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Microorganismos Patógenos: Bacterias
Microorganismos Patógenos: Bacterias
Introducción
Los animales presentan una serie de mecanismos de defensa interna que les permiten protegerse ante enfermedades causadas por organismos, especialmente microorganismos, que entran al medio interno a través de diversos medios, como agua, aire, alimentos, etc. Los organismos que ingresan al interior del cuerpo animal provocando enfermedades son conocidos como organismos patógenos.
Los organismos patógenos corresponden generalmente a uno de los siguientes grupos de microorganismos: bacterias, hongos, protozoos y virus (aunque estos últimos no son considerados seres vivos, como se verá más adelante).
En esta clase estudiaremos las principales características del sistema inmune, comenzando con una descripción de los dos principales grupos de microorganismos patógenos: bacterias y virus.
Microorganismos Patógenos: Bacterias
Las bacterias son organismos procariontes, pues carecen de núcleo. Por lo tanto, su material genético se encuentra relativamente disperso dentro del citoplasma.
Las bacterias forman uno de los tres dominios de los seres vivos; los otros dos corresponden al dominio de los eucariontes y el tercero, al dominio de las arquibacterias.
El material genético de las bacterias consiste en ADN circular, libre de proteínas. Algunas especies de bacterias presentan material genético adicional, denominado ADN extracromosomal. El ADN extracromosomal corresponde a los plasmidos y a los episomas. Las bacterias no presentan organelos y pertenecen al reino Monera.
Comparación entre célula procarionte y eucarionte
Fuente: http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Life/cell_organelles.sp.html
Las especies de este grupo de seres vivos presentan una diversidad de formas celulares: esféricas (cocos), en forma de bastón (bacilos) o en forma espiral, entre otras.
Las células de las bacterias presentan una membrana celular cubierta por una fina pared
celular formada por peptidoglicanos, un tipo especial de carbohidratos enlazados con péptidos cortos. El citoplasma, además de contener al material genético, contiene numerosos ribosomas, los que difieren estructuralmente de los presentes en los eucariontes.Escherichia coli corresponde a la bacteria más ampliamente estudiada. Esta especie, cuyo genoma ha sido secuenciado y que consiste en alrededor de 4000 genes, corresponde a la especie “modelo” dentro del reino Monera.
Las bacterias también presentan, dependiendo de la especie, una serie de estructuras especializadas, como por ejemplo cápsulas, flagelos y pili.
La pared celular de las bacterias cumple una importante función protectora. Dentro de cada célula bacteriana existe una gran concentración de solutos, lo que, a su vez, genera una gran entrada de agua, generándose así una fuerte presión osmótica desde el interior hacia el exterior. La pared celular de las bacterias evita que las células revienten debido a esta presión. Muchos antibióticos naturales y artificiales bloquean la síntesis de la pared celular, como por ejemplo la penicilina. Por otra parte, en las lágrimas existe una enzima, llamada lisozima, que digiere el peptidoglicano que forma parte de la pared celular, constituyendo la primera línea de defensa, que evita las infecciones oculares.
El científico Christian Gram desarrolló una técnica de tinción de bacterias, que permitió su observación a través del microscopio. Sin embargo, solo algunos grupos de especies de bacterias resultan teñirse con el colorante desarrollado por Gram, existiendo otro grupo que no presenta afinidad con la tinción. Los biólogos han clasificado así a las bacterias en dos grupos, las bacterias Gram positivas y las bacterias Gram negativas.
La afinidad con la tinción de Gram es el resultado de diferencias importantes en la estructura de la membrana entre ambos grupos de bacterias. Las bacterias Gram positivas presentan una pared formada por peptidoglicano y ácido teicoico. Las Gram negativas, en cambio, además de peptidoglicano presentan una capa externa de lipoproteínas y lipopolisacáridos. Los lípidos no se tiñen con el colorante desarrollado por Gram, lo que explica la ausencia de tinción en las bacterias Gram negativas. Estas diferencias estructurales son relevantes para el tratamiento de bacterias patógenas.
Reproducción Bacteriana
Las bacterias se caracterizan, en general, por su rápida reproducción. Una bacteria típica se divide cada media hora, más o menos. Puesto que las bacterias se reproducen por división celular, a partir de una sola bacteria, se puede originar una población de millones de células en pocas horas, siempre que existan condiciones ambientales propicias.
Estas condiciones ambientales están relacionadas con valores óptimos de luz, temperatura, pH, etc.
Puesto que por cada bacteria se originan dos nuevas células, entonces, a partir de una sola bacteria se originan 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128…etc., bacterias en cada generación, es decir, un tipo de crecimiento exponencial o logarítmico, en términos ecológicos. Al cabo de 10 generaciones, luego de unas cinco horas, se originan más de 10 millones de bacterias. Este aspecto de la vida de las bacterias es sumamente importante desde el punto de vista de la salud humana. Alimentos contaminados por pocas bacterias pueden constituir el ambiente propicio para el crecimiento de una población que, eventualmente, podría ser consumida, provocando patologías infecciosas.
Ejemplo de reproducción bacteriana en tres generaciones a partir de una sola célula
En la página http://descartes.cnice.mecd.es/Analisis/mod_fun_expolog_macr/DOS.htm encontraras una actividad en la que podrás ejercitar tus conocimientos acerca de la reproducción en las bacterias.
El crecimiento de una población de bacterias se representa de manera frecuente, a través de un grafico como el que se muestra a continuación.
Curva de crecimiento bacteriano. a = fase de latencia; b = fase logarítmica; c = fase estacionaria; d = fase de mortalidad.
En el gráfico podemos observar que las bacterias en crecimiento poblacional atraviesan 4 etapas características:
1) periodo de latencia, en el que la población de bacterias crece lentamente
2) fase logarítmica, que se caracteriza por el crecimiento prolongado y continuo de la población
3) fase estacionaria, en la que las bacterias detienen su crecimiento, debido a que los alimentos se hacen escasos
4) fase de mortalidad, en la que la población disminuye su tamaño hasta desaparecer, debido a la ausencia de nutrientes y a la acumulación de desechos metabólicos.Debido a la rapidez con que se multiplican las bacterias, algunas especies son usadas para detectar el efecto de agentes mutágenos en el ambiente y en los alimentos. Al existir un agente mutágeno, su efecto puede verse rápidamente en un cultivo de bacterias, pues dichos agentes producen mutaciones (cambios en el genoma), que pueden ser detectados a través de diferentes tipos de pruebas disponibles.
