3ªEVALUACIÓN

EL METABOLISMO Y SU REGULACIÓN

Concepto de metabolismo

El metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones químicas que suceden en la célula. Sus funciones son:

• La obtención de energía química del entorno

• La conversión de los nutrientes exógenos en precursores de las macromoléculas de las células.

• La construcción de dichas macromoléculas propias a partir de los precursores.

• La formación y degradación de las biomoléculas necesarias para las funciones celulares.

La mayoría de las reacciones químicas que constituyen el metabolismo están ligadas en secuencias llamadas rutas metabólicas, de forma que el producto de una de ellas constituye el sustrato de otra.

Estas reacciones están regidas por las leyes de la termodinámica que gobiernan a todas las reacciones químicas, tienen lugar en un determinado orden, que está controlado mediante:

• La regulación de cada reacción por enzimas.

• El acoplamiento de las reacciones, de forma que la energía necesaria en las reacciones endergónicas procede de la desprendida en las exergónicas.

• La síntesis de transportadores energéticos que capturan la energía de las reacciones exergónicas y la transportan a las endergónicas (consumen energía)

Fases del catabolismo y del anabolismo

El catabolismo consiste en la degradación enzimática de moléculas orgánicas complejas a moléculas sencillas.

Esta transformación se produce mediante reacciones de oxidación, liberando energía, que se conserva en ATP.

El catabolismo se sucede en tres fases:

• Fase I, donde las macromoléculas se transforma en monómeros correspondiente.

• Fase II, los monómeros se transforma en acetilo del acetilCoA, y se desprenden energía en ATP y NADH

• Fase III, donde tiene lugar la oxidación del grupo acetilo a H2O y CO2, produciéndose gran cantidad de NADH.

El anabolismo es la construcción enzimática de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas precursoras sencillas. Este proceso necesita un gran aporte energético de ATP.

• Fase III, por los pequeños compuestos originados en la tercera fase del catabolismo

• Fase II, donde se forman los monómeros

• Fase I se forman las moléculas complejas.

Estos dos procesos suceden simultáneamente y son interdependiente, todas las fases, menos la fase III no suelen ser idénticas, a causa por:

• Son irreversibles, porque en uno de los sentidos es imposible.

• Están localizadas en distintos orgánulos celulares

• La regulación de las rutas puede ser diferente.

Sin embargo, la fase III es una ruta anfibólica, donde desempeña una doble función, es decir son reversibles.

Reacciones de óxido-reducción en las células.

Las células obtienen energía mediante la oxidación de moléculas orgánicas. Las formas más estables del carbono y del hidrogeno son, CO2 y el H2O.

La célula oxida las moléculas a través de un gran número de reacciones que sólo raras veces implican la adición directa de oxígeno. La oxidación hace referencia a la adición de átomo de oxígeno y eliminación de electrones y la reducción implica la adición de electrones.

Estos términos se utilizan cuando hay un desplazamiento parcial de electrones ente átomos unidos por enlace covalente. Cuando un átomo de carbono forma un enlace covalente con un átomo electronegativo, cede más que su parte correspondiente de electrones y adquieren una carga positiva parcial: se oxida. Y si un átomo de C en un enlace con el hidrógeno gana más que su parte correspondiente de electrones: se reduce.

La deshidrogenación es equivalente a la oxidación; la hidrogenación es equivalente a la reducción.

El trasiego de energía en el metabolismo

Las células obtienen energía útil de la degradación de compuestos orgánicos porque la realizan de una forma compleja y controlada. Las reacciones de síntesis están acopladas a las reacciones de degradación que proporcionan la energía.

Las enzimas acoplan la combustión de los alimentos a reacciones que general ATP y evitan, así, que toda la energía liberada se desprenden como calor. El ATP actúa como dador de energía, impulsando muchas reacciones químicas diferentes necesarias para las células.

Las células utilizan constantemente la energía liberada en las reacciones exergónicas del catabolismo para la producir las reacciones endergónicas del anabolismo.

El transporte de esta energía se puede llevar de ATP o de coenzimas transportadoras de electrones.

ATP (adenosín trifosfato)

Es la molécula transportadora de energía química más abundante de las células vivas. Las enzimas acoplan las reacciones exergónicas a la producción de ATP.

En el ATP, los dos grupos fosfatos terminales están unidos al resto de la molécula por enlaces tipo anhidro denominados enlaces de alta energía, mientras que el enlace entre fosfato y la ribosa en el adenosín monofosfato es un enlace éster.

La hidrólisis del ATP, en la que se libera fosfato inorgánico, sucede van mucha facilidad y la gran cantidad de energía liberada se debe a la elevada estabilidad del fosfato en su forma libre y a la desaparición de la repulsión de cargas desfavorables entre dos fosfatos adyacentes de una molécula de ATP.

El ATP interviene en todas las reacciones de transferencia de fosfato en la célula y, por tanto, en la mayor parte de las transformaciones energéticas.

El sistema ATP-ADP es el transportador de los grupos fosfato desde los compuestos fosforilados de alto nivel energético, producidos durante el catabolismo, hasta los receptores de fosfato de bajo nivel energético, que así resultan energéticamente enriquecidos.

Otros nucleótidos-5´-fosfatos (GTP, UTP, CTP, dATP, etc. Participan también como transportadores de grupo fosfato tico en energía, a los que catalizan hacia rutas biosintéticas específicas por la acción de las enzima nucleósido-difosfoquinasa.

Los transportadores de electrones

En ciertas reacciones exergónicas, la energía es transportada mediante electrones. Los electrones energéticos pueden ser capturados por transportadores de electrones que, a su vez, pueden darlos junto con su energía a otras moléculas.

La energía química de las reacciones exergónicas se pueden utilizar para formar el enlace de alta energía que se establece entre el H y el anillo de nicotinamida del NAD+, originando NADH. Se dice que el ADNH y el NADPH son transportadores de poder reductor.

Los transportadores de electrones más frecuentes son los siguientes:

• El nicotinaminadenín dinucleótido (NAD+)

• El nicotinaminadenín dinucleótido fosfato (NADP+)

• El flavinadenín dinucleótido (FDA)

• El flavín mononucleótido (FMN)

La regulación del metabolismo

El metabolismo está controlado a nivel hormonal y también a nivel enzimático, en diferentes aspectos:

• Por las propiedades intrísicas de las enzimas.

• Por la acción reguladora de algunas de ellas.

• Por la represión o activación génica de su síntesis

Las enzimas: catalizadores biológicos

Las reacciones químicas necesitan un aporte de energía, que se denominas energía de activación, para iniciarse.

Los catalizadores son sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas porque disminuyen su energía de activación. Se combinan con los reacccionantes para producir un estado de transición con menor energía libre que el estado de transición de la reacción no catalizada.

Las propiedades de los catalizadores son:

• Aceleran las reacciones químicas

• No hacen que sucedan reacciones energéticamente desfavorables.

• No cambian el punto de equilibrio de una reacción

• No se consumen en las reacciones

Las enzimas son catalizadores sintetizados por los seres vivos; la mayoría de ellas son proteínas globulares, aunque existen algunos ARN con propiedades catalizadoras: son las ribozimas.

Las enzimas también posen otras propiedades:

• Son muy específicas en cuanto a los sustratos sobre los que actúan y a las reacciones químicas que catalizan

• Su actividad está regulada por factores externo, por sus propiedades inherentes y por moléculas originadas en las reacciones que promueven.

Estructura de las enzimas

Las enzimas son proteínas globulares, tienen una determinada configuración tridimensional espacial donde hay un centro activo, donde se unen los sustratos y uno o, más centro donde se unen otras sustancias que modelan la acción de la enzima.

El centro activo de una enzima contiene los grupos funcionales que se pueden unir al sustrato y efectuar la acción catalítica. Los aa que forman el centro activo, son segmento de la cadena aa. La geometría y carga del centro activo están relacionadas con la conformación del sustrato y con el tipo de reacción, de manera que son responsables de la especidad de la enzima.

En la superficie de la enzima existen unas regiones donde se unen las moléculas que regulan la actividad enzimática.

Algunas enzimas son proteínas simples y otras, proteína conjugadas. Su actividad depende, además de su estructura, de otras estructura no proteica denominada cofactores. El complejo intacto proteína-cofacto se llama holoenzima; cuando el cofactor se separa, la proteína restante, que se inactiva, se llama apoenzima.

El cofactor puede ser un ion metálico o una molécula orgánica; en este último caso se habla de coenzima.

Las coenzimas funcionan como transportadores intermediarios de electrones o de grupos funcionales que son transferidos en la reacción enzimática global. Si la coenzima está unida muy estrechamente a la apoenzima, se habla de grupo prostético.

Las vitaminas hidrosolubles son precursoras de coenzima que intervienen en distintas ruta metabólicas.

VITAMINAS	FUNCIONES	Enfermedades carenciales
C	Interviene en la síntesis del colágeno	Escorbuto
B1		Beriberi
B2	Constituyente de las coenzimas FAD y FMN	Dermatitis y lesiones en las mucosas
B3	Constituyente de la coenzima A
B5	Constituyente de las coenzimas NAD y NADP	Pelagra
B6		Depresión, anemia
B9	Intervienen en el metabolismo de los aa y de los ácidos nucleicos	Anemia, diarrea
B12	Metabolismo de ácidos nucleicos y proteínas	Anemia perniciosa
H	Metabolismo de aa	Fatiga, depresión, náuseas, dermatitis

Actividad enzimática

Las enzimas tienen una alta especificidad por sus sustratos, por lo que puede suceder simultáneamente muchas reacciones distintas en la misma célula.

