Métodos de Estudio de los Microorganismos

Para conocer las propiedades de los microorganismos, se realizan cultivos en el laboratorio. Los medios de cultivo poseen nutrientes con diferentes composiciones y pueden ser:

• Según su composición: generales o diferenciales.
• Según su estado físico: líquidos o sólidos.

Un sistema de cultivo que sirve para conocer las fases de crecimiento de un microorganismo es el que se realiza en un medio cerrado (los componentes se añaden una sola vez y el sistema se cierra). Las fases de crecimiento son:

1. Fase de adaptación o latencia: los microorganismos se adaptan al nuevo medio.
2. Fase exponencial: crecimiento exponencial muy rápido, una vez adaptados.
3. Fase estacionaria: los nutrientes comienzan a escasear y se acumulan productos de desecho.
4. Fase de muerte: los microorganismos mueren y no pueden reproducirse.

Virus: Morfología, Composición y Ciclos

Cuando un virus se encuentra fuera de una célula huésped, es metabólicamente inerte (virión).

Composición de un Virus

• Material genético: Pueden tener ADN o ARN, que puede ser monocatenario (de una hebra) o bicatenario (de dos hebras). Excepcionalmente, algunos virus presentan ADN monocatenario o ARN bicatenario. El genoma viral codifica las enzimas necesarias para replicar su ácido nucleico o utiliza las enzimas de la célula huésped. Su material genético puede estar fragmentado o ser una molécula única.
• Cubierta proteica o cápsida: Estructura que aloja y protege el ácido nucleico. En virus sin envoltura externa, la cápsida también posee receptores para unirse y penetrar en las células huésped. La cápsida está formada por unidades proteicas llamadas capsómeros, que se autoensamblan formando estructuras simétricas y cristalizables.

Ciclo Reproductor de un Virus

El ciclo general incluye las siguientes etapas:

1. Fijación (o adsorción): el virus se une a la célula huésped.
2. Penetración: el virus o su material genético entra en la célula.
3. Eclipse: replicación del material genético viral y síntesis de proteínas virales.
4. Ensamblaje: se forman nuevas partículas virales.
5. Liberación: los nuevos virus salen de la célula.

La liberación puede causar la muerte celular (ciclo lítico) por agotamiento de nutrientes, rotura de la membrana o destrucción de su genoma. Alternativamente, la liberación puede ser lenta y continua, sin lisar la célula, lo que se conoce como infección persistente.

En los ciclos lisogénicos, el material genético viral se integra en el genoma de la célula huésped (profago) o se mantiene en estado latente, y la reproducción viral activa se retrasa. Esto se denomina infección latente.

Cuando una célula animal es infectada por un virus, puede producir proteínas llamadas interferones, que se unen a las membranas de células sanas adyacentes para inducirlas a formar proteínas antivirales, confiriéndoles resistencia a la infección.

Origen de los Virus y Otras Estructuras Acelulares

Los virus son acelulares y marcan una barrera entre lo vivo y lo inanimado. Existen otras moléculas o estructuras acelulares que también pueden parasitar células:

• Priones: Proteínas pequeñas con capacidad infecciosa. Ejemplo: el prión responsable de la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, relacionada con la encefalopatía espongiforme bovina (“enfermedad de las vacas locas”).
• Transposones: Segmentos de ADN (“genes saltarines”) que pueden moverse de un sitio a otro dentro del genoma de una célula.
• Viroides: Moléculas de ARN monocatenario circular con capacidad infecciosa, que causan enfermedades en plantas.
• Provirus: ADN viral integrado en el genoma de la célula huésped.
• Plásmidos: Moléculas de ADN extracromosómico, generalmente circulares, que se replican de forma autónoma y pueden encontrarse en bacterias y algunas levaduras.

Bacterias

Las bacterias son un grupo abundante y heterogéneo de microorganismos procariotas del reino Monera, con un tamaño típico de 1 a 10 µm (micrómetros).

