Exercicis de microbiologia — Biologia 2n Batxillerat

Bacteris i arqueus (procariotes), i fongs microscòpics com els llevats i les floridures, i protists com les microalgues i els protozous (eucariotes). Els virus s'estudien amb els microorganismes, però no són cèl·lules.

Els grampositius, de color violeta; els gramnegatius, de color rosat o vermellós.

Perquè, tot i que uns pocs causen malalties, la majoria ens són útils: fan aliments (pa, iogurt, vi), produeixen medicaments (antibiòtics, insulina), depuren les aigües i reciclen la matèria de la natura. Depenem d'ells cada dia molt més del que els tenim per enemics.

(1) Estreptococs: cocs que es divideixen sempre en el mateix pla i que es queden units en cadena.
(2) Estafilococs: cocs que es divideixen en plans diferents, a l'atzar, i formen raïms.
(3) Bacils: bacteris en forma de bastó.
(4) Vibrions: bastons corbats en forma de coma.
(5) Diplococs: cocs de dos en dos, que han fet una sola divisió i no s'han separat.
L'agrupació depèn dels plans de divisió i del fet que les cèl·lules filles no se separin després de la bipartició; la forma de cada cèl·lula la determina la paret cel·lular. L'espiril (forma d'espiral rígida) no apareix en cap de les mostres.

Càpsula → (5): capa externa de polisacàrids que dificulta que els fagòcits reconeguin i engoleixin el bacteri; sovint és un factor de virulència.
Flagel → (4): filament de flagel·lina que gira com una hèlix i impulsa la cèl·lula.
Fímbries (pili) → (1): filaments curts d'adhesió; el pili sexual, a més, uneix dos bacteris durant la conjugació.
Plasmidi → (7): DNA circular extracromosòmic amb replicació pròpia, que es pot transferir per conjugació.
Endòspora → (3): forma de resistència, no de reproducció: d'una cèl·lula en surt una sola espora.
Nucleoide → (2): el cromosoma bacterià no està envoltat per cap membrana nuclear.
Ribosomes 70S → (6): més petits que els 80S dels eucariotes; per això alguns antibiòtics (estreptomicina, tetraciclines) els poden bloquejar sense afectar els nostres.

a) Falsa. Hi ha virus de DNA (herpes, bacteriòfag T4) i virus de RNA (grip, VIH, virus del mosaic del tabac); un virus mai no té els dos tipus d'àcid nucleic alhora.
b) Certa. Els virus només porten el genoma, la càpsida i, en alguns casos, un embolcall i uns pocs enzims; no tenen ribosomes ni metabolisme propi, i per això són paràsits intracel·lulars obligats.
c) Certa. Els bacteriòfags (fags) injecten el seu genoma dins del bacteri i en fan servir la maquinària per replicar-se; s'estudien com a alternativa als antibiòtics (fagoteràpia).
d) Falsa. Els antibiòtics actuen sobre estructures o processos propis dels bacteris (paret de peptidoglicà, ribosomes 70S); els virus no en tenen, de manera que l'antibiòtic no els afecta. Contra els virus hi ha antivirals i, sobretot, vacunes.

El peptidoglicà forma la paret bacteriana, que aguanta la pressió osmòtica interna. Un bacteri que creix ha de fabricar paret nova; si no pot tancar els enllaços, la paret queda feble, l'aigua entra per osmosi i la cèl·lula s'infla i esclata (lisi osmòtica).
Les cèl·lules humanes no tenen paret cel·lular ni peptidoglicà, de manera que l'antibiòtic no hi troba cap diana: és un exemple de toxicitat selectiva.
El refredat el causen virus, que no tenen paret ni metabolisme propi; l'antibiòtic no els afecta. Prendre'l per a un refredat només afavoreix la selecció de bacteris resistents dins de la nostra microbiota.
Observació: l'antibiòtic és poc eficaç sobre bacteris que no es divideixen, perquè aquests no fabriquen paret nova.