Transferencia de material genético en bacterias
Como vimos en el experimento de transformación bacteriana de Griffith (clase 2), el ADN disuelto en el medio de cultivo puede atravesar la pared celular y la membrana celular de las bacterias e incorporarse al citoplasma.
Cuando esto sucede, el ADN incorporado desde afuera de la célula es integrado al genoma de esta última y, por lo tanto, replicado y expresado. Los biotecnólogos sacan partido de este fenómeno de transformación bacteriana para incorporar a las bacterias genes que se desea estudiar o bien, cuyos productos (proteínas) se quiere sintetizar de manera rápida y a bajo costo. Para comprender esta aplicación biotecnológica usaremos como ejemplo el gen de la insulina.
La insulina es una hormona proteica faltante en algunos tipos de diabetes en humanos. Para aliviar la enfermedad, se inyecta insulina a los pacientes, diariamente. Los biotecnólogos han logrado extraer el gen desde células humanas normales, usando enzimas de digestión de ADN, conocidas como enzimas de restricción. Las enzimas de restricción cortan el ADN en sitios específicos que dependen de cortas secuencias nucleotídicas.
Una vez extraído el gen de la insulina, este es ligado a un plasmidio, que corresponde al fragmento circular de ADN, explicado al inicio de la clase. El ligamiento entre el gen de la insulina y el plasmidio se realiza a través de enzimas especiales, llamadas ligasas. Luego, el plasmidio que contiene el gen humano para la insulina es introducido dentro de las bacterias que se encuentran en un cultivo.
¿Cómo se introducen los plasmidios hacia el interior de las células bacterianas? En términos simples, se mezcla la solución que contiene los plasmidios ligados a la insulina con el medio de cultivo bacteriano. Una proporción de los plasmidios ingresa por difusión al interior de las células. Los científicos han desarrollado métodos que facilitan el ingreso de los plasmidios ligados a genes foráneos a las células bacterianas, como, por ejemplo, la aplicación de sustancias químicas que provocan la apertura de poros celulares. Finalmente, el plasmidio con el gen de la insulina es replicado y heredado a células hijas. Al cabo de algunas horas, millones de células contendrán el gen humano en su interior y, más importante, lo transcribirán y traducirán (sintetizarán insulina). Como resultado, el cultivo bacteriano se ha transformado en una fabrica de insulina. A continuación, solo resta purificar la insulina producida por las bacterias para uso médico.
La transformación bacteriana no solo ocurre como una técnica usada por los biólogos con fines médicos o productivos, sino que, además, ocurre de manera natural, aumentando la variabilidad genética de las bacterias.
Transferencia de insulina a bacterias
Esta técnica también se conoce como transferencia y clonamiento.
http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/img_c49/cuadro3.jpg (Enlace No Disponible)Conjugación bacteriana
Corresponde a otro mecanismo, a través del cual las bacterias transfieren ADN de una célula a otra. A diferencia de la transformación, en la conjugación es necesario el contacto físico entre dos bacterias, una donadora y otra receptora de material genético.
Por medio de este mecanismo, se puede transferir una gran cantidad de material genético. Las bacterias toman contacto, a través de una especie de tubo, llamado pili, por donde se traspasa el material genético.
Este fenómeno fue descubierto por Joshua Lederberg, en 1946. Este científico combinó, en un mismo tubo, dos cepas de bacterias con diferentes deficiencias en el uso de nutrientes. Ambas cepas por separado son incapaces de vivir y crecer en un medio con el nutriente para el cual son deficientes. Al mezclar las cepas, Lederberg observó que ambas vivían y crecían. La conclusión fue que el material genético pasó de una cepa a otra, transfiriéndose alelos normales, que anularon el efecto negativo producido por los alelos deficientes en la metabolización de los nutrientes. La conjugación, nombre con el que se conoce a este proceso de intercambio genético, es un fenómeno bacteriano que también ha sido aprovechado por los biotecnólogos, con el objeto de transformar cepas bacterianas.
Ver Animación Conjugación Bacteriana
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/Bacterial_Conjugation_Spanish.png/300px-Bacterial_Conjugation_Spanish.png (Enlace No Disponible)
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Los Virus
Los Virus
Los virus corresponden a estructuras compuestas por una cápsula proteica en cuyo interior se encuentra el material genético en forma de ADN o bien de ARN. Los virus no están formados por células y tampoco poseen enzimas en su interior que les permitan replicar y expresar su material genético. Por estos motivos, los virus no son considerados seres vivos, sino más bien partículas proteicas en tránsito.
Los virus dependen de las maquinarias de replicación y de expresión génica de las células que ellos infectan.
Esta estrategia les permite multiplicarse, pues las células infectadas expresan los genes virales produciendo nuevas proteínas que conformarán la pared de los nuevos virus, los que, a su vez, contienen en su interior, ADN replicado por las células hospederas.
Mientras algunos virus contienen ADN como material genético, otros presentan ARN. A los primeros, se les denomina virus ADN y a los segundos virus ARN. Algunos tipos de virus presentan una cubierta formada por fosfolípidos, que corresponden a fragmentos de membrana plasmática de las células que ellos infectan.
Fuente: imagen
Esquema de virus con cápside compleja
En la página http://descartes.cnice.mecd.es/Analisis/mod_fun_expolog_macr/DOS.htm encontraras una actividad en la que podrás ejercitar tus conocimientos acerca de la reproducción en las bacterias.
Virus ADN
Los virus ADN presentan un ciclo de vida que se inicia en su forma libre. La envoltura de los virus se fusiona con la membrana plasmática de las células, ingresando hacia el citoplasma, la cápsula proteica con el ADN en su interior.