Las moléculas de sustratos se unen al centro activo de la enzima formando un complejo activado enzima-sustrato, que requiere menor energía de activación que las moléculas de sustrato por sí solas. Por ello, inician la reacción mayor cantidad de moléculas de sustrato por unidad de tiempo. La interacción física ente las moléculas de enzima y de sustrato produce un cambio en la geometría del centro activo, con lo que se origina un ajuste inducido entre ambos mediante la distorsión de la superficie molecular.

Cinética enzimática

La velocidad de una reacción enzimática depende:

• Concentración de las enzimas y de sustrato

• Concentraciones de las coenzimas que intervienen

• Del pH

• Temperatura

• Presencia o ausencia de inhibidores.

La velocidad de reacción (v)varía según la concentración molar del sustrato. Con una concentración enzimática constante, la velocidad es proporcional a la concentración de sustrato [S] cuando ésta es baja. Estas características son consideradas en la ecuación de Michaelis-Menten:

V= Vmax * [S]/[S] + KM

Las enzimas solamente actúan dentro de uno límites estrechos de pH, entorno a 6 y 7. A veces, la misma enzima tiene un pH óptimo diferente para distintos sustratos, si puede actuar sobre más de uno.

El aumento de temperatura provoca un incremento de la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas, pero sólo hasta ciertos valores de temperatura, a partir de los cuales la mayoría de ellas se desnaturalizan.

La inhibición de la actividad enzimática por ciertos componentes celulares es una forma de control de las reacciones enzimáticas. Además, el estudio del efecto de distintos inhbidores en la velocidad enzimática ha aportado muchos datos sobre la estructura y la catálisis enzimática.

La inhibición es un fenómeno biológico que puede ser:

• Reversible. Las regiones funcionales de la enzima no cambian y sus efectos se pueden eliminar. Pueden ser:

• Competitiva. El inhibidor y el sustrato se parecen y compiten por unirse al centro activo de la enzima. Se forma un complejo El reversible. Su efecto se puede invertir aumentando la concentración de sustrato.

• No competitiva. El inhibidor se une a la enzima o al complejo ES de modo reversible, en un sitio distinto del centro activo. Su efecto no puede invertirse por incremento de la concentración de sustratos.

• Irreversible. Las regiones funcionales de la enzima sufren cambios permanentes. El inhibidor se une tan estrechamente a ella que se disocian con mucha lentitud y la actividad enzimática disminuyedo, incluso, se pierde.

Regulación de la actividad enzimática

Las enzimas suelen actuar en sistemas multienzimáticos secuenciales. Generalmente muestran una etapa limitante de la velocidad catalizada por una enzima reguladora o alostética. La actividad de la enzima reguladora se puede controlar mediante cambios en su conformación, producidos por la unión de un modulador o por la unión del sustrato a la primera subunidad, mediante el efecto de cooperatividad.

• Los sistemas multienzimáticos

Se trata de asociaciones entre una serie de enzimas, cada una de las cuales actúan sobre su sustrato, que es el producto de la enzima anterior. Están asociadas a estructuras celulares, especialmente a membrana y ribosomas.

• La modulación alostérica

La unión del modulador se produce en una zona de la enzima distinta del centro activo y origina un cambio de conformación.

En la inhibición por retroalimentación, el producto final de una ruta metabólica inhibe a la enzima que cataliza una reacción anterior en la secuencia, generalmente, la primera. La enzima inhibida es la reguladora.

• La cooperatividad

Las enzimas reguladoras suelen tener subunidades con posibilidad de ejercer interacciones mutuas.

• Cooperatividad positiva, si la unión del sustrato con el centro activo de una subunidad de la enzima produce un cambio en la conformación, que hacen que la siguiente subunidad se una más ràpidamente el sustrato.

• Cooperatividad negativa, cuando la unión del sustrato con la enzima ocasiona un cambio en la conformación, que hace menos probables la unión adicional al sustrato.

• El control genético

Si las enzimas están siempre presentes en cantidades casi constantes se denomina Constitutivas. Las que se sintetizan sólo como respuestas a la presencia de ciertos sustratos se llaman inducidas o adaptativas.

RUTAS CATABÓLICAS Y RUTAS ANABÓLICAS

El catabolismo

El catabolismo de glúcidos y el de grasas son los más rentables desde el punto de vista energético. Mediante las tres fases del catabolismo se libera la energía contenida en las moléculas orgánicas.

Catabolismo de los glúcidos

La molécula más utilizada por las células es la glucosa. Los demás azúcares se pueden convertir en glucosa o en algún intermediario de su vía catabólica.

Glucógeno Glucosa

glucogenolisis

Almidón Glucosa

Hidrólisis del almidón

• La glucólisis

Se denomina glucólisis al proceso por el cual una molécula de glucosa se escinde en dos de piruvato mediante una serie de reacciones, en las que se produce ATP.

La glucosa se activa por fosforilación y, al final, resultan dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato.

En la etapa siguiente se extrae la energía contenida en las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, mediante reacciones de óxido-reducción y fosforilaciones. Al final, se forman dos moléculas de piruvato.

Glucosa + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ ! 2piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+

La glucólisis es un proceso esencialmente irreversible, desplazado hacia la formación de piruvato; sin embargo, la mayor parte de sus reacciones poseen una pequeña variación de energía libre y se emplean también en la biosíntesis de la glucosa y de otros precursores.

La velocidad de la glucólisis esta regulada por la enzima alostérica fosfofructoquinasa mediante retoinhibición por ATP.

En las células aerobias, la glucólisis es una vía previa de la fase III del catabolismo, ya que el piruvato es oxidado a y a H2O mediante la respiración aerobia.

Las células anaerobias, la glucólisis es la principal fuente de ATP. El piruvato permanece en el citosol y es transformado en etanol y CO2, o en lactato. Estas reacciones energéticas anaeróbicas se denomina fermentaciones y son imprescindibles para generar el NAD+ consumido en la glucólisis.

Las fermentaciones producen mucho menos ATP que la respiración aerobia, a causa de que tanto el lactato como el etanol retienen gran parte de la energía libre original de la glucosa.

Fermentación láctica

En muchos microorganismos y en las células de los organismos superiores, el piruvato se transforma en lactato, en una reacción catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa:

Glucosa + 2Pi + 2ADP ! 2lactato + 2ATP + 2 H2O

Algunas bacterias ( Lactobacillus y Streptococcus) convierten la lactosa de la leche en glucosa y, posteriormente, en ácido láctico.

Fermentación alcohólica

En las levaduras, el piruvato se descarboxila y origina acetaldehído que, posteriormente, se reduce a etanol:

Glucosa + 2Pi + 2ADP ! 2etanol + CO2 + 2ATP + 2 H2O

La fermentación alcohólica originada por la levadura Saccharomyces cerevisiae es la base de la fabricación de la cerveza, el vino y el pan. Esta levadura lleva las fermentaciones en ausencia de oxígeno.

Para las células de la levadura, el producto básico es el ATP y el etanol y el CO2 son productos de desechos.

• La respiración aerobia

Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía de la respiración. Esta respiración sucede en las mitocondrias /eucariota) y en el citosol o membrana citoplasmática (procariota)

La respiración se produce en 3 fases:

Formación de acetil-CoA por oxidación del piruvato, de los ácidos grasos y de los aa.

Degradación de los restos acetilo en el ciclo de Krebs, con producción de CO2 y de átomos de H.

Transporte electrónico, equivalente a dichos átomos de H, hasta el oxígeno moléculas, que va acoplado a la fosforilación del ADP a ATP.

Oxidación del piruvato a acetil-CoA

2piruvato + NAD+ + 2CoA-SH !2acetil-CoA + 2NADH + 2H+ + CO2

La reacción está catalizada por un conjunto de enzimas que constituyen el sistema enzimático piruvato deshidrogenasa. Cuando la cantidad de ATP en la célula es alta, se detiene la actuación de este sistema, ya que su función es proporcionar combustible al ciclo de Krebs para obtener energía.

Ciclo de Krebs

2acetil + 4 H2O + 6 NAD+ + 2GDP + 2Pi + 2FAD ! 4 CO2+6 H++ 2 GTP + 2FADH2

NADH! 3ATP GTP ! ATP FAD ! 2ATP

6NADH!18ATP 2GTP ! 2ATP 2 FADH2 ! 4ATP

24 ATP en el ciclo de Krebs

6 ATP de la oxidación del piruvato a acetil-CoA

8 ATP de la glucólisis.

Este ciclo es el centro hacia el que confluyen todos los procesos catabólicos. Puede ser el punto de partida de reacciones de biosíntesis al producir intermediarios.

Fosforilación oxidativa o transporte de electrones.

La utilización del oxígeno moléculas es exclusiva en esta última fase, en la que los electrones captados por NADH y FADH2 son transportados hasta el oxígeno molecular para formar agua.

El transporte de electrones se inicia cuando una molécula de NADH o FADH2 se oxida y cede protones y electrones a las moléculas que forman la cadena de transporte electrónico situado en la membrana mitocondrial interna.