A: aerobi estricte. Necessita $O_{2}$ com a acceptor final d'electrons de la respiració aeròbica i només creix on n'hi ha, a prop de la superfície.
B: anaerobi estricte. L'oxigen li és tòxic (no té enzims com la catalasa o la superòxid-dismutasa per eliminar-ne els derivats reactius) i només creix al fons, on no n'arriba; obté l'energia per fermentació o per respiració anaeròbica.
C: anaerobi facultatiu. Pot créixer amb oxigen o sense; creix més a la superfície perquè la respiració aeròbica dona molta més energia (de l'ordre de 30 ATP per glucosa) que la fermentació (2 ATP), i al fons es manté fermentant.
Error típic: dir que el bacteri C «prefereix» el fons; la densitat més gran a dalt indica que, quan pot, respira.

Funcions: (1) nutrició: fermenten la fibra que no podem digerir i produeixen àcids grassos de cadena curta i vitamines (K i algunes del grup B); (2) protecció: ocupen l'espai i els nutrients i produeixen substàncies que impedeixen que s'hi instal·lin patògens (efecte barrera), i a més estimulen la maduració del sistema immunitari.
Un antibiòtic d'ampli espectre mata molts bacteris de la microbiota, no només el patogen. En desaparèixer la competència, poden proliferar microorganismes oportunistes que l'antibiòtic no afecta, com bacteris resistents del gènere Clostridioides (diarrea) o el llevat Candida, que és un fong i no té cap de les dianes dels antibiòtics.
Per això es recomana fer servir antibiòtics d'espectre reduït quan es coneix el patogen responsable.

Ordre: c → d → a → b.
1r (c): el microorganisme sospitós ha d'estar present en tots els casos de la malaltia i absent en els individus sans.
2n (d): s'ha de poder aïllar del malalt i cultivar en cultiu pur, sense cap altre microorganisme.
3r (a): en inocular el cultiu pur a un hoste sa i sensible, hi ha d'aparèixer la mateixa malaltia.
4t (b): del nou malalt s'ha de tornar a aïllar el mateix microorganisme, cosa que tanca el cercle causa-efecte.
Limitacions: hi ha patògens que no es poden cultivar en medis artificials (virus, el bacil de la lepra), hi ha portadors sans i hi ha malalties causades per més d'un agent alhora.

(a) A favor del primer: a més de material genètic, tenen informació per fabricar còpies d'ells mateixos i muten, i per tant la selecció natural hi actua (per això apareixen variants noves de la grip o del SARS-CoV-2). A favor del segon: no tenen estructura cel·lular ni metabolisme propi (no fan respiració ni fabriquen ATP), no creixen i no tenen ribosomes, de manera que no poden fabricar ni una proteïna sense una cèl·lula. (b) Com a paràsits intracel·lulars obligats: entitats acel·lulars que només es reprodueixen dins d'una cèl·lula hoste, en el límit de la definició d'ésser viu.

Autòtrofs: la microalga fotosintètica (fabrica matèria orgànica amb llum) i el bacteri quimiosintètic (la fabrica amb energia de reaccions químiques). Heteròtrof: el bacteri que descompon restes orgàniques (pren la matèria orgànica ja feta).

En medicina: la producció d'antibiòtics (com la penicil·lina) per combatre infeccions, o de medicaments com la insulina amb bacteris modificats. En el medi ambient: la depuració d'aigües residuals, on bacteris descomponen la matèria orgànica.

(a) TRANSFORMACIÓ: el bacteri capta DNA LLIURE del medi, procedent de cèl·lules mortes que s'han trencat i n'han alliberat el contingut. És l'experiment clàssic que va permetre identificar el DNA com a material hereditari. (b) TRANSDUCCIÓ: el vehicle és un VIRUS bacteriòfag que, per error en l'empaquetament, s'emporta DNA de l'hoste i el trasllada al següent bacteri que infecta. (c) CONJUGACIÓ: hi ha CONTACTE DIRECTE entre dos bacteris vius mitjançant un pèl sexual, i el que es transfereix és un plasmidi. La clau per no equivocar-se és preguntar-se D'ON VE el DNA i COM hi arriba: del medi (transformació), dins d'un virus (transducció) o d'un altre bacteri per contacte (conjugació).

a) El nombre de cèl·lules es duplica a cada generació: N = $N_{0}$·$2^{n}$. Quocient: 1,28·$\tfrac{10^{6}}{2}$·$10^{4}$ = 64 = $2^{6}$, de manera que n = 6 generacions.
Temps de generació: g = 180 min / 6 = 30 min.
b) En 5 h hi ha $\tfrac{300}{30} = 10$ generacions: N = 2·$10^{4}$·$2^{10}$ = 2·$10^{4}$·1024 ≈ 2,05·$10^{7}$ cèl·lules/mL.
Comprovació: de 3 h a 5 h hi ha 4 generacions més: 1,28·$10^{6}$·16 = 2,05·$10^{7}$.
Error típic: dividir les 3 h entre el factor 64 en lloc d'entre el nombre de duplicacions (6).

