Esquema7 - IES Dolmen de Soto
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_________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato BIOLOGÍA 2º Bachillerato. MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA Introducción 1 – Los microorganismos 2 – Los virus: a. morfología y composición b. ciclos vitales c. clasificación de los virus d. origen de los virus 3 – Bacterias: a. estructura de las bacterias b. funciones de relación c. funciones de nutrición d. funciones de reproducción e. clasificación de las bacterias 4 – Microorganismos eucariotas: a. protozoos b. algas c. hongos 5 – Biotecnología: a. La biotecnología y la ingeniería genética b. La biotecnología industrial: c. La biotecnología en la agricultura, ganadería y alimentación: d. biotecnología en la medicina: 1 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato INTRODUCCIÓN La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismo. Éstos son un grupo muy diversificado de seres microscópicos predominantemente unicelulares. El papel de los micoorganismos como agentes beneficioso, inocuos o perjudiciales para los seres vivos y su valor científico, hace que tengan una gran importancia social y económica. 1 – LOS MICROORGANISMOS: Dentro de este grupo se incluyen organismos que pertenecen a diferentes taxones: Microorganismo Tamaño Virus Bacterias Protozoos Algas Hongos 0,1 μm 10 μm > 250 μm > 250 μm > 250 μm Organización Nutrición Acelular Procariota Eucariota Eucariota Eucariota “Parásito” Todo tipo Heterótrofa Autótrofa Heterótrofa Reino ¿ Monera Protoctista Protoctista Hongos Tienen en común las siguientes características: - pequeño tamaño - relación superficie/volumen, alta. Eficiente intercambio de nutrientes. - rápido metabolismo - rápida reproducción: son sencillos - gran capacidad de alterar el medio en que viven, agotando los nutrientes o acumulando productos de desecho. Cuando una población bacteriana coloniza un medio cerrado se observa la siguiente gráfica que representa las diferentes fases de crecimiento: 2 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato 2 – LOS VIRUS: Son los organismos más pequeños y simples que se conocen, pertenecen a un nivel de organización subcelular, marcan la barrera entre lo vivo y la inanimado. Son parásitos intracelulares obligados, que alteran los mecanismos biosintéticos de la célula en su propio beneficio, para reproducirse. Son fragmentos de ácido nucleicos cubiertos de una estructura proteica. Son elementos genéticos móviles, por lo tanto pueden causar enfermedades o producir cambios genéticos en la célula huésped. a. Morfología y composición de un virus: Cuando el virus está fuera de la célula es inerte metabólicamente. Composición: 1º - Tienen ADN o ARN: a veces con ADN monocatenario y a ARN bicatenario. El genoma codifica enzimas para replicar su ácido nucleico o utiliza las enzimas celulares. Su material genético puede estar fragmentado o no. 2º - Cubierta proteica o cápsida ( o cápside): que aloja el ácido nucleico, lo protege y tiene receptores para unirse y penetrar en las células, si éstos virus no tienen membrana externa. La cápsida está formada por unidades de proteína llamadas capsómeros, éstos se autoensamblan dando figuras simétrica y cristalizables. Según la simetría de la cápside los virus pueden ser: - helicoidales: con forma de bastoncillo al ensamblarse los capsómeros sobre la hélice del ácido nucleico. Como es virus de mosaico del tabaco, la rabia y la gripe: - icosaédricos: forma de poliedro de 20 caras triangulares. Como el virus de la polio. - virus complejos: con diferentes partes. Como los virus bacteriófagos que tienen una cabeza icosaédrica con el ácido nucléico y la cola que se puede contraer para inyectar el contenido. Al final de la cola está la 3 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato placa basal para fijarse a la célula, de la que parten fibras para fijarse mejor. - virus envueltos: la nucleocápside (cápsida más el ácido nucleico) está rodeada de membranas lipoprotéicas que son fragmentos de la membrana de la célula huésped. De la membrana salen espículas que tienen capacidad enzimática. Si no tienen esa membrana son virus desnudos. 