Una vez en el citoplasma se libera el material genético que, entonces, ingresa al núcleo. Dentro del núcleo, el ADN viral es reconocido como parte del propio genoma por la célula hospedadora, replicando su ADN y transcribiendo sus genes.
El producto de la trascripción de los genes virales (ARNm) viaja al citoplasma en donde es traducido en los ribosomas de la célula. De esta manera, se produce una gran cantidad de proteínas virales. Las proteínas virales, así sintetizadas, viajan al núcleo y se ensamblan. Cada ensamblaje de proteínas virales deja en su interior una copia del genoma viral que ha sido replicado por la célula, originándose así nuevas copias del virus.
Estos nuevos virus son liberados fuera de la célula, pudiendo infectar nuevas células incrementando así su población dentro del organismo hospedero. Eventualmente, podrían salir de este último y colonizar un nuevo organismo. El paso desde un organismo a otro depende del mecanismo de infección del virus en particular.
Virus ARN
Los virus ARN infectan a las células hospederas de similar forma que los virus ADN, es decir, a través de la fusión de la cubierta del virus con la membrana plasmática de la célula. Una vez dentro de ella, se traduce el gen exclusivo y característico de estos virus: el gen codificante de la transcriptasa reversa.
La transcriptasa reversa es una enzima que sintetiza ADN usando como molde, ARN. La transcriptasa reversa sintetiza una copia del genoma viral, pero en versión ADN. Este ADN se incorpora al núcleo y luego se integra al genoma del hospedero, desde donde es replicado y trascrito. En el citoplasma, las nuevas proteínas virales se ensamblan, dejando en su interior una copia del genoma viral en forma de ARN, originándose, así, nuevas partículas virales, las que abandonan la célula por yemación, pudiendo colonizar nuevas células del mismo hospedero, o bien, un nuevo organismo.
Los virus, junto a las bacterias, son los principales agentes de infecciones en los animales y plantas. A continuación, analizaremos las propiedades del sistema encargado de combatir las infecciones provocadas por los microorganismos: el sistema inmune.
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Respuesta Inmune
Respuesta Inmune
El sistema inmune está presente en diferentes linajes de animales, por lo que su origen es muy antiguo. Este sistema tiene como función proteger al organismo frente a microorganismos exógenos, potencialmente infecciosos, así como frente a las sustancias tóxicas producidas por los mismos. Su función también suele definirse como la protección del organismo frente a las sustancias exógenas nocivas.
El sistema inmune está formado por diversos órganos, tipos celulares y moléculas que funcionan coordinadamente en la detección, eliminación y prevención de infecciones, principalmente. El estudio de este sistema ha permitido no solo su comprensión, sino también su manipulación en beneficio de la sociedad.
Un ejemplo de lo anterior, es la vacunación. La primera vacunación exitosa la realizó el médico Edward Jenner en 1798, quien había observado que los niños contagiados con viruela no desarrollaban jamás la enfermedad por segunda vez. Esta observación le sugirió que en nuestros organismos había algún mecanismo que combatía estas enfermedades y que presentaba algún tipo de memoria, de manera tal que las segundas infecciones eran combatidas exitosamente. Dicho mecanismo se conoce hoy como respuesta inmune. Para poner a prueba su hipótesis, Jenner tomó una muestra de tejido de una persona infectada con viruela y la inyectó a un niño sano. El niño no desarrolló la enfermedad, debido a que el virus que provoca la viruela estaba “debilitado”, como ocurre en las vacunas. Posteriormente, expuso al niño al agente de la viruela, pero este no se contagió, lo que le permitió validar su hipótesis e instituir el uso de las vacunas, como un medio de combate eficaz ante las enfermedades infecciosas.
Inmunidad Innata y Adaptativa
Hoy en día se reconocen dos tipos de inmunidad, presentes principalmente en los mamíferos: la inmunidad innata y la inmunidad adquirida.
La inmunidad innata es aquella con la que nacemos, y que es el resultado inmediato de la expresión de los genes que heredamos de nuestros padres.
La inmunidad innata está formada por barreras químicas y físicas, por proteínas sanguíneas y por células especializadas.
Las barreras son la piel, el epitelio mucoso y las sustancias químicas antimicrobianas (como por ejemplo el ácido clorhídrico del estómago).
Las proteínas corresponden al conjunto de proteínas del “complemento” nombre que designa a decenas de estas moléculas presentes en el plasma sanguíneo y que son capaces de reconocer y destruir directamente a un amplio conjunto de organismos extraños.
Las células que forman parte de la inmunidad innata corresponden a células capaces de ingerir células extrañas, es decir células fagocíticas como macrófagos, neutrófilos y células exterminadoras naturales (Natural killers en inglés).
La inmunidad adaptativa corresponde al tipo de inmunidad que se desarrolla durante la vida de cada individuo y que depende en gran medida de la historia de infecciones de cada organismo.
El sistema inmune se adapta a cada episodio de infección, combatiendo los agentes patógenos y “memorizando” estas experiencias.
Las barreras de este tipo de inmunidad corresponden al sistema inmunológico mucoso y cutáneo y a anticuerpos secretados por células especializadas llamadas linfocitos. La inmunidad adaptativa se caracteriza por su especificidad y memoria.
La especificidad corresponde a la capacidad de esta parte del sistema inmune de reconocer un agente infeccioso, respondiendo con una respuesta (moléculas de defensa) específica. La memoria de este sistema corresponde a la capacidad de almacenar información acerca de los agentes que han infectado al organismo, de manera que ante una segunda infección, el sistema inmune actúa de manera rápida y eficiente. Estas propiedades serán revisadas mas adelante en esta clase.
La inmunidad adaptativa, a diferencia de la inmunidad innata, presenta mayor especificidad ante microbios, capacidad de memoria, y es eficiente ante una diversidad más amplia de agentes infecciosos, entre otras características.
Niveles de organización del sistema inmune
Si bien en la defensa del organismo interviene una variedad de tejidos y órganos, el sistema inmune propiamente tal está formado por un conjunto definido de tipos celulares especializados en la defensa frente a agentes infecciosos.