El transporte se realiza através de una serie de reacciones de oxido-reducción, donde los electrones se desplazan desde el constituyente que tienen potencial redox menor hacia el que lo presenta mayor.

Las proteínas transportadoras están agrupada en 3 grandes complejos. Los electrones descienden en cascada desde el NADH hacía los grandes complejos de enzima hasta que son transferidos al oxígeno.

El NADH cede protones y electrones al complejo I, mientras que el FADH2 los cede directamente a Coenzima Q a la que también van a parar los del Complejo I. El Coenzima Q transfiere los electrones al Complejo II (Citocromo b-c1), y através del citocromo c, pasan al complejo III. Finalmente los electrones reducen el O2 y forman H2O.

Entre las moléculas de la cadena respiratoria, hay transportadores de electrones y transportadores de Hidrógenos. Cuando un transportador de hidrógeno es oxidado por el transportador de electrones, los protones quedan libre en la matriz. La disposición ordenada y fija de los transportadores en la membrana permite utilizar la energía liberada en el transporte de electrones para bombear estos protones desde la matriz hasta el espacio de la membrana.

Hay tres puntos en la cadena respiratoria en los que ocurren esta traslocación de protones que, debidos a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna se acumulan en el espacio intermembrana. Así se origina un gradiente electroquímico de electrones.

Debido a la impermeabilidad de la membrana interna, el retorno de protones a la matriz solo puede hacerse através del ATP-sintetasa. Esta proteína utiliza la energía acumulada en radiantes de protones para fosforilación de ADP para formarlo en ATP. La hipótesis que explica el acoplamiento de estos dos procesos, una químico, de oxidación-reducción en la cadena respiratoria, y uno osmótico, de transporte de electrones se conoce con el nombre de hipótesis quimiosmática y sus resultados es la fosforilación oxidativa.

Cada NADH que llega a la cadena respiratoria, que en su transporte libera energía suficiente para bombear 6 H+. Si los electrones proceden del FADH2, sólo se bombean 4 H+.

Por cada 2 H+ que vuelven a la matriz através del ATP-sintetasa. Se fosforiza un ADP. Por tanto en la cadena respiratoria se pueden obtener 3ATP por cada NADH y 2 ATP por cada FADH2.

Catabolismo de los lípidos

El celebro, sólo puede utilizar glucosa como fuente de energía.

La glicerina se transforma en gliceraldehído-3-fosfato y se incorpora al catabolismo general de glúcidos. Los ácidos grasos sufren un proceso oxidativo denominado -oxidación.

En el citosol, los ácidos grasos se activan combinándose con la CoA, en una reacción que requiere la energía del ATP.

Loa acil-CoA formados atraviesan las membranas mitocondriales y sufren un conjunto de cuatro reacciones, denominado -oxidación.

Una primera deshidrogenación en la que el FAD acepta hidrógeno.

Una hidratación.

Una segunda deshidrogenación en la que el NAD+ acepta hidrógeno.

Una ruptura por interacción con una CoA libre.

Se separa una acetil-CoA y queda un acil-CoA con dos carbonos menos que el inicial. Este acil-CoA puede sufrir muevas -oxidación hasta quedar convertido en Acetil- CoA (libro).

Catabolismo de las proteínas

Pueden usarse los aa como fuente de energía. Para ello, las proteínas y los péptidos extracelulares deben hidrolizarse a aa para entrar en la célula.

La hidrólisis la realizan las enzimas proteolíticas.

Los grupos aminos de la mayoría de los aa se eliminan por transaminación a distintos -cetoácido, mientras que los esqueletos carbonados de los aa se transforman en compuestos que pueden incorporarse al ciclo de Krebs para se oxidados.

El nitrógeno puede eliminarse:

• Como urea. Que se originan en el hígado, mediante el ciclo de la urea.

• En forma de NH3, se forma en el riñón por hidrólisis de la glutamina.

• Como ácido úrico, que es un derivado de la purina.

Catabolismo de los ácidos nucleicos.

Los mononucleótidos que resultan de la degradación de los ácidos nucleicos por la acción de nucleasas se hidrolizan originando ácidos fosfórico y bases nitrogenadas, que pueden recuperarse y volver a ser utilizadas en la síntesis de ácidos nucleicos o ser degradada.

Las bases púricas se degradan según la siguiente secuencia: purina! ácido! úrico ! alantoína ! ácido alantoico ! urea ! amoniaco.

Las bases pirimidínicas son degradadas a urea y amoniaco.

Anabolismo

La síntesis de biomoléculas se realizan mediante las reacciones del anabolismo. Las células autótrofas son capaces de sintetizar sus biomoléculas partiendo de sustancia inorgánicas, mientras que las células heterótrofas deben utilizar los precursores orgánicos fabricados por las autótrofas.

Anabolismo de los glúcidos

En el anabolismo de los glúcidos de las células heterótrofas destacan la síntesis de glucosa (gluconeogénesis), a partir de precursores orgánicos sencillos, y la formación de los polisacáridos de reserva (glucógeno y almidón)

La gluconeogénesis incluyen la transformación del piruvato en glucosa-6-fosfato, que sucede por intervención de las mayoría de las reacciones glucolítica.

Esta ruta está regulada por las reacciones catalizadas por la piruvato carboxilasa y por la difosfofructosa-fosfatasa

La síntesis de glucógeno se produce en las células del hígado y del músculo para almacenar glucosa. Las glucogenogénesis se produce a partir de glucosa-6-fosfato mediante una serie de reacciones en las que está implicada la glucógeno-sintetasa que utiliza UDP-glucosa.

La glucógeno-sintetasa cataliza la formación de enlaces O-glucosídicos (1!4). La formación de los enlaces 1!6 de las ramificaciones es catalizada por una enzima ramificadora.

En los tejidos vegetales es, la síntesis de almidón está catalizada por la amilosa sintetasa que utiliza ADP-glucosa.

Anabolismo de los lípidos

Los ácidos grasos se sintetizan a partir de la acetil-CoA mediante la actuación del complejo multienzimático ácido graso sintetasa,

Los excedentes de ácidos grasos se acumulan como grasas en el tejido adiposo. Los triglicéridos se sintetizan por esterificación de una glicerina, en la forma activada de glicerol-fosfato.

Anabolismo de aa y nucleótidos.

Los aa se sintetizan en el citosol, a partir de distintos metabolitos intermediarios de la glucólisis y del ciclo de Krebs. La síntesis de los aa requiere, además, una fuerte de nitrógeno que les proporcione el grupo amino.

La biosíntesis de mononucleótidos tiene gran importancia, dado que son los precursores del ADN y del ARN, así como de las coenzimas nucleotídica. Las rutas metabólicas de formación de sus bases, púricas y pirimidínicas, parten de precursores sencillos.

En la síntesis de los ribonucleótidos pirimidínicos, primero se sintetiza el anillo pirimidínico y después se acopla la ribosa-5-fosfato. En la síntesis de los nucleótidos purínicos, el núcleo de purina se forma al cerrarse la cadena abierta de un precursor fosfato de ribonucleósido.

Las purinas y pirimidínas libres procedentes de procesos degradativos pueden volver a utilizarse en la síntesis de ácidos nucleicos.

Las coenzimas FAD, NAD, NADP, CoA son sintetizadas a partir del ATP y de sus precursores vitamínicos.

ANABOLISMO AUTÓTROFO

Los autótrofos pueden utilizar CO2 para construir los esqueletos carbonados de sus biomóleculas. Se clasifican en:

• Fotolitótrofos; vegetales superiores, algas, bacterias

• Quimiolitótrofos (utilizan la materia inorgánica para fabricar sus alimentos); bacterias incoloras del Azufre.

Los Heterótrofos, no pueden transformar las moléculas inorgánicas. Se clasifican:

• Fotoorganótrofos; bacterias purpúricas

• Quimioorganótrofos; animales, protozoos.

El anabolismo autótrofo es un proceso reductor que, mediante la luz o la energía desprendida en algunas oxidaciones exotérmicas del medio ambiente, transforma sustancias inorgánicas en compuestos orgánicos más ricos en energía.

La fotosíntesis.

Fase oscura o sintética

Las células vegetales constienen las enzimas necesarias para reducir y asimilar los sustratos inorgánicos oxidativos y transformarlos en las biomoléculas características de la materia viva.

La fase oscura consiste en la transformación de los compuestos del catbono, nitrógeno y azufre en otros reducidos que se puedan incorporar a las rutas anabólicas de compuestos orgánicos.

• Fijación del carbono

La fijación fotosintética del CO2 sucede en el estroma de los cloroplastos y se producen mediante el ciclo reductivo de las pentosas-fosfato.

Ciclo de Calvin-Benson

Este ciclo es el conjunto de reacciones que conduce a la incorporación de CO2 por los cloroplastos, hasta formar compuestos orgánicos.

Las plantas en las que sucede se denomina C3.

En este ciclo se distingue tres etapas:

• De carboxilación de la ribulosa 1,5 bifosfato para originar dos moléculas de 3 fosfoglicerato. Esta reacción está catalizada por la enzima RuBisCo.

• De reducción del 3 fosfoglicerato agliceraldehído 3 fosfato a través de dos reacciones que consumen ATP y NADPH.

• De regeneración de la ribulosa 1-5 bifosfato en una serie de reacciones en las que intervienen azúcares-fosfato.