a) 0–1 h: fase de latència; la població no creix perquè els bacteris s'adapten al medi nou i sintetitzen els enzims que necessiten. 1–5 h: fase exponencial; la població es multiplica per 4 cada hora, els bacteris es divideixen a un ritme constant i màxim. 5–8 h: fase estacionària; el nombre es manté perquè s'esgoten nutrients, s'acumulen residus i les divisions compensen les morts. 8–12 h: fase de mort; les morts superen les divisions i la població disminueix.
b) En la fase exponencial la població es multiplica per 4 = 2² cada hora: 2 generacions per hora, g = 60/2 = 30 min.
Comprovació: de 1 h a 5 h hi ha 8 generacions i 1·10⁵·2⁸ = 2,56·10⁷ ≈ 2,6·10⁷.
c) En la fase exponencial: els antibiòtics que bloquegen la síntesi de peptidoglicà només actuen sobre cèl·lules que fabriquen paret nova, és a dir, que es divideixen. En les fases de latència o estacionària gairebé no hi ha divisions i l'efecte és mínim.

a) Tres dilucions $\tfrac{1}{10}$ donen un factor de dilució total de $10^{-3}$ (la mostra queda 1000 vegades més diluïda).
Concentració a la placa: 45 colònies / 0,1 mL = 450 UFC/mL de la dilució.
Mostra original: 450 · 1000 = 4,5·$10^{5}$ UFC/mL.
b) Cada colònia prové d'una cèl·lula viable (o d'un grupet de cèl·lules unides) capaç de dividir-se en aquell medi: no es compten les cèl·lules mortes ni les que no creixen en aquestes condicions, i per això es parla d'unitats formadores de colònies. Cal diluir perquè, si se sembrés la mostra directa, les 450000 cèl·lules per mL donarien una gespa contínua impossible de comptar; es busca una placa amb entre 30 i 300 colònies.
Error típic: oblidar el volum sembrat (0,1 mL) i donar 45000 UFC/mL.

(1) Fixació biològica del nitrogen: N₂ → NH₃, gràcies a l'enzim nitrogenasa; Rhizobium viu en simbiosi amb la lleguminosa (en rep sucres i li aporta nitrogen assimilable).
(2) Nitrificació: NH₄⁺ → NO₂^- (Nitrosomonas) i NO₂^- → NO₃^- (Nitrobacter). Són quimioautòtrofs (quimiolitòtrofs): obtenen l'energia d'oxidar compostos inorgànics i el carboni del CO₂; necessiten oxigen.
(3) Desnitrificació: NO₃^- → N₂; el nitrat fa d'acceptor final d'electrons en una respiració anaeròbica.
(4) Amonificació (mineralització): proteïnes → NH₄⁺.
El procés que fa perdre nitrogen és la desnitrificació, perquè retorna N₂ a l'atmosfera, que les plantes no poden assimilar. El pagès l'evita drenant i llaurant el sòl perquè estigui airejat (sense oxigen els desnitrificants respiren nitrat), i pot guanyar nitrogen sembrant lleguminoses en rotació.

a) Primer grup: cicle lític. Etapes: adsorció (fixació a receptors de la paret), penetració (injecció del DNA; la càpsida queda fora), eclipsi o síntesi (el DNA víric dirigeix la fabricació de còpies del genoma i de proteïnes de la càpsida), acoblament dels virions i lisi (una lisozima vírica trenca la paret i s'alliberen centenars de fags). Segon grup: cicle lisogènic: el DNA del fag s'integra al cromosoma bacterià i s'hi queda inactiu.
b) El profag és el DNA víric integrat al cromosoma del bacteri. Com que es replica amb el cromosoma a cada bipartició, totes les cèl·lules filles l'hereten (bacteris lisògens), sense que es produeixin virions ni lisi.
c) La radiació UV danya el DNA del bacteri i activa la resposta de reparació (sistema SOS); aquest senyal inactiva el repressor que mantenia el profag silenciat, el profag s'escindeix del cromosoma i entra en cicle lític (inducció): el virus «fuig» d'una cèl·lula que pot morir.