Morfología Bacteriana

Según su forma, se clasifican principalmente en cuatro grupos:

• Cocos (esféricas)
• Bacilos (alargadas, en forma de bastón)
• Vibrios (forma de coma)
• Espirilos (forma espiral o helicoidal)

Estructura Bacteriana

• Membrana plasmática: Bicapa lipídica sin colesterol (a diferencia de las células eucariotas). Interviene en el intercambio celular, respiración celular (en aerobias), fotosíntesis (en bacterias fotosintéticas), asimilación de nitrógeno atmosférico y duplicación del ADN.
• Pared celular bacteriana: Envoltura rígida externa a la membrana plasmática que proporciona forma y protección, soportando altas presiones osmóticas. Su composición (principalmente peptidoglicano) es característica.
• Cápsula bacteriana: Algunas bacterias poseen, externamente a la pared celular, una capa viscosa de polisacáridos u otros polímeros, que puede conferir protección y virulencia.
• Flagelo bacteriano: Prolongación filiforme utilizada para el desplazamiento en medios líquidos.
• Pelos bacterianos (fimbrias y pili): Filamentos proteicos superficiales, generalmente más cortos, numerosos y delgados que los flagelos. Las fimbrias sirven para la adhesión a sustratos o células, mientras que los pili (especialmente los pili sexuales) intervienen en el intercambio de material genético (conjugación).
• Citosol: Medio interno acuoso, similar en función al de las células eucariotas, pero carece de orgánulos membranosos. Contiene ribosomas 70S (diferentes de los 80S eucariotas), el nucleoide (región con el ADN bacteriano) y diversas inclusiones.

Funciones de Relación Bacteriana

Dependiendo de las condiciones ambientales, las bacterias pueden responder con:

• Movimientos: Por ejemplo, mediante flagelos.
• Variaciones metabólicas: Adaptando su metabolismo a la disponibilidad de nutrientes.
• Adopción de formas de resistencia:
  • Quistes: Células que pierden agua y se rodean de una gruesa capa protectora.
  • Endosporas: Estructuras altamente resistentes formadas internamente por algunas bacterias (p. ej., Clostridium botulinum), que les permiten permanecer en estado de vida latente hasta que las condiciones ambientales vuelvan a ser favorables. Son muy resistentes, incluso a la esterilización.

Funciones de Nutrición Bacteriana

Las bacterias son un grupo metabólicamente muy heterogéneo, capaces de colonizar todos los ambientes. Presentan todos los tipos de metabolismos conocidos:

• Bacterias autótrofas fotosintéticas: Utilizan la luz como fuente de energía. Algunas desprenden oxígeno (cianobacterias) y otras no (bacterias verdes y púrpuras del azufre).
• Bacterias fotoorganotrofas: Utilizan la luz como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono.
• Bacterias autótrofas quimiosintéticas: Obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos.
• Bacterias fijadoras de nitrógeno: Convierten el nitrógeno atmosférico (N₂) en amoniaco (NH₃).
• Bacterias quimioheterótrofas: Obtienen energía y carbono de compuestos orgánicos. Pueden ser:
  • Parásitas: Viven a expensas de un huésped, causándole daño.
  • Simbiontes: Viven en asociación beneficiosa con otro organismo.
  • Saprófitas (o saprobias): Se alimentan de materia orgánica muerta o en descomposición.

Su reproducción es normalmente asexual por bipartición (fisión binaria).

Protozoos

Son microorganismos eucariotas unicelulares, sin pared celular, heterótrofos y generalmente móviles. Viven en medios húmedos y acuáticos, muchos de vida libre, aunque algunos son parásitos. Un grupo importante de parásitos son los esporozoos (Apicomplexa). Se alimentan de macromoléculas o de otros microorganismos que capturan. Su desplazamiento se realiza mediante cilios, flagelos o pseudópodos.

Algas Microscópicas

Son organismos eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigénica. Aunque el término «algas» incluye organismos macroscópicos, aquí nos referimos a las formas microscópicas, que pueden ser unicelulares o coloniales sin formar verdaderos tejidos. Las colonias pueden constituir filamentos más o menos ramificados o estructuras laminares simples. Viven en toda clase de medios, especialmente acuáticos. Se reproducen asexualmente por bipartición o mediante la formación de esporas; también pueden tener reproducción sexual.

Las algas unicelulares viven en agua dulce o marina y forman el fitoplancton. Son responsables de la mayor parte de la fotosíntesis acuática, generando materia orgánica y siendo la base de la cadena trófica en estos ecosistemas, además de producir una gran cantidad de oxígeno. Ejemplos incluyen algas flageladas (como las euglenofitas) y diatomeas.