Son necesaria seis vueltas del ciclo de Calvin para producir un mol de glucosa:

6 CO2 +18ATP+12NADPH+12 H+ ! glucosa+18ADP+18 Pi +12 NADP+

La RuBisCo es la primera enzima que intervienes en el ciclo de Calvin; está considerada como la proteína más abundante de la Tierra. La eficacia fotosintética depende en gran medida de su actividad. Es una enzima bifuncional que puede catalizar la combinación de la ribulosa bifosfato, tanto con el CO2 como el oxígeno en función de las concentraciones relativas de ambos gases.

La fotorrespiración es un ciclo metabólico que se produce al mismo tiempo que la fotosíntesis, por tanto, en presencia de luz. Implica un consumo de oxígeno y un desprendimiento de CO2.

La fotorrespiración sucede en tres compartimentos celulares: cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias.

Esta vía se opone a de las pentosas-fosfato y provoca una pérdida de poder energético y de equivalentes de reducción en las células fotosintética.

Ciclo de Hatch-Slack

En las plantas C4 la función oxigenasa de la RuBisCO es insignificante debido a que presentan vías metabólicas distintas apoyadas en estructuras anatómicas especiales.

En estas plantas, las células que contienen cloroplastos están dispuestas en dos capas alrededor del haz vascular. La ruta auxiliar de Hatch-Slack actúan como una bomba impulsora de CO2 desde la atmósfera hasta las células de la vina muscular, donde se produce el ciclo de Benson-Calvin.

Este ciclo tienes tres etapas: Carboxilación, descarboxilación y regeneración.

La fijación de una molécula de CO2 por la ruta C4gasta dos moléculas de ATP más en la relación a la ruta C3, pero este gasto resulta sobradamente compensado por el ahorro que supone mantener la fotorrespiración en niveles muy bajos. Las plantas C4 pueden sobrevivir en concentraciones de CO2 muy bajas. Las plantas crasuláceas emplean el mismo proceso que las plantas C4 para fijar CO2, pero lo hacen durante la noche.

Ecuación global de la fotosíntesis

6 CO2 +12H2O ! C6H12O6 +6O2 + 6H2O

• Fijación fotosintética del nitrógeno y del azufre

Como consecuencia de la fotosíntesis, además de la glucosa, se fabrica otros compuestos.

En el agua y en el suelo, el nitrógeno y el azufre se encuentran en forma de compuestos oxidados que son absorbidos por las plantas y reducidos para ser incorporados a la materia orgánica.

• La reducción de nitrógenos

NO3 NO2 NH3

La transformación de nitratos en nitritos está catalizada por la enzima nitratorreductasa y la de nitritos en amoniaco, por la nitritorreductasa. El amoniaco se incorpora con el ácido -cetoglutarato para formar ácido glutámico:

NH3+ácido -cetoglutarato + NADP + H+ !ácido glutámico + NADP+ + H2O

NH3 + ácido glutámico!Glutamina

• La reducción fotosintética del azufre, es un proceso lineal en el que el sulfato se reduce a sulfito y éste, a sulfuro de hidrógeno. Requiere poder reductor y ATP.

SO4 SO3 H2S

Factores que influye en la fotosíntesis

El rendimiento de la fotosíntesis depende de los siguientes factores:

Concentración CO2, el proceso fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de CO2 en el aire, hasta llegar a un cierto límite, en el cual se estabiliza.

Concentración de oxígeno, cuanto mayor es la concentración de oxígeno del aire, menor es el rendimiento fotosintético debido a la fotorrespiración.

Escasez de agua en el suelo y de vapor de agua en el aire, disminuye el rendimiento fotosintético. Ante la falta de agua, se cierra los estromas para evitar la desecación y la entrada de CO2 es menor.

La temperatura, cada especie tiene un intervalo de temperatura y dentro de este intervalo, a mayor temperatura mayor eficacia enzimática y mayor rendimiento fotosíntetico. Si se sobre pasa los límites de Temperatura se produce alteraciones enzimáticas, el rendimiento disminuye, y puede producirse la muerte de la planta.

Tiempo de iluminación, hay especie en las que más horas de luz, mayor rendimiento fotosintético. Otras necesitan periodos nocturnos

Intensidad luminosa, cada especie está adaptada a vivir dentro de un intervalo de intensidad de luz. Hay especies de penumbra y otras fotofilas (mucha luz). A mayor iluminación mayor rendimiento hasta superar ciertos límites.

Color de la luz, la clorofila a y b absorben energía lumínica en la región azul y roja del espectro, los carotenos y santofilas en la luz, las ficocianinas en la naranja y los ficoentrinas en la verde. Todos estos pigmentos portan la energía a las moléculas diana y la luz monocromática menor utilizada es la verde.

La quimiosíntesis

Es un proceso donde los seres vivos que la utilizan obtienen energía a partir de diferentes reacciones a partir de oxidaciones de energía.

Quimiosíntesis del carbono

Son las quimiolitótrofas, obtienen la energía de la oxidación de compuestos inorgánica.

• Las bacterias nitrificantes producen ATP para fijas CO2, gracias a la energía desprendida en la oxidación de compuestos del nitrógeno.

Nitrosomonas 2 NH + 3O2! 2 NO2 + 4H++ 2 H2O + Energía

Nitrobacter 2 NO2 + O2! 2 No3 + energía

• Las ferrobacterias se sirven de la energía desprendida en la oxidación de carbonato y sulfatos de hierro.

4CO3Fe + H2O + O2! 4Fe(OH)2 + 4 CO2 + energía

• Las sulfobacterias incoloras

H2S + 2 O2 ! SO4H2 + energía

Los mecanismos de fijación de CO2, además de ATP, requieren protones y electrones que provoquen su reducción para transformarlo en sustancias orgánicas. Los quimiosintetizadores utilizan NADH y la fuente de protones electrones es el mismo compuesto que se oxida y libera la energía.

Quimiosíntesis del nitrógeno

Las bacterias quimiosintetizadoras del nitrógeno son quimiorganótrofas, porque obtienen la energía de la oxidación de compuestos orgánicos existentes. Son los únicos organismos capaces de incorporar el nitrógeno del aire para transformarlo en materia orgánica.

Clostridium y Azotobacter, que viven en el suelo aprovechan la energía desprendida en la oxidación de glúcidos procedentes de restos de la materia orgánica del suelo. Las del género Rhizobium lo realizan cuna están en simbiosis con las raíces de leguminosas. Estas raíces tienen azúcares.

Todas estas bacterias contienen una enzima nitrogenasa que reduce el nitrógeno a amoniaco integrado en los aa.

Los electrones y los protones necesarios para la reducción del nitrógeno proceden de los mismo compuestos orgánicos que se oxidan y liberan la energía precisa para producir ATP.

LOS MICROORGANISMOS

En la segunda mitad del siglo XVII, Francesco Redi cuestionó seriamente la teoría de la generación espontanea, realizando una serie de experimentos sobre una hipótesis de partida. También en esta época fue decisiva la construcción del primer microscopio por parte del holandés Anton van Leeuwenhoek, La nueva técnica permitió observar por vez primera la existencia de minúsculos y muy diversos “animalículos” vivos, presentes en el agua de lluvia conservada varios días al aire libre, en varias infusiones y en excrementos.

Fue Louis (1822-1895) quien consiguió, através de un experimento con el que demostró:

Que en el aire hay gran cantidad de microorganismos.

Que dichos microorganismos son los responsables de la descomposición de la materia orgánica.

Llegó a la primera conclusión aspirando aire a través de un algodón introducido en un tuvo de vidrio. Tras disolverlo con éter, obtenía un sedimento cuya observación al microscopio demostraba la presencia de miles de microorganismos.

Por lo que respecta a la segunda conclusión, que acaba definitivamente con la teoría de la generación espontánea, se basó en otra experiencia.

Diversidad y clasificación de los microorganismos

Microorganismo son aquellos seres vivos que sólo se pueden observar con ayuda del microscopio óptico o electrónico. Se localiza en todas partes adecuados para su desarrollo y reproducción.

Whittaker propuso una distribución de los seres vivos en cinco reinos. Dentro de esta clasificación, los microorganismos se hallarían en tres de los cinco reinos: moneras (bacteria y las cianobacterias), Protistas (algas unicelulares y a los protozoos), y los hongos (levaduras y los mohos).

Moneras

Se encuentran todas las bacterias y algas cianofíceas, conocidas como cianobacterias.

Las bacterias son los microorganismos más extendidos en la naturaleza. Se pueden encontrar prácticamente en todos los medios, se agrupan para formar colonias encontrarlas individualizadas.

Según su forma se clasifican en cocos, redondeados; bacilos, cilíndricos y espirilos enrollados en espiraral; si esta espiral es muy marcada se denominan espiroquetas, y su es corta e incompleta se habla de vibrios.

Presentan una gran variedad de formas de vida; así, las hay autótrofas fotosintética y autótrofas quimiosintéticas.

Las quimiosintéticas son especialmente importantes en los ciclos biogeoquímicos, ya que no sólo se comportan como organismos productores en los ecosistemas, sino que también participan en el reciclado de la materia al ser mineralizadoras. Entre las bacterias heterótrofas; Saprófilas, las descomponen la materia orgánica.