a) Grip: virus de RNA, amb embolcall, hoste animal (cèl·lules epitelials de les vies respiratòries). T4: virus de DNA, sense embolcall (virus nu), hoste bacterià (E. coli). Mosaic del tabac: virus de RNA, nu, hoste vegetal.
b) L'embolcall és un fragment de la membrana plasmàtica de la cèl·lula hoste que el virus s'emporta en sortir-ne per gemmació; per això conté lípids cel·lulars. Les glicoproteïnes víriques inserides a l'embolcall reconeixen els receptors de la cèl·lula (hemaglutinina) i ajuden a alliberar els virions nous (neuraminidasa); també són els antígens que reconeix el sistema immunitari i que canvien d'una temporada a l'altra.
c) El bacteri té una paret gruixuda que el virus no pot travessar sencer: la cua s'hi fixa, es contrau i injecta només el DNA, i la càpsida queda fora. El virus de la grip entra sencer a la cèl·lula animal, que no té paret, per fusió de l'embolcall o per endocitosi, i la càpsida es desfà dins del citoplasma.

a) Iogurt: fermentació làctica; glucosa (procedent de la lactosa) → 2 àcid làctic, amb un guany net de 2 ATP. Pa: fermentació alcohòlica; glucosa → 2 etanol + 2 CO₂, també amb 2 ATP.
b) L'àcid làctic abaixa el pH; en un pH àcid la caseïna de la llet es desnaturalitza i precipita, de manera que la llet coagula (es torna espessa) i agafa gust àcid. Al pa, el CO₂ queda atrapat a la xarxa de gluten i forma bombolles que fan pujar la massa; l'etanol s'evapora en coure.
c) No necessiten oxigen: són processos anaeròbics en què l'acceptor final d'electrons és una molècula orgànica (el piruvat o l'acetaldehid), que serveix per regenerar el NAD⁺ i poder continuar la glucòlisi. Com que la glucosa no s'oxida del tot fins a CO₂, només s'obtenen els 2 ATP de la glucòlisi, en lloc de les desenes d'ATP de la respiració aeròbica; per això els fermentadors consumeixen molt substrat.

(a) Comparteixen l'organització PROCARIOTA: no tenen nucli (el DNA és lliure al citoplasma, en un cromosoma circular), no tenen orgànuls envoltats de membrana, són unicel·lulars i de mida petita, i es divideixen per bipartició. (b) Dues diferències: la PARET dels arqueus no té peptidoglicà (la dels bacteris sí), de manera que no es poden classificar amb la tinció de Gram de la mateixa manera ni els afecten els antibiòtics que ataquen el peptidoglicà; i els LÍPIDS de la seva membrana són diferents, amb enllaços més estables que els permeten viure en ambients extrems (alta temperatura, salinitat o acidesa). (c) La maquinària d'expressió gènica: la RNA polimerasa i els mecanismes de transcripció i traducció dels arqueus s'assemblen molt més als dels eucariotes que als dels bacteris. Això implica que els arqueus i els eucariotes comparteixen un avantpassat comú MÉS RECENT entre ells que amb els bacteris: filogenèticament, els arqueus no són «un tipus de bacteri» sinó un domini a part, més proper a nosaltres que als bacteris. (d) L'ESPÈCIE és el nivell taxonòmic que agrupa individus amb les mateixes característiques essencials. La SOCA és una variant concreta dins d'una espècie, amb alguna propietat particular (patogenicitat, resistència a un antibiòtic, capacitat de fermentar un sucre), habitualment aïllada d'un lloc concret. Dues soques d'Escherichia coli poden ser una inofensiva i l'altra causar una intoxicació greu.

1. Cristall violeta: tots dos es tenyeixen de violeta.
2. Lugol (iode): forma un complex gran amb el violeta, dins de tots dos.
3. Alcohol (decoloració): al grampositiu, la capa gruixuda de peptidoglicà es deshidrata i reté el complex, i continua violeta. Al gramnegatiu, l'alcohol dissol la membrana externa i la capa fina de peptidoglicà no reté el complex: queda incolor.
4. Safranina (colorant de contrast): el gramnegatiu, incolor, es tenyeix de rosat; el grampositiu ja era violeta i ho continua sent.