Hongos Microscópicos

Son organismos eucariotas, unicelulares (levaduras) o pluricelulares (mohos), con nutrición heterótrofa por absorción. Algunos hongos filamentosos forman pseudotejidos compuestos por células dispuestas en filamentos llamados hifas. Las paredes celulares de las hifas contienen el polisacárido quitina (también presente en el exoesqueleto de artrópodos, pero no en plantas). Su reproducción puede ser asexual (por gemación en levaduras, o por esporas) o sexual (también mediante esporas). Están adaptados a todos los medios.

Según su modo de vida, pueden ser:

• Saprófitos: Descomponen materia orgánica muerta, produciendo putrefacciones y fermentaciones que convierten la materia orgánica en sustancias minerales. Son descomponedores esenciales que cierran los ciclos biogeoquímicos.
• Parásitos: Causan enfermedades en plantas y animales, incluyendo humanos (ejemplos: tiña, micosis, pie de atleta, candidiasis, así como daños a cultivos).
• Simbiontes: Forman asociaciones beneficiosas con otros organismos. Ejemplos: con cianobacterias o algas verdes para formar líquenes; y con las raíces de plantas para formar micorrizas (p. ej., en pinos).

Tienen gran importancia económica por su papel en las fermentaciones (p. ej., Saccharomyces cerevisiae, una levadura unicelular, para la producción de cerveza y pan), la producción de antibióticos (p. ej., Penicillium notatum, un moho pluricelular) y otros procesos industriales (algunas especies de Rhizopus, pluricelulares, en ciertas fermentaciones y producción de enzimas).

Tipos de Barreras Defensivas del Organismo

Las barreras defensivas responden ante los agentes extraños. La respuesta inmune es el conjunto de mecanismos que permiten a un ser vivo reconocer sustancias como extrañas (antígenos) y desencadenar una respuesta (humoral o celular) para conseguir su eliminación o neutralización.

Las respuestas inmunes se agrupan en dos tipos principales:

1. Respuesta Inespecífica (Inmunidad Innata)

No es específica para un antígeno particular, sino que actúa de forma general contra cualquier agente extraño. Incluye:

Barreras Primarias

• Barrera anatómica o física: La piel intacta impide el paso de microorganismos al interior; la descamación continua de células epiteliales ayuda a eliminar microbios adheridos. Las mucosas que revisten tractos también actúan como barreras.
• Barrera fisiológica o química:
  • El pH ácido del estómago y de la piel (glándulas sudoríparas y sebáceas).
  • Secreciones de las mucosas (digestivo, respiratorio, reproductor y órganos de los sentidos) que contienen enzimas como la lisozima (en lágrimas, saliva) y otras sustancias antimicrobianas.
• Flora bacteriana autóctona: Microorganismos comensales, especialmente en el intestino y la piel, que compiten con los gérmenes patógenos por nutrientes y espacio, o producen sustancias que inhiben su crecimiento.

Barreras Secundarias (Respuesta Celular y Humoral Inespecífica)

Si los agentes extraños atraviesan las barreras primarias, se activan mecanismos internos:

• Células fagocitarias: Como los macrófagos y neutrófilos, que pueden atravesar las paredes de los vasos sanguíneos (diapédesis) y migrar a los tejidos atraídos por factores quimiotácticos para ingerir y destruir patógenos.
• Células Natural Killer (NK): Linfocitos que reconocen y destruyen células infectadas por virus o células tumorales sin necesidad de sensibilización previa.
• Sistema del Complemento: Conjunto de proteínas plasmáticas (proenzimas) que, al activarse en cascada, pueden lisar microorganismos, facilitar la fagocitosis (opsonización) y promover la inflamación.

2. Respuesta Específica (Inmunidad Adquirida o Adaptativa)

Esta respuesta se organiza solo ante determinados antígenos que provocan su iniciación, debido al reconocimiento antigénico específico por parte de los linfocitos.

En esta respuesta intervienen principalmente los linfocitos (T y B) y los productos derivados de estos, como los anticuerpos (producidos por células plasmáticas, derivadas de linfocitos B) y las citocinas (producidas por linfocitos T y otras células inmunes).

Debido a que los linfocitos poseen memoria inmunológica, existen dos tipos de respuesta específica:

• Respuesta primaria: Mecanismos de respuesta desencadenados tras el primer contacto con el antígeno. Suele ser más lenta y menos intensa.
• Respuesta secundaria: Mecanismos de respuesta que se producen cuando hay un contacto posterior con el mismo antígeno. Es más rápida, intensa y eficaz, gracias a la activación de los linfocitos de memoria formados durante la respuesta primaria.