Otras sin simbióticas, y viven íntimamente asociadas a otros organismos, proporcionándose beneficios mutuos. Finalmente, existen otras bacteria parásitas o patógenas que ocasionan enfermedades en los hospedadores.

Las cianobacterias son microorganismos acuáticos que están provistas de pigmentos, lo que les confiere, por un lado, una coloración verdeazulada y, por otro, les permite captar luz solar para realizar la fotosíntesis.

Se cree que son las principales responsables del enriquecimiento en oxígeno de la primitiva atmósfera terrestre. En los ecosistemas contribuyen a la fijación de nitrógeno atmosférico en el medio acuático; en el medio terrestre, constituyen algunos tipos de líquenes en asociación con hongos.

Protista

Se tratan de reino que incluye organismo de unicelulares y pluricelulares indiferenciados con estructuras celular eucariota. Los microorganismos clasificados en este grupo se distinguen entre sí por el tipo de nutrición.

Algas unicelulares

Son autótrofas fotosintéticas. Habitan en medios acuáticos o en lugares húmedos. Pueden vivir libres o asociadas en colonias más o menos complejas; presentan una serie de pigmentos que facilitan la captación de luz para la fotosíntesis y les dan coloraciones específicas. Se clasifican precisamente en función de sus pigmentos y de las sustancias de reserva que acumulan.

• Las euglenofíceas son algas verdes muy frecuentes en aguas eutrofizadas. Cuando las condiciones ambientales son desfavorables, pierden ese flagelo y se enquistan, resistiendo así los períodos de sequía.

• Las pirrofíceas se caracterizan por la coloración pardoamarillenta de sus células. Aunque hay especies de agua dulces, la mayoría son marinas y forman parte del fitoplancton.

• Crisofíceas son pardas o pardo-amarillentas, entre las que destacan, por su abundancia, las diatomeas, caracterizadas por poseer un caparazón silíceo. Al morir, sus caparazones se acumulan en los fondos marinos y originan rocas silíceas características.

• Las clorofíceas o algas verdes, se encuentran formando parte fundamentalmente del fitoplancton de aguas dulces. Existen formar muy variadas libres o coloniales, fijas o móviles.

• Las xantofíceas o algas verdes-amarillentas. Los individuos unicelulares pueden estar aislados o formar colonias, y pueden tener movilidad o ser inmóviles, son abundantes.

Protozoos

Hay protozoos de vida libre que habitan en el agua, en el suelo o en la materia orgánica en descomposición, llegando a soportar condiciones extremas; otros son parásitos, causantes de enfermedades como la disentería o el paludismo, o inquilinos, que resultan inofensivos.

Uno de los criterios comúnmente usados para clasificarlos es el tipo de locomoción. Las amebas emiten pseudópodos, utilizados no sólo para su desplazamiento, sino también para la captura del alimento. Suelen vivir en aguas de charcas y se enquistan cuando las condiciones ambientales les son desfavorables. Algunas especies habitan en el intestino humano sin causar daño, mientras que otras producen enfermedades como la disentería. Los ciliados se desplazan mediante movimientos sincronizados de los cilios que recubren parcial o totalmente su superficie. En las formas fijas, la corriente inducida por el movimiento ciliar atrae a pequeños organismos de los que se alimentan. Generalmente son acuáticos de vida libre, aunque hay contadas especies parásitas (Paramecio, Vorticela)

Los flagelados están dotados de uno o dos flagelos, en este grupo son muy frecuentes las especies patógenas (malaria), aunque también las hay simbióticas en el intestino de las termitas. (Trypanosoma, Trichomonas.

Los esporozoos deben a su nombre al hecho de ser protozoos formadores de esporas; son de pequeño tamaño y parásitos obligados; algunas de sus especies son responsables de enfermedades como el paludismos

Un grupo especialmente curioso de protozoos ameboides es el de los farominíferos. Presentan un caparazón perforado por multitud de orificios que permiten la salida de finos pseudópodos utilizados en la captura del alimento.

Hongos

Los hongos se clasificaron en un reino aparte debido a sus peculiares características, en parte, propias de animales y, en parte, de vegetales.

Los hongos son organismos heterótrofos saprófitos, es decir, descomponedores de materia orgánica, y desempeña un papel relevante en los ecosistemas terrestres como recicladores.

Los hongos uno son beneficiosos en las industrias y otros son los culpables de las pérdidas económicas en las industrias. Otros son parásitos de animales y plantas, o establecen relaciones simbióticas. En todos los caso, carecen de clorofila y se reproducen por esporas.

Los mohos son hongos cuyo cuerpo vegetativo está constituidos por filamentos celulares denominados hifas. Entre ellos, destaca por su popularidad el moho del pan, y el género Penicillium, conocido por ser productor del antibiótico.

Las levaduras se diferencia de los mohos en que son unicelulares y se reproducen por gemación. Se encuentran ampliamente difundidas en la naturaleza. Son muy utilizadas en procesos de fermentativos y como modelo para el estudio de procesos metabólicos.

Virus

Los virus constituyen un grupo aparte dentro de los microorganismos, ya que carecen de metabolismo y son, por ellos, parásitos intracelulares obligados, causantes de multitud de enfermedades en animales y plantas.

Según el tipo de células en que se reproduzcan, los virus se dividen en bacteriófagos, vegetales y animales. Entre los virus vegetales destacan el del mosaico del tabaco, que también afectan a otras especies. Los virus animales causan multitud de enfermedades.

Métodos y técnicas microbiológicas

La mayoría de las operaciones del trabajo que se realiza en Microbiología se centran en dos objetivos:

• El aislamiento o separación de un microorganismo concreto, a partir de poblaciones mixtas presentes en la naturaleza.

• El cultivo, que es el crecimiento de poblaciones microbianas en ambientes artificiales bajo condiciones de laboratorio determinadas previamente.

Medios de cultivos

El crecimiento de los microorganismos depende básicamente de la disponibilidad de agua. Así los hongos se desarrolla con un contenido de del 12%, mientras las bacteria necesitan más del 20%. Para sintetizar los materiales celulares requieren, además, la presencia de bio y oligoelementos. Los microorganismos muy exigentes y algunos mutantes defectuosos necesitan que se aporte al medio determinados compuestos que son incapaces de sintetizar, y son los denominados por algunos autores factores de crecimiento.

Cuando la solución nutritiva se puede preparar con compuestos químicos definidos se dice que se trata de un medio de cultivo sintético. El crecimiento es óptimo en presencia de compuestos que se encuentran en medios naturales, denominados, por ello, medios de cultivo complejos.

Para obtener medios de cultivo sólidos se añade a las soluciones líquidas unas sustancias espesante que puede ser gelatina.

Algunos microorganismos se han podido estudiar a partir de la puesta a punto de los llamados cultivos de enriquecimientos, muy útiles para el aislamiento. En ellos se fijan determinados condiciones ambientales y entonces se inocula al medio una población mixta, como la que se desarrolla en el suelo.

Cultivo de microorganismos

Los recipientes y materiales que se vayan a utilizar deben ser limpiados cuidadosamente y esterilizados. Después de introducir el organismo deseado, serán protegidos de contaminaciones externas. Tubos de ensayo y matraces se tapan con algodón o con tapones de goma, mientras que, la placa de Petri presentan ya una forma que la preserva de contaminación procedente de la atmósfera.

El inóculo o material microbiano se introduce con un hilo de metal o asa de siembra, que se esteriliza a la llama antes y después de su uso.

La siembra en medio sólido se puede llevar a cabo en profundidad, introduciendo el asa en el medio de cultivo presente en un tubo, o en superficie, basándose en estrías paralelas sobre la placa de agar previamente solidificada.

Condiciones de crecimiento

• El pH. Es preciso establecer un pH óptimo para que se inicie el crecimiento y mantenerlo durante el proceso. La mayoría de los microorganismos tienen su óptimo de crecimiento a pH próximo a 7.

• La temperatura. La mayoría de las bacterias del suelo y del agua son mesófilas, es decir, sus temperaturas óptimas oscilan entre 20º y 45º

• La presión osmótica. Muchas bacterias son bastante tolerante, y soportan soluciones con un contenido en sales del 0,1 al 10%, gracias a la estructura de la pared celular que protege a las células de la plasmólisis en soluciones nutritivas hipotónica.

• El oxígeno. Todas las bacterias aeróbicas obligadas necesitan oxígeno. Cuando se cultivan en placas y en películas líquidas delgadas expuestas al aire, disponen de oxígeno suficiente.

La exclusión del oxígeno atmosférico constituye una condición fundamental para el crecimiento de los microorganismos anaerobios estrictos, de forma que se reduzcan o eliminen sus efectos tóxicos. En ocasiones, hay que añadir al medio otros gases.

• El dióxido de carbono. Este gas es la principal fuente de carbono para los microorganismos fotótrofos y quimiautótrofos, pero, además, cumple numerosas funciones catalíticas en los organismos heterótrofos. Se suele introducir en el medio a través de un sistema de aireación.

• La luz. Para el cultivo de microorganismos fotosintéticos, la luz es esencial. Se debe tener en cuenta, no sólo su cantidad, sino también, a veces, la cualidad de la misma, favoreciéndose el crecimiento al tiempo que se controla otra variable relacionada: la temperatura.