En una hora hi ha tres períodes de 20 minuts, així que es divideix 3 vegades.
Cada divisió dobla el nombre: 1 → 2 → 4 → 8.
Al cap d'una hora hi haurà 8 bacteris (és a dir, $2^{3}$). Aquest creixement exponencial explica per què les poblacions bacterianes es disparen tan de pressa.

a) Les colònies resistents apareixen a les mateixes posicions en totes les còpies, i les colònies originals, que mai no han tocat l'antibiòtic, ja eren resistents. Per tant, la resistència prové de mutacions espontànies i a l'atzar que ja existien abans del contacte amb l'estreptomicina: l'antibiòtic no la indueix, només selecciona els mutants (la resta mor) i fa que es reprodueixin. És selecció natural, no adaptació dirigida per l'ambient.
b) Transferència horitzontal: conjugació (un plasmidi R passa d'un bacteri a un altre pel pili sexual, fins i tot entre espècies diferents), transformació (captació de DNA lliure de bacteris morts) i transducció (un bacteriòfag transporta el gen). Els transposons permeten que el gen salti del cromosoma a un plasmidi.
c) Al tercer dia han mort els bacteris més sensibles, però en poden quedar de menys sensibles o resistents que el sistema immunitari encara no ha eliminat. Sense antibiòtic es multipliquen, la infecció pot recaure i llavors estarà dominada per bacteris més resistents, més difícils de tractar. A més, el pacient pot transmetre aquests bacteris resistents a altres persones, i els gens de resistència poden passar a la microbiota de la comunitat.

a) La transcriptasa inversa copia el RNA víric a DNA bicatenari; la integrasa insereix aquest DNA al cromosoma del limfòcit (provirus); la proteasa talla les poliproteïnes víriques en les proteïnes madures de la càpsida i els enzims, pas necessari perquè els virions nous siguin infecciosos. El dogma central estableix el flux DNA → RNA → proteïna; la transcriptasa inversa fa el pas RNA → DNA, en sentit contrari.
b) Cada cicle de replicació genera mutacions; dins d'un mateix pacient hi ha una població de variants. Apareixen ràpidament mutants resistents a un sol fàrmac, de manera que cal combinar tres o més antiretrovirals amb dianes diferents (teràpia combinada). Les proteïnes de l'embolcall canvien contínuament, i els anticossos generats per una vacuna deixen de reconèixer les variants noves; per això encara no hi ha una vacuna eficaç.
c) Les cèl·lules humanes no tenen transcriptasa inversa, integrasa ni aquesta proteasa vírica: els inhibidors tenen una diana específica del virus (toxicitat selectiva). Però el provirus integrat en limfòcits en repòs (reservoris latents) no s'expressa, els fàrmacs només actuen sobre la replicació activa i el sistema immunitari no detecta aquestes cèl·lules; si s'atura el tractament, el virus torna a replicar-se.

a) La penicil·lina ha d'arribar al peptidoglicà per bloquejar-ne la síntesi. En els grampositius la capa de peptidoglicà és externa i accessible. En els gramnegatius la membrana externa fa de barrera: només hi entren les molècules que travessen les porines, i a més moltes soques tenen beta-lactamases a l'espai periplasmàtic que destrueixen l'antibiòtic.
b) Actua millor sobre els grampositius, pel mateix motiu: el peptidoglicà hi està exposat; en els gramnegatius la membrana externa impedeix que la lisozima hi arribi. Si es destrueix la paret d'un bacteri en un medi hipotònic, l'aigua entra per osmosi, la membrana plasmàtica no pot aguantar la pressió i la cèl·lula esclata (lisi); en un medi isotònic sobreviuria com a protoplast esfèric.
c) L'antibiòtic mata i lisa els bacteris, i en trencar-se la membrana externa s'allibera de cop una gran quantitat de LPS (endotoxina), que fins llavors estava lligada a la cèl·lula. El LPS activa massivament els macròfags, que secreten citocines (febre, vasodilatació i caiguda de la pressió: xoc sèptic). A diferència de les exotoxines, l'endotoxina no és secretada: forma part de l'estructura i s'allibera quan el bacteri mor.