Estas células forman parte de la sangre y de otros tipos de tejidos conectivos menos especializados, como aquellos que se encuentran bajo la epidermis de la piel y en la pared de los conductos del tubo digestivo y respiratorio.
Corresponde, en conjunto, a glóbulos blancos (o leucocitos) que se originan durante la vida adulta en la médula ósea de los huesos largos, como fémur, humero, etc., principalmente.
Órganos del sistema inmune
Varios órganos participan en la defensa frente a agentes infecciosos. Las redes de vasos sanguíneos y linfáticos que forman parte del sistema circulatorio corresponden a un elemento importante del sistema inmune, pues, a través de la sangre y la linfa, viajan los glóbulos blancos que son los encargados primarios de la respuesta inmune.
Por estas mismas vías (la sangre y la linfa) también se transportan las señales que activan a diferentes células del sistema inmune para reaccionar frente a una infección.
Por otra parte, la sangre y la linfa pasan por diversos órganos que funcionan como filtros de fluidos y maduración de glóbulos blancos: Los ganglios linfáticos. En estos órganos ocurre la génesis de linfocitos B y linfocitos T. En el timo, ocurre la maduración de los linfocitos T, función compartida con el bazo, órgano donde, además, maduran y se almacenan otros tipos de linfocitos.
Tomado de: http://www.bsponco.es/img/imagenesAreaPaciente/componentesSistemaLinf.jpg (Enlace No Disponible)
Componentes de la inmunidad innata
La inmunidad innata corresponde a un tipo primitivo de inmunidad, que es compartido por una diversidad de animales.
La fagocitosis es el principal mecanismo de defensa contra microbios en la inmunidad innata. La fagocitosis ocurre gracias a la capacidad de ciertos tipos celulares, como los macrófagos, de atrapar, ingerir y digerir células extrañas.La fagocitosis corresponde al principal medio de defensa contra microbios. A través de sistemas de reconocimiento de microorganismos, los fagocitos capturan e ingieren microorganismos patógenos. Las células fagocíticas representan la primera línea de defensa.
Ver Animación
Ver Animación Inmunidad InnataLas proteínas del complemento participan en la destrucción de microorganismos patógenos, a través de tres vías:
– Primero, produciendo la lisis directa de los microbios.
– Segundo, la unión de las proteínas del complemento con las células bacterianas constituye una señal que inicia una cascada de eventos, que culminan con la inflamación (o respuesta inflamatoria). La inflamación es un mecanismo efectivo para combatir microorganismos, pues consiste en la acumulación de diferentes tipos celulares del sistema inmune (linfocitos T y B, macrófagos, etc.) en la zona de infección.
Respuesta Inflamatoria
Activación sistema de complemento vía clásica– Finalmente, las proteínas del complemento, unidas a la membrana de microorganismos, son reconocidas por células fagocíticas, como neutrófilos y macrófagos.
Inmunidad adquirida humoral y celular
La inmunidad adquirida es frecuentemente dividida en dos tipos, la inmunidad humoral y la inmunidad celular. La inmunidad humoral corresponde a la respuesta inmune mediada por moléculas que se encuentran disueltas en el plasma o en el líquido intersticial. La inmunidad celular es efectuada directamente por células, principalmente linfocitos T y B.
La inmunidad humoral es efectiva, principalmente frente a infecciones bacterianas. Cuando ocurre una infección de este tipo, se produce la activación de los linfocitos B, los que producen anticuerpos.
Los anticuerpos son moléculas proteicas complejas que se unen a antígenos específicos. Dicho de otra forma, en nuestro cuerpo los linfocitos producen millones de anticuerpos diferentes, cada uno capaz de unirse a un solo tipo de antígeno. El antígeno es generalmente una molécula que se encuentra en la superficie del microorganismo, o bien una molécula que corresponde a un desecho metabólico de la bacteria y que actúa como una toxina para el hospedero.
La inmunidad celular está mediada principalmente por los linfocitos T. Estos linfocitos no reconocen antígenos solubles, sino solo fragmentos de proteínas que les son presentados por células auxiliares.
Los linfocitos T citotóxicos son capaces de reconocer antígenos de origen viral que se encuentran en la membrana de las células infectadas. Estos linfocitos reconocen las células infectadas, se unen a ellas y las destruyen.
Los linfocitos T ayudantes reconocen los antígenos de origen bacteriano, que han sido fagocitados por otras células del sistema inmune. Cuando los linfocitos T ayudantes reconocen a los antígenos, se activan, produciendo una serie de moléculas de señal llamadas citoquinas. Las citoquinas estimulan la diferenciación de los linfocitos B, es decir, el paso de los linfocitos B desde un estado inactivo a otro activo en la producción de anticuerpos. La activación de la producción de anticuerpos por los linfocitos B se produce debido a la expresión de los genes codificantes de anticuerpos. En síntesis, las citoquinas liberadas por los linfocitos T ayudantes estimulan la expresión génica de los genes para anticuerpos en los linfocitos B.
Cada vez que hay una infección, los linfocitos B y T que son capaces de reconocer el antígeno se multiplican. Una vez que la infección ha sido combatida, estos linfocitos permanecen en alto número en el sistema inmune.
De esta manera, cuando hay una segunda infección con el mismo antígeno, los linfocitos B y T actúan de manera rápida y eficiente.
Cuando un microorganismo presenta en su superficie, un antígeno complementario con un anticuerpo en un linfocito B, esta ultima célula se activa produciendo y liberando anticuerpos que se unirán a otras células microbianas. Los anticuerpos, así unidos a los microorganismos, producen la neutralización de las bacterias y de sus toxinas. Al mismo tiempo, los anticuerpos, unidos a la superficie de las bacterias, constituyen una señal para la acción de macrófagos.
Por otra parte, los anticuerpos presentan una región de unión a proteínas del complemento, originándose una triada: microorganismo – anticuerpo – proteína de complemento. La proteína de complemento se activa y produce a) la lisis directa de la bacteria; b) inicio de de una respuesta inflamatoria al activar a los neutrófilos.