Tipo de cultivo

Si se inocula una solución nutritiva con bacterias, éstas crecen hasta que un factor alcanza la concentración mínima y limita el crecimiento. Si no se añade ni elimina ningún producto, se trata de un cultivo estático. Éste se ha de considerar como un “sistema cerrado” que atraviesa en su desarrollo distintas fases:

Fase de latencia. Comprenden el intervalo entre ña inoculación y el momento en que se alcanza la división máxima.

Fase exponencial de crecimiento. Se caracteriza por la constancia en la tasa de división, medida específica de cada tipo de microorganismo que depende del medio. Durante esta fase, disminuye la concentración de sustrato, aumenta la densidad celular y se acumulan productos del metabolismo.

Fase estacionaria. Las células no continúan creciendo, ya que no tienen suficiente sustrato. El paso de la fase exponencial a la estacionaria se produce poco a poco, lo que se debe, además, a la disminución de la presión parcial de oxígeno, la alta densidad microbiana y la acumulación de productos del metabolismo que pueden llegar a ser tóxicos

Fase de muerte. No se conoce con exactitud el mecanismo que conduce a la muerte celular, salvo en casos como lo de las bacteria que producen ácidos.

Las células en una misma concentración de sustratos y en iguales condiciones ambientales durante un tiempo prolongado. En estos casos se utilizan los cultivos continuos, en los que se añade medio de cultivo a la población microbiana en crecimiento, al tiempo que se va sacando una cantidad igual de suspensión bacteriana. Se puede realizar en quimiostatos y en turbidostatos.

SE trata de “sistema en equilibrio dinámico”, en los que el factor tiempo queda, en cierto modo, desconectado y se mantiene la población en su límite de carga.

Aislamiento de microorganismos

Si se desea aislar una cepa concreta de bacterias de un cultivo mixto, cabe recurrir al método directo sobre placa, consiste en que, sobre un medio selectivo solidificado, los tipos metabólicos favorecido forman colonias, las cuales, si están suficientemente separadas, se pueden aislar, volviéndose a sembrar en placa o en tubo, según sea aeróbica o anaeróbica.

Proceso de esterilización

Se denomina esterilización al hecho de liberar un material de microorganismos vivos o en estado latente.

La esterilización se lleva por varios métodos.

Calor húmedo. Las células de bacterias y de hongos se destruyen alrededor de los 60ºC y las esporas de hongos sólo por encima de 120ºC. Para alcanzar temperaturas superiores a los 100ºC se utilizan el autoclave, que es una especie de olla a presión. En ocasiones se recurre a la esterilización parcial, que únicamente destruye las formas vegetativas y que se efectúa por pasteurización, calentando a 75ºC.

Calor seco. Con calor seco hay que alcanzar temperaturas más elevadas y tiempos de acción más prolongados que en el caso del calor húmedo. La destrucción por calor se debe a la coagulación de las proteínas celulares.

Filtración. Las soluciones con sustancias sensibles al calor se filtran con materiales diversos.

Irradiación. Se utilizan las radiaciones ultravioleta, los rayos roentgen y los rayos gamma. Son fácilmente absorbidas por los ácidos nucleicos, cuyas moléculas se rompen. Es útil para esterilizar parcialmente habitaciones.

Métodos químicos. Para alimentos, fármacos y aparatos, que destruye células y esporas, aunque sólo actúa en presencia de agua.

LOS MICROORGANISMOS Y LA SALUD.

La infección por microorganismos

Robert Koch fue el primero en comprobar que una bacteria era la causante de una enfermedad infecciosa. Estableció cuatro postulados que constituyen la base de las investigaciones médicas para establecer el tratamiento de las infecciones:

El organismo específico ha de encontrarse siempre asociado a la enfermedad

El organismo tiene que ser aislado y obtenido en cultivo puro en el laboratorio.

Este cultivo puro inoculado en un animal susceptible de ser infectado produce la enfermedad.

Se debe recuperar el organismo del animal infectado experimentalmente en cultivo puro.

Concepto de infección. Patogenicidad y virulencia.

Infección, es la penetración de un microorganismo patógeno, en un organismo que provoca alteraciones y que conocemos con el nombre de enfermedad infecciosa.

Un microorganismo patógeno es el que, una vez que está en contacto con el hospedador, le produce cambios fisiológicos o anatómicos que constituyen la enfermedad. El grado de patogenéidad se denomina virulencia y se mide generalmente por número de microorganismo necesarios para desarrollar la enfermedad.

La propiedad anterior no sólo depende de las características del microorganismo, sino también de los mecanismos de resistencia del hospedador, así, microbios que no se consideran patógenos, en determinadas condiciones pueden provocar infecciones. Tales microorganismos son denominados oportunistas.

Dado que microbios que son virulentos para las personas puede que no lo sean para los animales, y a la inversa.

La salud depende del equilibrio entre todos los procesos vitales tantos físicos como químicos. Cuando un mecanismo orgánico, no funciona adecuadamente, el equilibrio se pierde, se produce una enfermedad que se manifestará por síntomas propios y síntomas comunes a otras enfermedades.

La enfermedad depende del grado de virulencia de microorganismo y de la receptividad del organismo parasitado. Y la virulencia depende de:

• Capacidad de invasión del microorganismo

• Cantidad de sustancia vitales que se extraen de las células

• Cantidad de sustancias venenosa, llamado toxina.

Vías de infección

El primer paso en una infección es la colonización por parte de los microorganismos de tegumentos y mucosas corporales. Los que superan esto, son los que producen la enfermedad más contagiosas, los mecanismos de penetración son:

• Heridas en los tegumentos

• Roturas microscópicas en las mucosas

• Transporte a través de mucosas intactas por la acción de fagocitos

• Adherencia y paso a través de células epitetales

Una vez dentro, los microbios tienen que reproducirse. En esta primera fase tienen que superar los mecanismos defensivos del hospedador. Si consiguen superarlo, se desarrolla la enfermedad. El tiempo que transcurre desde que penetran hasta la manifestación de los síntomas de enfermedad se denomina período de incubación.

En el caso de las personas, el individuo en el que se ha desarrollado el proceso infeccioso constituye un reservorio de infección, a partir del cual se pueden diseminar ese microbio patógeno. Otros reservorios importantes son los animales domésticos, el agua y el suelo.

• Población humana: cólera, lepra, paperas...

• Animales: rabia, toxoplasmosis, peste bubónica...

• Agua y suelo: tétanos, enfermedad del legionario...

Las principales etapas por los que pasa una infección son:

Penetración del agente infeccioso en el organismo a través de las vías de contagio.

Difusión de los gérmenes o microorganismo desde el lugar de penetración al resto del organismo a través de la sangre, linfa...

Reacción de defensa del organismo invadido a través del síntoma inmunitario.

Destrucción y eliminación del organismo patógeno.

Factores de patogenicidad. Toxina.

Según la infección va progresando, se empiezan a manifestar los síntomas de la enfermedad. Esto nos indica que el hospedador ya ha sufrido una lesión por diversas causas:

• La proliferación de los microorganismos y/o la liberación de toxinas va originar una serie de efectos primarios.

El crecimiento del nº de células microbianas puede conllevar dos clases de peligros:

• Se puede crear una competencia entre el microbio y las células del hospedador por un determinado nutriente

• Se puede producir el bloqueo de vasos sanguíneos o un daño directo sobre las células del hospedador.

Las toxinas son sustancias venenosas de bajo peso molecular, que pueden ser excretadas al medio (exotoxina) o retenidas dentro de la célula (endotoxinas).

Las exotosina la fuente bacteriana es a la Gram+, que están compuestas de proteínas y tienen una toxicidad muy alta.

Las endotoxinas, su fuente bacteriana es la gram- y la composición química es lipopolisacáridos y su toxidad son bajas.

• La producción de otras sustancia dañina desencadena efectos secundarios en el hospedador.

La virulencia de algunos microorganismos se debe a otras sustancias metabólicas, como las enzimas.

Enfermedades producidas por microorganismos

Existen numerosas fuentes de contagio entre los individuos. La transmisión de unos a otros dependen de la manera que tenga los microbios de salir del hospedador y de entrar en el receptor.

Enfermedades de la especie humana

Se han agrupado según un modo de transmisión, aunque la gravedad, los síntomas y el tratamiento de cada una de ellas sean diferentes.

• Transmitidas por el medio aéreo

La transmisión de microorganismo a través del aire puede realizarse mediante dos tipos de partículas infecciosas: el polvo y los núcleos de gotas. Esta última producen enfermedades que son muy comunes en determinados épocas del año. Se transmiten por secreciones de nariz y garganta, diseminadas por toses, estornudos y conversaciones.

Los microorganismos de las partículas de polvo tienen dos posibles orígenes: Depósitos de bacterias demasiado grandes para permanecer suspendidas en el aire y la contaminación de objetos por secreciones infecciosas, que se convierten en polvo infeccioso después de secarse.

• Transmitidas por contacto.

En este grupo se incluyen no sólo las enfermedades transmitidas por contacto externo, sino también las de transmisión sexual y las que se contagian por cortes abrasiones, que implican relación con la sangre. (Tétanos, sífilis, lepra, SIDA, hepatitis...)

• Transmitidas por la ingestión de alimentos y agua contaminados.

Se trata de microorganismo que penetran y salen del hospedador por vías bucointestinal. Se denomina infecciones intestinales y pueden tener transmisión directa o indirecta.