3º - Enzimas virales: pueden tener enzimas que les ayuden a entrar o salir de las células o bien en la replicación o transcripción. Cuando el virus está dentro de la célula el ácido nucleico se integra en la célula hospedadora. El virus se reproduce, replicando su genoma y sintetiza capsómeros. b. Ciclo reproductor de un virus: Dentro de los ciclos de reproducción víricos, podemos encontrar 5 fases: fijación, penetración, eclipse, ensamblaje y liberación. b1 – Fase de fijación o adsorción: las células hospedadoras tienen en sus membranas receptores específicos para los virus, uniéndose a la cápsida o la las membranas externas de los virus. b2 – Fase de penetración: los virus tienen 3 diferentes mecanismo de penetración: 4 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato - - - los virus bacteriófagos originan un orificio en la pared bacteriana por donde inyecta el ADN al contraerse la cola del virus. La cápsida queda fuera de la bacteria. en virus desnudos se introduce toda la cápsida por penetración directa al perforar la membrana con enzimas, o por endocitosis al ser englobadas por la célula. en virus envueltos la membrana externa de los virus se funde con la de la célula hospedadora el ser de la misma naturaleza. Cuando penetra la cápside se descompone en capsómeros y el ácido nucleico queda dentro de la célula. b3 – Fase se eclipse: en esta fase no se puede detectar el virus dentro de la célula. El genoma vírico dirige el metabolismo celular para sinterizar los componentes víricos usando los recursos de la célula huésped. El material hereditario viral puede ser detectado como extraño y ser destruido. Según la duración de la fase de eclipse hay dos tipos de ciclos víricos: lítico y lisogénico: - ciclo lítico: el virus se multiplica masivamente, abren la célula hospedadora y se liberan al medio los nuevos virus (lisan la célula huésped) - ciclo lisogénico: cuando ha entrado, el genoma vírico en la célula no comienza la multiplicación del virus. El virus entra en un estado de latencia, el cromosoma viral se integra en el celular o se queda en el citoplasma sin expresarse. Es un estado de provirus y la célula es una célula lisogénica. Esta célula puede multiplicarse junto con el cromosoma viral hasta que el provirus abandona el cromosoma celular y comienza un ciclo lítico como el anterior. 5 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato Este proceso puede relacionarse con alteraciones genéticas celulares (infecciones latentes, mutaciones, transformaciones cancerosas, recombinación y evolución de las especies). Ej.: los retrovirus, el herpes... b4 – Fase de ensamblaje: los capsómeros se ensamblan y forman la cápside con el ADN dentro y algunas enzimas (si las lleva). b5 – Fase de liberación: los virus salen de la célula, lo que puede hacer por dos mecanismos: - gemación: llevándose parte de la membrana celular. Lo realizan los virus envueltos, así su envuelta es parte de la membrana celular. - exocitosis o por agujeros hechos por las enzimas. Lo realizan los virus desnudos. La liberación pede causar la muerte celular por agotar sus nutrientes, romper su membrana o por destruir su genoma. Es el ciclo lítico. La liberación puede ser lenta sin lisar la célula, así libera virus mucho tiempo. Es una infección persistente de un virus. En los ciclos lisogénicos, como la reproducción está retrasada se llama infección latente. Cuando una célula animal es infectada por un virus puede formar unas proteínas llamadas interferones: que se unen a la membranas de células sanas para que formen proteínas antivirales. c. Clasificación de los virus. Los criterios utilizados son: el tipo de ácido nucleico, el tipo de cápsida, la existencia o no de envolturas membranosas y el tipo de célula que parasita: - según el ácido nucleico pueden tener: ARN monocatenario, ADN bicatenario - según la cápsida: helicoidal, complejo o icosaédrico. - según la existencia de envoltura o no : envueltos o desnudos - según el tipo de célula que infecta: virus animal, virus vegetal y virus bacteriófago. Un ejemplo importante de virus animal es el Retrovirus: son virus envueltos con dos moléculas idénticas de ARN monocatenario y con enzimas: la retrotranscriptasa, que pasa su ARN a ADN. Son importantes porque algunos causan cáncer, el virus del Sida es un retrovirus, la enzima retrotranscriptasa es una herramienta en la Ingeniería genética, el ADN que forma se puede integrar en el genoma celular abriendo así la posibilidad de utilizarlas para introducir genes deseados en una célula para la terapia génica. 