Mecanismos Detallados de la Respuesta Inespecífica

Respuesta Inflamatoria

¿Cuándo actúa?
Cuando los antígenos (Ag) superan las barreras primarias, actúan las barreras secundarias, con la movilización de elementos celulares y humorales al sitio de la agresión.

Células intervinientes:
Las principales células que intervienen son los neutrófilos y macrófagos, que actúan rápidamente fagocitando a los invasores; parte de estas células muere en el proceso. También participan las células NK.

Función:
Esta reacción inespecífica tiene como objetivo aislar e inactivar a los agentes agresores, eliminar células dañadas y restaurar la zona afectada.

Síntomas característicos:

• Rubor (enrojecimiento)
• Hinchazón (tumor o edema)
• Calor
• Dolor

Estas reacciones están controladas por mediadores químicos como la histamina y la serotonina, liberados por células dañadas o células inmunitarias (mastocitos, basófilos).

El proceso inflamatorio consiste en:

1. Vasodilatación y aumento de la permeabilidad vascular.
2. Migración de leucocitos (principalmente neutrófilos y luego macrófagos) desde la sangre hacia el tejido afectado (quimiotaxis).
3. Acción de los neutrófilos (fagocitosis temprana).
4. Activación de macrófagos (fagocitosis sostenida, limpieza de restos celulares y tisulares, inicio de la reparación).

La fagocitosis se ve favorecida si el agente extraño está recubierto por ciertas proteínas del plasma, como anticuerpos o componentes del complemento; este proceso se denomina opsonización. Los macrófagos fagocitan los restos celulares y tisulares, limpiando la zona y contribuyendo a la regeneración de los tejidos. Al final del proceso agudo, puede formarse pus (acumulación de neutrófilos muertos, restos celulares y microorganismos).

La inflamación localizada puede, en algunos casos, provocar una respuesta sistémica como la fiebre. La respuesta inflamatoria puede ser amplificada y modulada por el efecto de los anticuerpos (en el contexto de una respuesta específica concurrente) y el sistema del complemento.

El Sistema del Complemento

Es un conjunto de aproximadamente 30 proteínas plasmáticas, principalmente del grupo de las globulinas, que normalmente se encuentran inactivas en el suero como proenzimas. Se activan en cascada por ciertos factores (p. ej., complejos antígeno-anticuerpo o superficies microbianas).

La respuesta del complemento es rápida y sus funciones principales son:

• Lisis celular: Destrucción directa de células extrañas (bacterias, células infectadas) mediante la formación del complejo de ataque a la membrana (MAC).
• Inflamación: Inicio y amplificación de las reacciones inflamatorias mediante la liberación de péptidos que actúan como mediadores (anafilotoxinas).
• Opsonización: Algunos componentes del complemento recubren a los patógenos, facilitando su fagocitosis por células como macrófagos y neutrófilos.
• Activación de macrófagos y otras células inmunitarias.
• Quimiotaxis: Atracción de células fagocíticas al sitio de la infección.

El complemento se sintetiza principalmente en el hígado.

Mecanismos Detallados de la Respuesta Inmune Específica

La respuesta inmune específica es activa solo ante los antígenos (Ag) que la provocan. Para ello, es necesario el reconocimiento del Ag por células especializadas, como las células presentadoras de antígeno (APC) (macrófagos, células dendríticas, linfocitos B), y una posterior activación coordinada de linfocitos T y B, así como de macrófagos.

Inmunopatologías

Las inmunopatologías son anomalías en el funcionamiento del sistema inmune que pueden causar enfermedad.

• Inmunoestimulación: Es la potenciación artificial o fisiológica de las defensas inmunes. Puede ser terapéutica (vacunas, inmunoterapias) o parte de una respuesta normal.
• Hipersensibilidad: Es la producción de una respuesta inmune inadecuada o exagerada ante un antígeno (alérgeno en el caso de alergias, o autoantígeno en autoinmunidad), causando daño a los propios tejidos.
• Inmunodeficiencias: Se caracterizan por la ausencia o disfunción de algún componente del sistema inmune. Es un estado patológico en el que el sistema inmune no protege adecuadamente al organismo, dejándolo vulnerable a infecciones recurrentes y/o graves, y a ciertos tipos de cáncer. Pueden ser primarias (congénitas) o secundarias (adquiridas, p. ej., SIDA).