Otra función de los anticuerpos es la facilitación de la fagocitosis por parte de las células especializadas en dicha función. Las células fagocíticas (macrófagos y neutrófilos) pueden efectivamente digerir células bacterianas no unidas a anticuerpos, pero este proceso es menos eficiente. Cuando los microorganismos están unidos a anticuerpos, las células fagocíticas se unen a dichos anticuerpos, siendo entonces capaces de ingerir y digerir un gran número de células bacterianas al mismo tiempo.
Animación 1
Animación 2
Animación 3
Animación 4Detección de antígenos
A los linfocitos T y B que nunca han tomado contacto con antígenosm se les denomina linfocitos vírgenes. La activación de los linfocitos vírgenes ocurre en los ganglios linfáticos, luego que estas células toman contacto con los determinantes antigénicos presentes en los agentes infecciosos.
El determinante antigénico es aquella región molecular (generalmente de una proteína) presente en el agente infeccioso que es complementaria con un determinado anticuerpo. Una vez que se produce la unión antígeno – anticuerpo, en los ganglios linfáticos, los linfocitos B con el anticuerpo apropiado maduran, se reproducen, crecen y expresan grandes cantidades del anticuerpo.
De esta manera un determinada “cepa” de linfocitos, aquella que presenta el anticuerpo adecuado para combatir al antígeno, es la “seleccionada” para reproducirse y participar en la defensa inmune. “Selección clonal” es el nombre con el que se conoce este modelo, el que se ha propuesto para explicar la extraordinaria especificidad de la respuesta inmune adaptativa, discutida anteriormente.
De acuerdo a este modelo, existe una población de células B en cada individuo, con diferentes tipos de anticuerpos. Es decir, la variabilidad de anticuerpos es previa al contacto con antígenos; es una característica innata (se nace con ella). Cuando un antígeno ingresa al organismo, este tiene una alta probabilidad de ser complementario al menos a uno de los millones de anticuerpos presentes (En la figura que se presenta más abajo, el antígeno resulta ser complementario a dos anticuerpos).
La selección clonal es un modelo bastante respaldado por los datos obtenidos en numerosos experimentos.
Este modelo permite, además, explicar la capacidad de memoria de la respuesta inmune adaptativa, pues luego responder ante la infección, una población de linfocitos B, portadores del anticuerpo específico contra el determinante antigénico, se mantienen en circulación. Así, ante una segunda infección con el mismo antígeno, inician una rápida y efectiva respuesta.
Selección Clonal
(Tomado de Matthews & van Holde. Bioquímica 2ª ed. 1998 McGraw-Hill-Interamericana de España,S.A.U.)
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Tema
Generalidades del sistema inmune.
Respuesta inflamatoria.
Sistema inmune y enfermedades.
Las bacterias.
Los virus. -
Enfermedades Infecciosas
Enfermedades Infecciosas
Como se vio en la Clase 8, cualquier microorganismo que provoca enfermedad, se denomina “patógeno”; en muchos casos, la conexión entre patógeno y enfermedad es altamente específica. Por ejemplo, la sífilis es causada por la bacteria Treponema pallidum.
Además, ciertos microorganismos que en condiciones normales no son patógenos, pueden producir enfermedad bajo ciertas circunstancias, como la depresión del sistema inmune o la presencia de otra enfermedad, constituyendo las llamadas enfermedades oportunistas.
Se denomina infección a la proliferación de microorganismos en el organismo, y se asocia a una enfermedad cuando el agente patógeno origina un daño o una lesión en el hospedero. La capacidad de un microorganismo patógeno para producir enfermedad se relaciona con su capacidad para evadir los sistemas de defensa del organismo y lograr multiplicarse.
Infecciones bacterianas
Una de las causas más frecuentes de enfermedad son las infecciones bacterianas. Si no existieran hoy sustancias que eliminan las bacterias (antibióticos y sulfas), estas enfermedades representarían un gran riesgo para la supervivencia de la población humana. De hecho, los fármacos contra las infecciones bacterianas son relativamente recientes. En general, empezaron a estar disponibles recién en el siglo XX. Anteriormente, muchas personas murieron por esta causa. . Por ejemplo, a mediados del siglo XIV, más de un cuarto de la población europea murió, en pocos años, debido a la peste bubónica.
Infecciones virales
Otra importante causa de enfermedad son las infecciones virales, cuyo agente patógeno son virus. Los virus están formados por proteínas y ácidos nucleicos: Los que contienen ARN como material genético se denominan retrovirus y los que contienen ADN, adenovirus.
Aunque no son considerados seres vivos, los virus manifiestan ciertas características de vida cuando se encuentran al interior de las células a las que infectan. Allí, son capaces de dirigir la maquinaria metabólica de la célula huésped y multiplicarse para seguir infectando otras células. El mecanismo de acción de los virus varía dependiendo de si contienen ADN o ARN. Un ejemplo de infección viral aguda es el
Hanta. Esta enfermedad es producida por un retrovirus conocido como hantavirus y es un síndrome pulmonar, que se inicia con síntomas similares a una gripe común, los que posteriormente se agudizan, produciéndose, además, un alza brusca de temperatura y dificultad para respirar, derivada de la acumulación de líquido en los pulmones.
El Hanta es una enfermedad grave, cuya mortalidad es del orden del 50%. Originalmente, se observó en Asia y desde hace algunos años, también está presente en Chile y otros países de América. Ratones silvestres de diferentes especies, como el ratón de cola larga, son reservorios del hantavirus y lo pueden transmitir al ser humano, por lo que las principales medidas de prevención apuntan a mantener libres de ratones los ambientes en que las personas viven o realizan sus actividades. Además, es importante el uso de detergentes y desinfectantes, como el cloro, para asear los lugares, pues estas sustancias eliminan al virus.
Tratamiento e inmunización contra enfermedades infecciosas
Antibióticos
Los antibióticos son sustancias utilizadas en el tratamiento de infecciones bacterianas. En general, los antibióticos actúan inhibiendo el crecimiento o la proliferación de las bacterias, o destruyéndolas.