6 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato d. Origen de los virus: los virus son acelulares y marcan una barrera entre lo vivo y lo inaminado. Hay otras moléculas o estructuras acelulares que pueden también parasitar células: - priones: proteínas pequeñas con capacidad infeccisa. Ej.: prión responsable de la enfermedad de Crentzfeld-Jakob, relacionada con la enfermedad de las “vacas locas”. - transposones: genes que se desplazan de un sitio a otro del cromosoma. - viroides o viriones: pequeños ARN monocatenarios circulares con capacidad infecciosa. Enfermedades vegetales. - provirus: fragmentos de ADN móviles, capaces de transportar genes entre células. - plásmidos: fragmentos de ADN bicatenario, en bacterias, se pueden replicar independientemente del genoma bacteriano. Hay dos hipótesis en cuanto al origen de los virus: - los virus eran células que han perdido sus estructuras, hasta llegar incluso a provirus, plásmidos o viroides. - son uno de los antecesores de las células que no llegaron a célula. 3 – BACTERIAS: Grupo abundante y heterogéneo de microorganismos procariotas del Reino moneras. Con un tamaño de 1 a 10 μm. Según su forma se reúnen en 4 grupos. Fotocopia. a. Estructura bacteriana: a1 – Membrana plasmática: es una bicapa lipídica sin colesterol. Tienen invaginaciones llamadas mesosomas, que pueden servir para intercambios, regeneración de la membrana, respiración celular, fotosíntesis, asimilación de nitrógeno atmosférico, o duplicación de ADN. a2 – Pared celular bacteriana: es una envoltura rígida que soporta las altas presiones osmóticas. Según la composición de la pared las bacterias son Gram positivas G+ o Gram 7 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato negativas G- . Ambas tienen mureína formadas por el péptido glucano que forman enlaces cruzados para dar resistencia. Según cómo sean los enlaces cruzados tenemos: - Gram negativas: sobre el péptido glucano hay una capa externa lipopolisacárida y proteica llamada membrana externa que parece biestratificada, le da mayor resistencia a agentes antibacterianos. - Gram positivas: son más sencillas y no tienen la membrana externa. Tienen ácidos teicoicos sobre el péptido glucano. Las paredes al tener proteínas, tienen carácter antigénico (pueden desencadenar una respuesta inmunitaria formando anticuerpos) a3 – Cápsula bacteriana: algunas bacterias, encima de la pared, tienen una capa viscosa de polisacáridos. Algunas sólo la desarrollan en condiciones adversas: desecación, presencia de células fagocíticas y anticuerpos, así son más resistentes, por lo tanto son más patógenas. a4 – Flagelo bacteriano: prolongación filiforme para el desplazamiento. Varía su número y disposición. Tiene un estructura compleja muy diferente a las células eucariotas. Fotocopia. a5 – Pelos bacterianos: filamentos superficiales, abundantes y huecos, sirven para fijarse a un sustrato, intercambiar moléculas o información genética, son las fimbrias o pili (para conjugación bacteriana o apareamiento bacteriano). a6 – Citosol: es igual que el celular. Pero con ribosomas 70 S como todos los procariotas. Tienen inclusiones de reserva. Dibujo fotocopia. b. Funciones de relación bacteriana: dependiendo de las condiciones ambientales, las bacterias pueden responder con: movimientos, variaciones metabólicas, adopción de formas de resistencia (quistes: pierden agua y se rodean de una gruesa capa; o endosporas: con una cubierta interna). Así permanecen en estado de vida latente hasta que pasen las condiciones adversas. Por eso son muy resistentes incluso a veces a la esterilización como ocurre con Clostridium botulinum. c. Funciones de nutrición bacteriana: son un grupo muy heterogéneo, colonizan todos los ambientes, con todos los tipos de metabolismos conocidos: - bacterias autótrofas fotosintéticas; unas desprenden oxígeno y otras no. Las cianobacterias sí. - bacterias fotoorganotrofas: son verdes pero usan la materia orgánica. Son heterótrofas. 8 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato - - bacterias autótrofas quimiosintéticas: oxidan la sustancia inorgánica. bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico: son Azotobacter, Clostridium, Rhizobium (sismbiontes con leguminosas) y algunas cianobacterias. bacteriar quimioheterótrofas: se nutren de materia orgánica. Pueden ser: o parásitas: causan daños al hospedador. Son patógenas. o simbiontes con animales o vegetales, bacterias de las leguminosas, flora intestinal. o saprobias: viven sobre materia orgánica muerta nutriéndose por fermentación y putrefacción de la misma. Las bacterias quimiolitotrofas y las saprobias, son muy importantes porque cierran los ciclos biogeoquímicos (caminos que siguen los elementos de la materia orgánica en el agua, corteza y atmósfera), son descomponedoras: pasan la materia orgánica a inorgánica, formando sales minerales que están nuevamente a disposición de los vegetales. Son las bacterias del suelo. d. Función de reproducción de las bacterias: - normalmente tienen reproducción asexual por bipartición: tras la duplicación por la ADN polimerasa se forma un tabique transversal que da dos células hijas. - - transformación bacteriana: consiste en la captura de ADN de otra bacteria, que estaba libre en le medio. No interviene ningún agente transportador. transducción bacteriana: hay transferencia de ADN por un vector que es un virus bacteriófago. Como en el ciclo lisogénico. conjuganción bacteriana: se transfiere ADN de otra bacteria por los pili o fímbrias, de una bacteria dadora o otra receptora. Las bacterias se 9 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato unen a través de los pili. Puede ocurrir un fenómeno parasexual si se ponen en contacto el genoma bacteriano con parte de otra bacteria dadora y se recombinan. Les confiere variabilidad y así habilidades adaptativas. e. Clasificación de las bacterias: los grupos de bacterias más importantes son: - bacterias patógenas: producen alteraciones en el funcionamiento del organismo: por enfermedades o toxinas. - bacterias fotosintéticas: están en el plancton. - bacterias fermentadoras: como Lactobacillus importante para industria láctea. - bacterias descomponedoras: que convierten la materia orgánica en inorgánica (mineralizan) cerrando los ciclo biogeoquímicos. - bacterias simbiontes: como las de las leguminosas y las que viven en el intestino de los rumiantes. - Actinobacterias: parecidas a los hongos y producen antibióticos: estreptomicina, neomicima... - bacterias que biodegradadn productos de desecho: basuras, aguas negras (petróleo...) 4 – MICROORGANISMOS EUCARIOTAS: Son microorganismo con célula eucariota del Reino Protoctista (seres unicelulares o pluricelulares sin verdaderos tejidos, son los protozoos, y las algas). También en el grupo de los microorganismos eucariotas incluimos a algunos hongos hongos (levaduras, mohos y mohos viscosos) a. Protozoos: Son microorganismos eucariotas unicelulares sin pared celular, hererótrofos y generalmente móviles. Viven en medios húmedos y acuáticos de vida libre. Un grupo importante son los esporozoos que son parásitos. Se alimentan de macromoléculas o de otros microorganismo que capturan. Se desplazan por cilios o flagelos: Ej.: Tripanosoma (enfermedad del sueño), Paramecio ( ver fotocopia) y Plasmodium vivax (malaria ver fotocopia). Ver en fotocopia ejemplos en tabla. 10 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato b. Algas: Son organismos eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigénica. En este grupo hay organismos macroscópicos también pero sin formar verdaderos tejidos. Las colonias pueden formar filamentos más o menos ramificados, más o menos aplanados. Viven en toda clase de medios, especialmente acuáticos. Se reproducen asexualmente por bipartición o forman esporas. Las algas unicelulares viven en agua dulce o marina y forman el fitoplancton que son responsables de la mayor parte de la fotosíntesis que se realiza en el agua, formando materia orgánica, siendo la base de la pirámide trófica de los ecosistemas acuáticos, produciendo gran cantidad de oxígeno. Ver clasificación en fotocopias. c. Hongos: Son eucariotas, unicelulares o pluricelulares con nutrición heterótrofa. Algunos tienen pseudotejidos formado por células dispuestas en filamentos llamados hifas. Las paredes de las hifas tienen el polisacárido quitina (que está también en el exoesqueleto de algunos animales y no en plantas). Su reproducción es asexual por gemación o por esporas. Están adaptados a todos los medios. Pueden ser: - saprófitos: producen las putrefacciones y fermentaciones que convierten la materia orgánica en sustancia mineral. Son descomponedores, que cierran los ciclos biogeoquímicos. - parásitos: causan graves enfermedades (tiña, micosis, pie de atleta, candidiasis, daños a cultivos...) - simbiontes: con cianobacterias o algas y forman los líquenes; y con plantas forman las micorrizas en pinos. Tienen gran importancia económica por las fermentaciones (cerveza, pan: Sacharomyces) y por la cantidad de antibióticas que producen (Penicillium). 5 – BIOTECNOLOGÍA: La biotecnología es un ciencia en las que se aplican técnicas que emplean seres vivos. Es una ciencia que está evolucionando muy rápidamente pues es parte clave de ciertas industrias. El gran empuje de esta ciencia se debe a la ingeniería genética (que crea organismos con nuevas características que producen productos útiles para nosotros). Un gran campo de aplicación de la biotecnología es la medicina para detección y la terapia. 