Las enfermedades gastrointestinales se producen por uno de estos mecanismos:

• Tras la invasión de los microorganismos en el tubo digestivo donde van a producir exotoxinas.

• Cuando los hospedadores ingieren alimentos que contienen exotoxinas.

Tifus, la salmonelosis, la gastroenteritis, el cólera, la toxoplasmosis.

• Transmitidas por artrópodos

Los encargados de transmitir los microbios patógenos de unas personas a otras son insectos u otros artrópodos, que succionan la sangre contaminada de un individuo enfermo y la inoculan en un hospedador sano. La malaria, la peste, la enfermedad del sueño.

• Zoonosis

Muchas infecciones animales son causa de graves pérdidas económicas para el hombre y algunas de ellas, denominadas zoonosis, son transmisibles a las personas.

Son enfermedades ocupacionales y aparecen en individuos que están en contactos con animales o con sus despojos.

Libro tabla 19.3. Principales enfermedades infecciosas en la especie humana.

• Enfermedades infecciosas de las plantas que repercuten en la salud humana.

Estas enfermedades son muy importantes por las pérdidas económicas que suponen y por los problemas relacionados con la desnutrición y el hambre que ocasionan

Las plantas no desarrollan inmunidad frente a las infecciones. Los mecanismo con que se combaten las infecciones son prácticas de cultivo adecuada.

Los síntomas generales son: necrosis totales, marchitamientos, enanismo...

Biotecnologías aplicadas a la mejora de la salud humana.

Vacunas

La elaboración de la vacuna puede seguir distintos procedimientos.

En el caso de las vacunas antivíricas, dado que el hospedador desarrolla sus defensas al reconocer las cubiertas de los virus, los biotecnólogos trabajan con cultivos bacterianos. Las técnicas consisten en introducir en las bacterias los genes que programan la fabricación de esas proteínas víricas.

Antibióticos

La palabra antibiótico designa a aquellas sustancias que, producidas por determinados microorganismo, pueden acabar con la vida de otro. Alexander Fleming, estaba trabajando con Staphylococcus aureus y su cultivo se contaminó con un hongo del genero penicillium, de forma que las colonia rodeadas por éste morían. Fleming supuso que el hongo producía alguna sustancia antibacteriana, por lo que hizo un filtrado, descubriendo, así, la penicilina

La penicilina resultó muy eficaz contra las bacterias gram+. Poco tiempo después, describieron un segundo antibiótico, la estreptomicina, que también era efectiva contra las bacterias gram-.

La acción específica de los antibióticos se debe a las diferencias fundamentales entre células procariotas y eucariotas, siendo su eficacia tóxica la consecuencia de su capacidad de inhibir una reacción bioquímica específica esencial para estas células.

En la biotecnología, el término fermentación se aplica al proceso en el que se cultivan microorganismos en grandes cantidades para producir cualquier sustancia, y no necesariamente alcohol, como la aceptación original del término.

El gran problema de la actualidad es que han comenzado a desarrollarse a un ritmo alarmante cepas resistentes de patógenos, e, incluso, cepas multirresistentes a varios antibióticos simultáneamente, por lo que hay que encontrar otros nuevos, o modificar los existentes para que recobren su eficacia, lo que constituyen el gran reto de la biotecnología.

Interferón

Las personas que padecían algún tipo de infección vírica, raramente podían ser atacadas por otro virus: las células afectadas producían una sustancia a la que denominaron interferón.

Son proteínas producidas por las células humanas. Al principio, la producción se realizaba a pequeña escala, por lo que sólo con el desarrollo de una biotecnología adecuada de clonación del gen de determinadas clases de interferón y su multiplicación en bacterias.

Hormonas

La insulinas es una sustancia importante para combatir la diabetes mellitus que es incapaz de elaborarla. Al principio, el tratamiento consistía en administrar insulina porcina. Hoy en día se introducido el gen de la insulina humana en la bacteria Escherichia coli. Es la primera proteína genéticamente manipulada que se ha administrado a personas.

Se ha conseguido elaborar la hormona del crecimiento por ingeniería genética.

Se descubrió que de una levadura se podía obtener la cortisona. En 1952 se descubrió que el moho del pan, Rhizopus arrhizus, podía convertirse la progesterona en cortisona con una alto rendimiento y, posteriormente, que se podían obtener otras hormonas.

Biotecnología de los alimentos

Obtención de productos por fermentación alcohólica

La fermentación alcohólica está en la base de la fabricación de diferentes bebidas.

• Fabricación del vino

La glucosa y la fructosa del mosto se transforman por la acción metabólica de Sacharomyces elipspideus. Normalmente el inóculo se encuentra sobre la piel de la uva, pero, en muchos lugares, el mosto se trata con dióxido de azufre para eliminar la biota natural y, más tarde, se inocula con la cepa deseada.

Después de la fermentación, esterilizan y envejecen

El vino posee un bajo pH y mucho alcohol, que lo protegen de contaminaciones aunque se puede agriar por intervención de bacterial productoras de ácido acéticos.

Después de embotellados, pueden seguir actuando algunas levaduras. Para evitarlo, se pasteurizan, esterilizan o se les añade algún producto químico.

• Fabricación de la cerveza

Se trata con la levadura Sacharomyces. Los granos de almidón de la cebada se hidrolizan poniéndolos en remojo, de forma que germinan y general amilasas. Después se secan, lo que constituyen la malta. La malta se muele y se suspende en agua; así se consigue la hidrólisis total. La mezcla se cuece para obtener la hidrólisis y se filtra, obteniéndose el mosto de la cerveza, al cual se adiciona el lúpulo, encargado de dar a la cerveza el sabor amargo y de conservarla del crecimiento bacteriano.

Existen microorganismos que alteran el producto, se trata de una levadura, que le da un sabor amargo desagradable. Para evitar esto se pasteuriza el producto final o, mejor aún, se esteriliza, para que no se altere el sabor.

• Fabricación del pan

Para elaborar el pan se mezclan harina y agua y se inocula Sacharomyces dejando esta mezcla durante unas horas para que tenga lugar la subida de la masa. La harina posee enzimas hidrolíticas suficiente como para romper las moléculas de almidón. En el proceso se produce CO2, que contribuye a esponjar el pan, y el alcohol que se evapora en la cocción.

Obtención de productos por fermentación láctica.

Para fabricar derivados lácteos, se requiere la cooperación de muchos microorganismos, se destacan aquí las bacterias del ácido láctico.

• Fabricación del yogur

Se utiliza leche entera, que fermenta por la acción de los microorganismos, Streptococus y Lactobacillus.

El aroma característico se debe al ácido láctico, producido a partir de la lactosa, y el acetaldehídos. Este olor no suele ser del gusto de los consumidores, por lo que se recurre a aditivos.

• Fabricación del queso

Los principios de la fabricación del queso varían poco de un tipo a otro.

La fabricación del queso comprende dos pasos: el primero de ellos es la formación de la cuajada, que se puede llevar a cabo añadiendo a la leche bacterias lácticas como Streptococcus. Esto hace que en la leche se coagulen las proteínas por efecto de pH. En este proceso también se puede emplear la renina, enzima extraída del cuajar de las terneras. Una vez cuajada la leche, el suero sobrante se elimina.

El 2º paso es la maduración del queso, que intervien microorganismos de forma selectiva. Los quesos duros son maduros por bacterias lácticas, los blandos, por hongos y enzimas de levadura.

• Fabricación de la mantequilla

La elaboración de la mantequilla es un proceso microbiológico. La mantequilla se fabrica batiendo crema grasa, a la que se suelen inoculas algunas cepas de Streptococcus. Los glóbulos de grasa se transforma en gránulos, se elimina el suero sobrante y batiendo repidamente estos gránulos se obtiene la mantequilla.

• Preparación de encurtidos

A partir de los azúcares de la intervención de ciertas bacterias del ácido láctico, tiene lugar el agriamiento típico de los encurtidos y de la col ácida. El ácido láctico proporciona el aroma al producto y lo protege de posteriores ataques microbianos.

Otros procesos. Elaboración del vinagre.

El agriamiento del vino y de la cerveza se debe a la oxidación del alcohol que contienen a ácido acético, lo que llevan a cabo las bacterias aerobias.

Las bacterias desarrollan una películas sobre su superficie. La conversión del etanol en ácido acético, pues el proceso está limitado por la lenta difusión del aire en el seno del tonel.

Aunque el sabor del producto no es el mismo. Se emplean, para ello, grandes depósitos industriales de fermentaciones con agitación.

Los microorganismos como fuente de proteínas

El cultivo de determinados microorganismos como fuente directa de proteínas para personas y animales. Al producto microbiano obtenido se le denomina proteína unicelular, la cual es insípida, por lo que se puede modificar añadiéndole romas naturales, para dar lugar a una gran variedad de apetitosos alimentos.

Obtención de otras sustancias: vitaminas, enzimas y edulcorantes

Las cepas de dos tipos de bacterias, Pseudomonas, contituyen la base del proceso industrial de producción de vitamina B12.

La obtención de aa suelen ser alimentados fundamentalmente con semillas de cereales, muchos de los cuales son muy pobres en lisina y metionina, dos aa fundamentales para que los animales sinteticen sus propias proteínas.

En la actualidad, la metionina se obtiene químicamente, pero la lisina se elabora mediante procesos de fermentación.

LOS MICROORGANISMOS Y EL MEDIO AMBIENTE.