Inicialmente, los antibióticos se obtenían de otros seres vivos, como los hongos que sintetizan penicilina. Posteriormente, empezaron a ser modificados químicamente para mejorar su potencia o aumentar su rango de acción. Actualmente, existen muchos antibióticos que son completamente sintéticos.
Los antibióticos actúan mediante diferentes mecanismos específicos, atacando distintas regiones o funciones de la célula bacteriana:
Pared: Bloquean su síntesis, lo que produce la lisis bacteriana.
Membrana plasmática: Rompen la bicapa lipídica de la membrana de bacterias Gram negativas.
Síntesis de proteínas: Actúan sobre diferentes porciones de los ribosomas.
Síntesis de ácidos nucleicos: Actúan de diferentes formas, por ejemplo, impidiendo la síntesis de purinas, el superenrrollamiento de las cadenas de ADN, o inhibiendo la girasa del ADN.Mecanismos de acción más comunes de algunos antibióticos.
En la siguiente dirección, puedes encontrar una completa tabla que resume el mecanismo de acción de muchos antibióticos. pincha aquí
Resistencia
Las bacterias poseen diversos mecanismos para contrarrestar la acción de los antibióticos. Algunos derivan de sus características constitutivas, como es el caso de la membrana de bacterias Gram negativas, que impiden que ciertos antibióticos encuentren el receptor adecuado para fijarse y ejercer su efecto.
Sin embargo, lo más preocupante desde el punto de vista sanitario es el desarrollo de resistencia adquirida, que se basa en la selección de cepas resistentes, motivada por la acción de los antibióticos, que actúa como presión selectiva. Un mal uso de antibióticos (tratamientos incompletos o el no cumplimiento de las dosis y los intervalos prescritos) puede resultar en la selección de cepas bacterianas resistentes, pues a menudo sobreviven ciertas variantes de bacterias que son capaces de resistir las concentraciones de antibiótico. Los genes que les otorgan resistencia, muchas veces están codificados en los plásmidos (segmentos de ADN extracromosómico), que se transfieren rápidamente de una bacteria a otra. En general, la resistencia adquirida de esta forma está más extendida en las bacterias Gram negativas, que realizan intercambio de plásmidos frecuentemente. Debido a esto, es muy importante identificar en forma previa al inicio del tratamiento, un antibiótico al que las bacterias que causan la enfermedad sean sensibles. Para este efecto, se realiza un test llamado
. También es fundamental cumplir los tratamientos de manera precisa.
En un antibiograma se utilizan placas Petri, en las que se cultiva una colonia bacteriana y luego se introducen círculos de papel embebidos en diferentes antibióticos, para evaluar su efectividad.
Si la bacteria es sensible a uno o más de los antibióticos usados, se observa, al cabo de un tiempo, un halo de inhibición (donde no se observa crecimiento bacteriano). El diámetro de este halo será tanto más grande cuanto más sensible sea la bacteria al antibiótico.
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Vacunas
Una de las estrategias de prevención de ciertas enfermedades infecciosas especialmente peligrosas, tanto bacterianas como virales, es la vacunación. La vacuna fue inventada por Edward Jenner (1749-1823), quien creó una vacuna contra la viruela. Las vacunas se administran por medio de una inyección o en forma líquida, por vía oral.
Las vacunas son preparados antigénicos que se realizan a partir de microorganismos, atenuados o muertos, que producen determinadas enfermedades. Los antígenos administrados en las vacunas generan respuesta inmune, es decir, estimulan al sistema inmunológico a producir anticuerpos contra esa enfermedad, pero no provocan la enfermedad.
La respuesta inmune generada induce una “memoria inmunológica” contra un microorganismo específico produciendo, en la mayoría de los casos, inmunidad permanente frente a la enfermedad por este agente.
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Alteraciones en el Funcionamiento del Sistema Inmune
Alteraciones en el Funcionamiento del Sistema Inmune
El sistema inmune es el encargado de neutralizar o eliminar los elementos extraños potencialmente dañinos que ingresan al organismo, tales como microorganismos, toxinas, y muchas veces, sangre o tejidos de otra persona. Sin embargo, este sistema también puede sufrir alteraciones que ocasionan enfermedad.
Las alteraciones del sistema inmune pueden estar relacionadas con déficit en su función, que es el caso de las inmunodeficiencias congénitas y adquiridas; con una respuesta exagerada frente a algún agente, como en las alergias; o con una reacción frente a los propios componentes del organismo, lo que se denomina autoinmunidad.
Inmunodeficiencias
Los trastornos por inmunodeficiencia se producen cuando la respuesta inmune está disminuida o ausente. La inmunodeficiencia puede afectar cualquiera de los componentes del sistema inmune, aunque se manifiesta con más frecuencia en el funcionamiento deficiente de los linfocitos T, B, o ambos.
Las principales consecuencias de la inmunodeficiencia son, entre otras, recuperación incompleta de las enfermedades; respuestas débiles a los tratamientos; aparición de infecciones persistentes o recurrentes; aparición de infecciones graves ocasionadas por organismos normalmente benignos; aumento de la incidencia de tumores y cáncer.
Algunas causas de las inmunodeficiencias son el efecto de la quimioterapia en el tratamiento de cáncer; defectos congénitos o hereditarios; y la infección con el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH).
Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA)
El Síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA) es producido por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), un retrovirus que infecta las células del sistema inmune, especialmente a los linfocitos T helpers o CD4, que participan, junto con los linfocitos B, en la producción de anticuerpos. La acción del VIH lleva a un desmantelamiento lento y gradual del sistema inmune, lo que finalmente conduce a la muerte por la acción de enfermedades oportunistas. El SIDA es una pandemia, que se extiende a gran velocidad, siendo hasta ahora la prevención, la principal herramienta para combatirlo.
Estructura del VIH. El VIH es un retrovirus limitado externamente por una bicapa lipídica llamada manto, que contiene glicoproteínas específicas, que le ayudan a ser reconocido por las células a las que infecta. Debajo del manto, se encuentran dos cubiertas proteicas diferentes, y en el interior, dos moléculas de ARN y enzimas (transcriptasa reversa, integrasa y ARNasa).