11 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato a. La biotecnología y la ingeniería genética: la biotecnología incluye cada vez más disciplinas. Todas ellas tienden a cumplir dos objetivos: - controlar la reproducción animal o vegetal - controlar procesos naturales que proporcionan alimentos o sustancias útiles. Los microorganismos proporcionaron alimento y bebidas durante 8.000 años sin conocerlos. Hasta el S XIII que Leeuwenhoek los descubrió. Desde hace 25 años el desarrollo de la biotecnología se ha extendido a diferentes áreas, de las que obtenemos grandes beneficios. Se prevee que en el S XXI será la protagonista de todas las tecnologías. La ingeniería genética: esta ciencia ha desarrollado técnicas que ha revolucionado la biotecnología. Con la ingeniería genética se puede introducir material hereditario en una célula alterando sus características. Las Técnicas de ingeniería genética para poder transferir material hereditario son: a1. Fragmentación de ADN: con enzimas endonucleasas de restricción que parte el ADN en zonas específicas. a2. Unión de fragmento de ADN: Los ADN cortados han de unirse en unos lugares concretos e introducirlo en las células o virus que transportarán el ADN, son vectores. a3. Transformar las células con los vectores: introducir el ADN del vector a la célula. Se puede usar plásmidos: ADN bicatenario extracromosómico que tienen algunas bacterias, con replicación independiente. O bien se puede usar virus. a4. ADN recombinante: el ADN introducido se va a insertar en el genoma de la célula diana por una recombinación. a5. Localización, análisis y secuenciación del gen transportado. Con diferentes técnicas de ingeniería genética se puede: - secuenciar una pequeña muestra del ADN, haciendo muchas copias y luego estudiarlo. Así se hacen mapeos de cromosomas, diagnósticos en medicina prenatal, en medicina forense y pruebas de paternidad. b. La biotecnología industrial: b1. Microorganismos y productos de interés comercial: hay 4 grupos de microorganismos de interés industrial: bacterial unicelulares, actinomicetos o bacterias filamentosas, levaduras y mohos. Los productos de interés comercial son de 4 categorías: - Células microbianas: microorganismos con los que se fabrica pienso microbiano: es un granulado que sirve de alimento animal. - Macromoléculas: las enzimas y los polisacáridos. 12 _________________________________________________________________Biología 2º Bachillerato - Productos del metabolismo primario: compuestos esenciales para su crecimiento o residuos (etanol, ácido acético, vitaminas, dióxido de carbono...) Productos del metabolismo secundario: son compuestos no esenciales como los antibióticos: Levadura: pan, cerveza, vino Bacterias: yogur, insulina, hormona de crecimiento Hongos: penicilina b2. Producción de alimentos y bebidas: dentro de la industria alimentaria las fermentaciones para producir alimentos y bebidas son muy importantes: - fermentación láctica: yogur - fermentación alcohólica: pan, vino, cerveza b3. Producción de fármacos: ha supuesto una revolución la entrada de la microbiología en la industria farmaceutica. Por la técnica del ADN recombinante (mediante la cual se puede introducir un gen en una bacteria) se ha conseguido que las bacterias fabriquen péptidos humanos, hormonas de crecimiento, insulina, interferón, una vacuna contra la hepatitis B. c. La biotecnología en la agricultura, ganadería y alimentación: Gracias a la biotecnología, la producción de alimentos animales y vegetales puede mejorar en los próximos años, pudiendo paliar el hambre en el mundo. - Biotecnología en plantas: manejando cultivos celulares o modificando la genética de cultivos celulares. - Biotecnología en animales: se puede usar técnicas de reproducción in vitro, cultivo de células y manipulación del material genético: o Clonado de genes o Transgénesis en animales: se introduce ADN en un genoma. o Clonado de animales: organismos idénticas genéticamente d. biotecnología en la medicina: - Diagnosis molecular de enfermedades congénitas. - Vacunación y manipulación genética - Anticuerpos monoclonales - Terapia génica: será una técnica revolucionaria en medicina - Prueba del ADN: se basa en detectar las regiones del ADN con muchas repeticiones que es característico de cada individuo. 13