere la información del ADN a una molécula de ARN (ocurre en el citoplasma en procariotas y en el núcleo en eucariotas).

Traducción

Síntesis de proteínas. Etapa en la que se descodifica el mensaje genético que contiene el ARNm para que se sintetice una proteína (ocurre en los ribosomas y el citoplasma en procariotas, y en el citosol y el RER de eucariotas).