Multiplicación del virus al interior de las células. El principal mecanismo de contagio del VIH son las relaciones sexuales con personas infectadas. También puede ingresar al organismo por compartir agujas intravenosas, y puede transmitirse de una madre portadora a su bebé durante la gestación, el parto o la lactancia. Al encontrarse con las células blanco, se inicia la infección.
El virus se une a la superficie del linfocito y se funde con la membrana plasmática, vertiendo su contenido al citoplasma.
Luego, una enzima viral llamada transcriptasa reversa produce moléculas de ADN viral a partir del ARN del virus.
Una segunda enzima viral llamada integrasa incorpora el ADN viral al genoma del linfocito, donde permanece en un estado latente llamado provirus.
En algún momento, la célula infectada comienza a sintetizar proteínas virales y ARN viral a partir del ADN del provirus.
Una tercera enzima viral proteolítica (proteasa), corta las proteínas virales para que puedan unirse al RNA viral.
Los elementos virales se ensamblan y las nuevas partículas virales abandonan la célula huésped para infectar a otras células.
Fases de desarrollo del SIDA. El SIDA evoluciona en tres fases. La fase aguda se desarrolla aproximadamente durante los 3 meses posteriores de la infección y se caracteriza por síntomas como fiebre, inflamación de los ganglios linfáticos, cefalea y dolores musculares. La fase crónica puede durar varios años y se caracteriza por la disminución de los síntomas o la recuperación aparente, debido a la acción del sistema inmune. La tercera fase es el SIDA propiamente tal y se inicia cuando los linfocitos T están tan disminuidos que se puede decir que el sistema inmune ha sido derrotado. Otro indicador de la tercera fase es el comienzo de las enfermedades oportunistas, algunas tan graves como neumonía y toxoplasmosis. Normalmente, la sobrevida del enfermo de SIDA no es muy larga a partir de esta fase.
La duración de las fases de desarrollo del SIDA puede variar enormemente entre uno y otro paciente. Algunos pueden morir en el primer año de la infección por VIH, mientras que otros pueden mantenerse por 20 años o más.
Tratamiento. Los medicamentos que se utilizan actualmente para controlar el desarrollo del SIDA están dirigidos a bloquear la replicación intracelular del virus, inhibiendo dos de las enzimas virales fundamentales en este proceso, la transcriptasa reversa y la proteasa, aunque el tratamiento es demasiado costoso para su uso masivo.
Un factor que actúa en contra de un tratamiento definitivo es la aparición de resistencia a los fármacos, inducida por la exposición a ellos, especialmente al no seguir el tratamiento en forma exacta. Además, el VIH posee un alto grado de reproducción (en una persona infectada sin tratamiento, se generan hasta 10 millones de nuevas partículas virales cada día) y, como la replicación de su material genético no siempre es muy fiel, surgen variantes que pueden ser resistentes a los medicamentos.
El tratamiento ideal para el SIDA sería una vacuna que evite la unión del virus a la célula. Actualmente, se trabaja en su desarrollo, pero aún sin éxito.
Alergias
Las alergias se consideran un tipo de respuesta inmune exagerada frente a sustancias que no son potencialmente dañinas, como el polen. Las reacciones alérgicas o de hipersensibilidad no se desarrollan frente a la primera exposición al agente que las provoca (alergeno), sino posteriormente, desde una segunda exposición, cuando el sistema inmune reacciona.
La respuesta inmune a los alergenos incluye la activación de los linfocitos T helpers, que secretan citoquininas, las que activan, a su vez a los linfocitos B. Los linfocitos B producen un tipo especial de anticuerpos denominados IgE. Estos permanecen poco tiempo circulando, pero estimulan ciertas células sanguíneas que secretan diferentes sustancias (histaminas, serotonina, prostaglandinas), las que ocasionan la característica respuesta inflamatoria.
Algunas respuestas características de diferentes alergias son vasodilatación, aumento de la secreción de mucus, contracción de la musculatura bronquial, picazón e irritación de la piel y diarrea. Normalmente, las alergias se tratan con antihistamínicos y descongestionantes, en algunos casos.
Enfermedades autoinmunes
Las enfermedades autoinmunes se caracterizan porque el sistema inmune reacciona contra células del propio organismo, dejando de reconocerlas o confundiéndolas con agentes patógenos.
No se conocen completamente las causas que provocan las enfermedades autoinmunes. Se piensa que tal vez intervenga un mecanismo de “mimetismo”, en el que antígenos que normalmente inducen respuesta inmune, se asemejan a otros, presentes en las células orgánicas, lo que gatillaría la enfermedad.
Hay ciertas enfermedades autoinmunes específicas, en las que el sistema inmune solo reacciona contra ciertos tejidos u órganos. La miastenia y la diabetes Tipo I son ejemplos de este tipo de autoinmunidad. En tanto, otras son no específicas, produciéndose una respuesta inmune contra células presentes en diferentes partes del organismo, como es el caso del lupus eritematoso.
Rechazo inmune
El sistema inmune no solo reacciona contra microorganismos patógenos, sino también contra distintas sustancias pertenecientes a tejidos extraños. Esta respuesta puede producirse tanto en los trasplantes de órganos como en las transfusiones sanguíneas.
Trasplantes de órganos
Muchas veces, el mal funcionamiento de un órgano lleva a buscar como solución médica el incorporar un órgano sano proveniente de otra persona (donante), lo que se conoce como transplante de órganos.
A menudo, estos transplantes generan una respuesta del sistema inmune, conocida como rechazo, que está relacionada con ciertas glicoproteínas presentes en prácticamente todos los tejidos corporales (con excepción de los eritrocitos), llamadas complejo de histocompatibilidad mayor o CHM. Un grupo de proteínas de este complejo (clase I) están presentes en las células corporales en general y actúan como antígenos que son reconocidos por los linfocitos T del propio cuerpo; mientras que otro grupo de proteínas (clase II), median el reconocimiento de las células del sistema inmune entre sí. En general, todas las personas poseen diferentes antígenos de histocompatibilidad.