Ciclo del carbono

El paso de carbono entre los sistemas de la biosfera y la atmósfera está determinado por los procesos de fotosíntesis y respiración aerobia. En el primero de ellos se fija carbono en forma de co2, y este último se devuelve como subproducto de la respiración. Entre los microorganismos responsables de la fijación del CO2 se encuentran bacterias fotosintéticas, cianobacterias y algas plantónicas.

La transferencia de carbono de la atmósfera a la hidrosfera se realiza por disolución del CO2, lo que confiere al agua carácter ácido. Las rocas calizas de la geosfera son atacadas por esta agua acidificada, transformándose el carbonato cálcico en iones bicarbonato puede precipitarse de dos formas: químicamente, volviendo a generar rocas calcáreas de precipitación, o biológicamente, fijándose en caparazones y conchas.

La biosfera cede a la geosfera carbono en forma de sustancias orgánicas procedentes de organismos muertos. En el medio terrestre, los cadáveres son fermentados por bacterias y hongos del suelo, liberando CO2 a la atmósfera. Los productos orgánicos derivados de la fermentación se incorporan al suelo en forma de humus. En el mar, la muerte masiva de organismos planctónicos produce acumulaciones en los fondos marinos, las cuales son enterrados y reducidas por bacterias anaerobias que originarán carbón y petróleo.

Ciclo del fósforo

El fósforo se acumula en la geosfera formando rocas sedimentarias que, por erosión o extracción, llegan al suelo como fosfatos directamente utilizables por los organismos fotosintéticos. Parte de estos fosfatos son arrastrados por la lluvia hasta el ecosistema acuático, donde el fitoplacton los utiliza.

Cuando el plancton muere, cae al fondo marino, donde las bacterias actúan descomponiendo y mineralizando sus restos.

Las aves marinas, al alimentarse de peces que tienen esqueletos ricos en fosfatos, pueden constituir una vía de reciclaje a la superficie, dejando los excrementos, que reciben el nombre de guano, en medio terrestre costeros.

Biotecnologías aplicadas a la mejora del medio ambiente.

El conjunto de procesos industriales que sirven de microorganismo o de células procedentes de animales o vegetales, para obtener determinados productos, se conoce como biotecnología.

Obtención de recursos

El empleo de microorganismo en los procesos industriales presenta ciertas ventajas frente a la tecnología para la realización de las misma reacciones; en segundo lugar, las bacterias utilizan como disolvente el agua. En tercer lugar el rendimiento es muy alto.

• Obtención de recursos alimenticios

Las leguminosas, en asociación con los microorganismos, son capaces de aportar nitrógeno al suelo. Para que se puedan asociar también con las gramíneas; de esta manera, las plantas se harían más independientes del abonado químico.

• Obtención de recursos minerales

Se utilizan algunos microorganismos para extraer el cobre y el uramio contenidos en las rocas.

Los microorganismos extraen y concentran metales valiosos de una forma más barata y fácil de manejar. En las minas de cobre, el Thiobacillus, que es quimiosintético, se sirven de la oxidación de sulfuro de hierro a sulfato de hierro o ácido sulfúrico como fuente de energía. La actividad de estos microbios convierte el sulfuro de cobre insoluble en sulfato de cobre soluble. Cuando se infiltra agua a través de las rocas, el sulfato de cobre es arrastrado y se acumula en charcas, formando un depósito de color azul brillante. Si esta solución pasa a través de superficies de hierro, el sulfato de cobre se deposita sobre el hierro y, después, se obtiene el cobre mediante raspado.

• Obtención de recursos energéticos.

En la actualidad, se hace necesaria la búsqueda de nuevas fuentes de energía, rompiendo la dependencia con los combustibles fósiles y centrado la atención en combustibles renovables. Por fermentación de la caña de azúcar se obtiene alcohol, que ya se utiliza en muchos países como combustibles para automoción. El proceso corre a cargo de algunas levaduras.

La levadura muere cuando la concentración de alcohol en el medio supera el 15%. Se produce al extraer el producto del sustrato, hirviéndolo y recogiendo el vapor, que contiene alcohol en estado bastante puro.

El gas metano, que se puede obtener por la actividad microbiana, como aguas residuales de granjas e industrias.

La biotecnología es una herramienta útil para la industria petrolífera a la hora de recuperar las reservas de petróleo que se encuentra impregnando las partículas de roca.

• Obtención de recursos químicos

La producción de acetona mediante la fermentación biutírica, en la que interviene Clostridim, para fabricar la dinamita.

Entre los proyectos más ambiciosos para la obtención de recursos químicos destacan la síntesis de óxidos de alquenos, ampliamente utilizados en la fabricación de plásticos y espumas de poliuretano.

El enriado es un tratamiento de materiales vegetales por acción microbiana que tiene como finalidad liberar fibras textiles, formadas principalmente por celulosa, adheridas a los tallos por pectinas.

Durante años, el enriado se ha realizado con lino y cáñamo, introduciendo los tallos en agua iniciándose la descomposición de la pectina por los microorganismos, en un principio aerobios, responsables de la degradación de la pectina tras lo cual se liberan las fibras.

Corrección de problemas

Corrige o alivia problemas relacionados con la conservación del medio natural.

• Disminución de los niveles de metales en el agua

Recientemente, científicos han conseguido crear, mediante ingeniería genética, una bacteria que puede, atraer metales pesados y capturados en la membrana por diferencia de carga eléctrica.

El proceso consistiría en sembrar en el agua contaminada una población de Escherichia coli modificada, y en cosecharla al cabo de un tiempo, dejando el río limpio.

• Control de plagas

Existe una creciente preocupación por los grandes riegos que los pesticidas plantean al medio ambiente, así como las repercusiones de su uso sobre la salud humana. Hay que tener en cuenta que la manipulación genética de microorganismo puede conducir a la aparición de estirpes que, más tarde, fuera del control humano.

• Limpieza de las mareas negras

Varias cepas de Pseudomonas pueden consumir hidrocarburos. Cada cepa sólo aprovecha algunos de ellos. Se ha creado, por ingeniería genética, un “supermicrobio”, capaz de degradar todos los hidrocarburos presenten en un vertido de petróleo. La utilización de este microorganismo puesto que las cepas salvajes también realizan la limpieza.

• Depuración de aguas residuales

Uno de los principales problemas ambientales es la contaminación del agua como recurso natural por su uso doméstico, industrial o agrícola, lo cual hace vital sí depuración. El agua residual contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, microorganismo patógenos y materia orgánica. En la degradación de eta última, los microbios desempeñan un papel importante.

En las primeras fases de pretratamiento y tratamiento primario, el agua es liberada de los sólidos voluminosos, arena y otros materiales, por métodos físicos-químicos. El resultado es una reducción del 90% de las materiales decantable y de un 65%de las materiales en suspensión, además de la disminución de la DBO, en un 35%.

La DBO, expresa la cantidad de materia orgánica presente en ellas que es oxidable por la acción de los microorganismos, ya que mide el consumo de oxígeno de una muestra de agua mantenida en la oscuridad, a temperatura constante de 20ºC y durante un período de tiempo de cinco días.

Como producto, se obtienen los lodos primarios y las corrientes de agua, que pasa a los tanques, donde tiene lugar el tratamiento secundario o biológico, cuyo objetivo fundamental es la degradación de la materia orgánica. Éste puede llevarse a cabo, por dos procedimientos:

• Fangos activos. El agua se estabiliza en unas balsas que se mantienen condiciones aerobias mediante diversos mecanismos de aireación. En estos reactores biológicos, el agua se mezcla con un lodo floculado (coagulado). Su reacción metabólica requiere oxígeno en cantidades que dependen del caudal de agua y de su carga orgánica.

• Lechos bacterianos. Se trata de tanques circulares rellenos de piedras o materiales sintéticos que forman filtros, sobre los que se desarrolla una película de microorganismos, encargada de degradar la materia orgánica, también en condiciones aeróbicas. En estos casos lechos hay que mantener unos niveles adecuados de nitrógeno y de fósforo como nutriente básicos de la población microbiana.

El resultado de este proceso se recoge en los decantadores secundarios o clarificado en forma de fangos secundarios y aguas depurada, que completa el recorrido con una desinfección para eliminar organismo patógeno antes de que el efluente(agua tratada) se vierta al río. Todo este proceso constituyen la línea de aguas.

Los fangos resultantes de los tratamientos primario y biológico experimentan una serie de procesos posteriormente.

Puede tener lugar por vía aerobia, pero que requiere mecanismos de aireación muy costoso, o por vía anaerobia, a cargo de bacterias metanogénicas que realizan el proceso en digestores cerrados en los que los lodos se calientan. El tratamiento tiene dos fases, y el resultado es una mezcla de metano y dióxido de carbono que es denominado biogás y se usa como combustible. Los fangos tratados y desinfectados pueden ser utilizados en la agricultura como abono.

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Examen:

“Infección” es la presencia y proliferación del agente patógeno en el hospedador. El responsable son los microorganismos patógenos

“Virulencia” es el grado en que in microorganismos patógenos es capaz de producir enfermedad. Según la virulencia, los microorganismos son avirulentos, virulentos o altamente virulentos.

Las toxinas son sustancia que tienen efecto tóxico en los tejidos del huésped: Exotosina (liberada al medio) y endotoxinas (forman parte del microorganismos.

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