a) Els bacteris heteròtrofs aerobis dels flòculs degraden la matèria orgànica dissolta (la fan servir com a font de carboni i d'energia) i la converteixen en CO₂, aigua i més biomassa bacteriana, que decanta i se separa de l'aigua. També hi ha protozous que mengen bacteris lliures i bacteris nitrificants que oxiden l'amoni. Cal airejar perquè la respiració aeròbica consumeix oxigen i és la via més ràpida i completa de degradar la matèria orgànica.
b) Sense aireació els aerobis deixen de respirar i es frenen; només actuen fermentadors i anaerobis, més lents i amb productes mal olorosos (àcids, sulfur d'hidrogen). L'aigua de sortida tindrà més matèria orgànica i més amoni, és a dir, una demanda d'oxigen més alta.
c) El metà el produeixen les arquees metanògenes (domini Archaea), anaerobis estrictes que obtenen energia reduint CO₂ amb H₂ o descomponent acetat. Treballar sense oxigen permet estabilitzar els fangs i, a més, obtenir un combustible (biogàs) per generar electricitat a la mateixa planta; en presència d'oxigen aquests microorganismes moren.
d) Els microorganismes aerobis del riu degraden la matèria orgànica abocada i consumeixen l'oxigen dissolt més de pressa del que es reposa; els peixos moren per falta d'oxigen, no per toxicitat directa de la matèria orgànica.

a) Cada minut la població es divideix per 10: després de 4 min, N = 10⁶/10⁴ = 10² = 100 bacteris/mL. Per arribar a 1 bacteri/mL (10⁰) cal reduir sis ordres de magnitud: 6 minuts. Comprovació: 10⁶/10⁶ = 1.
b) La pasteurització (72 °C, 15 s) mata els patògens no esporulats i redueix molt la població, però no elimina ni tots els bacteris ni les endòspores, molt resistents a la calor; els supervivents es multipliquen, i per això la llet s'ha de refrigerar (el fred frena el creixement) i caduca aviat. La UHT, a 140 °C, destrueix també les endòspores en pocs segons: la llet queda comercialment estèril i, envasada asèpticament, no necessita fred.
c) A 100 °C les endòspores de Bacillus i Clostridium poden sobreviure hores; a l'autoclau, el vapor a pressió assoleix 121 °C i les mata en 15–20 min. Esterilització (eliminació de tota forma de vida, espores incloses): UHT i autoclau. La pasteurització no és esterilització: només redueix la càrrega microbiana i elimina els patògens.

a) Totes dues coses. És selectiu perquè les sals biliars i el cristall violeta inhibeixen els grampositius i només hi creixen gramnegatius; és diferencial perquè la lactosa i l'indicador permeten distingir, pel color, els bacteris que fermenten la lactosa dels que no.
b) Els coliforms fermenten la lactosa i produeixen àcids que abaixen el pH; l'indicador vira i la colònia es veu vermella. Les colònies incolores són gramnegatius que no fermenten la lactosa (per exemple Pseudomonas o Salmonella): han crescut perquè el medi no els inhibeix, però no acidifiquen el medi.
c) No es pot beure: hi ha 30 coliforms en només 1 mL, és a dir, uns 3000 per 100 mL, molt per sobre del límit. E. coli és un indicador de contaminació fecal recent: és abundant als excrements, fàcil i ràpid de detectar amb un medi senzill, i la seva presència indica que l'aigua també pot portar patògens fecals (Salmonella, virus, protozous), que són escassos, difícils de cultivar i perillosos de manipular.
d) Els coliforms d'origen fecal són mesòfils adaptats a la temperatura corporal; a 37 °C creixen ràpidament, mentre que molts bacteris ambientals de l'aigua freda creixen millor a 20 °C. Així es redueix la interferència de la flora ambiental.