El rechazo del sistema inmune puede ser controlado, a través del uso de sustancias inmunosupresoras, como los corticoides y las ciclosporinas. Los primeros reducen el número de linfocitos circulantes, y las segundas disminuyen la producción de citoquinas específicas, con lo que bloquean la activación de los linfocitos T. Estas sustancias no alteran la actividad de los macrófagos ni de los neutrófilos, por lo que su uso no pone en riesgo al paciente.
Transfusiones sanguíneas
Muchas veces una persona recibe, como parte de un tratamiento, sangre proveniente de otras personas (dadores). Desde comienzos del siglo XX , se sabe que estas transfusiones requieren que exista compatibilidad entre la sangre del dador y del receptor, para que no se produzca el rechazo.
Los eritrocitos poseen diferentes antígenos. Un tipo de antígeno, en combinación con los anticuerpos presentes en el plasma, determina la existencia de los cuatro grupos sanguíneos: A, B, 0 y AB. La sangre del grupo A posee eritrocitos con antígeno A y plasma con anticuerpos Anti-B; la del grupo B posee eritrocitos con antígeno B y plasma con anticuerpos Anti-A; la del grupo AB posee eritrocitos con antígenos A y B y no tiene anticuerpos en el plasma; y la sangre del grupo 0 posee eritrocitos sin antígenos A o B y plasma con ambos anticuerpos, Anti-A y Anti-B.
Otro tipo de antígeno que pueden presentar los eritrocitos es el factor Rh. Este determina la existencia de sangre Rh positiva, si los eritrocitos presentan el antígeno Rh, y Rh negativa, si no lo presentan.
Al hacer una transfusión se debe evitar poner en contacto los antígenos que posee la sangre del dador con los anticuerpos respectivos de la sangre del receptor. La siguiente tabla ilustra la compatibilidad entre los grupos sanguíneos, considerando ambos antígenos.
Compatibilidad entre los grupos sanguíneos
**El grupo 0- que se consideraba donante universal, actualmente no se considera como tal, ya que otros factores pueden influir en esta compatibilidad.
Eritroblastosis fetal. Cuando la madre tiene sangre Rh-, puede tener hijos Rh positivos, si el padre es heterocigoto para este rasgo. Esta situación, unida a que en el último mes de embarazo, algunos eritrocitos provenientes del feto pueden ponerse en contacto con la sangre de la madre, determinan la probabilidad de que se genere una respuesta inmune en la madre, produciéndose anticuerpos anti-Rh en su sangre. Estos anticuerpos atraviesan la placenta y entran en la circulación fetal destruyendo los eritrocitos fetales, con resultados fatales. Esta patología se denomina eritroblastosis fetal.
También puede ocurrir que un primer hijo Rh+ de una madre Rh- no sufra consecuencias, porque la producción de anticuerpos anti Rh se inicie en la madre después del parto, por ejemplo. Sin embargo, como los anticuerpos permanecen en la circulación materna, un segundo hijo Rh+ podría desencadenar una respuesta inmune muy intensa y sufrir eritroblastosis fetal. Normalmente, se realiza un tratamiento preventivo en las madres Rh-, en el que se les administra suero con anticuerpos contra los glóbulos rojos fetales que pudieran entrar en su circulación; este los destruye evitando la respuesta inmune de la madre, y su inmunización contra futuros hijos Rh+.
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 4
Completa el siguiente esquema con los conceptos faltantes en los recuadros vacíos.
1 = innata; 2 = activa; 3 = pasiva.
Ejercicios
Ejercicio Nº 2
El siguiente gráfico representa la curva de crecimiento de una población bacteriana A y de una población B de la misma especie, pero que han crecido en diferentes condiciones de laboratorio.
Respecto de la información que contiene, es correcto afirmar lo siguiente:
I. La cepa A presenta una etapa estacionaria mayor
II. Las cepas presentan una etapa de latencia de igual duración
III. La cepa B muere antes
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) Solo I y II
E) I y III
Esta pregunta esta destinada a evaluar el manejo de conocimientos acerca del ciclo de vida de las bacterias, así como también la capacidad de interpretación de gráficos. La curva de la población B se diferencia de A en que las etapas de latencia y estacionaria son mas breves. Es decir, la población B empieza antes su crecimiento logarítmico, pero al llegar al máximo, la cepa se mantiene por un tiempo más corto en estado estacionario y luego, muere rápidamente.
Respuesta correcta : Alternativa E
Ejercicio Nº 6
El siguiente grafico muestra los resultados de un experimento en el que los niveles de dos anticuerpos, A y B, fueron medidos, luego de la exposición a los respectivos antígenos.
El nivel de anticuerpos A alcanzado en la segunda exposición se debe a:
A) El aumento de antígenos en el organismo.
B) Presencia de células de memoria.
C) Activación de células T.
D) Inmunidad pasiva.
E) Respuesta autoinmune.
El máximo en la secreción de anticuerpos, alcanzado luego de la segunda infección, se debe a que las células de memoria se han diferenciado y multiplicado durante la primera infección. De esta manera, en la segunda infección el sistema inmune cuenta con el “armamento” preparado para enfrentar de manera rápida y eficiente a los antígenos.
Respuesta correcta : Alternativa B
Ejercicio Nº 7
El siguiente grafico muestra los resultados de un experimento en el que los niveles de dos anticuerpos, A y B, fueron medidos, luego de la exposición a los respectivos antígenos.
La respuesta secundaria respecto de la respuesta primaria corresponde al siguiente porcentaje
A) 0.001%
B) 0.01 %
C) 10 %
D) 100 %
E) 1000 %
Además de la correcta interpretación del grafico y la comprensión de las diferencias entre las respuestas primarias y secundarias frente a antígenos, para responder esta pregunta se deben realizar cálculos básicos de porcentajes. La respuesta secundaria consistió en la secreción de alrededor de 10 mil anticuerpos por unidad de sangre. En la respuesta primaria, hubo tan solo 10 anticuerpos por unidad de sangre. De esta manera, en la respuesta secundaria hubo 1000% más producción de anticuerpos pues 10000/10=1000.
Respuesta correcta : Alternativa E