a) Matràs A: 3,2·10⁶ / 5,0·10⁴ = 64 = 2⁶ → 6 generacions en 120 min; temps de generació g = 120/6 = 20 min.
Matràs B: 4,0·10⁵ / 5,0·10⁴ = 8 = 2³ → 3 generacions en 120 min; g = 120/3 = 40 min.
b) Amb oxigen, el bacteri fa la respiració aeròbica: la glucosa s'oxida completament a CO₂ (glucòlisi, cicle de Krebs i cadena respiratòria amb l'O₂ com a acceptor final) i s'obtenen uns 30 ATP per glucosa. Sense oxigen ha de fermentar: només obté els 2 ATP nets de la glucòlisi, i el piruvat es redueix (a lactat, etanol o àcids orgànics) per regenerar el NAD⁺. Amb més ATP per unitat de temps, la cèl·lula pot sintetitzar més de pressa proteïnes, àcids nucleics i membranes, i es divideix abans; amb més ATP per glucosa, la mateixa quantitat de glucosa permet fabricar més cèl·lules.
c) La densitat final no és proporcional només a l'ATP: 1) part de la glucosa no es fa servir per obtenir energia, sinó com a font de carboni per construir la biomassa (esquelets carbonats), i aquesta part és similar en les dues condicions; per tant, la diferència en biomassa és menor que la diferència en ATP. 2) En el matràs B, el creixement pot aturar-se abans que s'acabi la glucosa, perquè els productes de fermentació (àcids orgànics) acidifiquen el medi (el pH baixa a 4,8) i inhibeixen els enzims; així, no tota la glucosa arriba a aprofitar-se.
d) Quan el creixement de B s'atura, es mesura la glucosa que queda al medi. Després es reparteix el cultiu en tres matrassos: 1) s'hi afegeix glucosa; 2) s'hi afegeix una base o un tampó fins a pH 7,0, sense afegir-hi glucosa; 3) control sense cap addició (amb el mateix volum d'aigua estèril). Si el creixement es reprèn només en neutralitzar el pH, el factor limitant era l'acidificació; si es reprèn només afegint glucosa, era l'esgotament del substrat. Cal fer rèpliques i mantenir constants la temperatura i l'absència d'oxigen.

Errors típics

• Calcular el temps de generació dividint el temps per l'augment de cèl·lules (120/64) en lloc de pel nombre de generacions.
• Pensar que la fermentació no produeix ATP o que el bacteri «respira» sense oxigen fent servir el CO₂.
• Suposar que la biomassa ha de ser exactament proporcional a l'ATP obtingut.

Conceptes treballats: creixement bacterià i temps de generació; respiració aeròbica i fermentació; balanç energètic; bacteris anaerobis facultatius; disseny experimental amb control

a) Soca A: CMI = 4 µg/mL (el primer tub transparent) → sensible (4 ≤ 8). Soca B: CMI = 64 µg/mL → resistent (64 > 16). La CMI ha augmentat 64/4 = 16 vegades.
b) El tub amb bacteris sense antibiòtic és el control positiu de creixement: demostra que l'inòcul és viable i que el medi i la incubació permeten créixer; si no s'enterbolís, cap resultat seria vàlid. El tub amb antibiòtic sense bacteris és el control d'esterilitat: demostra que el medi no estava contaminat i que la terbolesa dels altres tubs és deguda als bacteris inoculats.
c) A 4 i 8 µg/mL l'antibiòtic inhibeix el creixement, però no mata tots els bacteris: quan es treuen de l'antibiòtic, tornen a créixer (efecte bacteriostàtic a aquestes concentracions). A partir de 16 µg/mL no en sobreviu cap: la concentració mínima bactericida (CMB) és 16 µg/mL. Com que CMB/CMI = 16/4 = 4, segons el criteri donat l'antibiòtic es considera bactericida per a aquesta soca, encara que calgui una concentració més alta que la CMI per matar.
d) 1) Una mutació espontània en el cromosoma (per exemple, en la diana de l'antibiòtic) que ja era present en algun bacteri de la població abans del tractament: el tractament incomplet ha eliminat els sensibles i ha seleccionat els mutants. 2) L'adquisició d'un gen de resistència per transferència genètica horitzontal, sovint en un plasmidi (conjugació) o per transformació o transducció. Experiment: es barreja la soca B amb una soca sensible marcada amb un altre caràcter (per exemple, resistent a un segon antibiòtic que B no tolera) i se sembra en plaques amb els dos antibiòtics. Si apareixen colònies de la soca receptora que ara són resistents al primer antibiòtic, la resistència és transferible (probablement plasmídica); si no n'apareixen, és més probable una mutació cromosòmica. També es pot extreure l'ADN plasmídic de B i comprovar si en transforma bacteris sensibles.

Errors típics

• Prendre com a CMI l'última concentració tèrbola (2 µg/mL) en lloc de la primera transparent.
• Pensar que un tub transparent vol dir necessàriament que tots els bacteris són morts.
• Dir que l'antibiòtic «ha provocat» la resistència: el tractament selecciona variants que ja existien o que s'adquireixen per transferència.

Conceptes treballats: concentració mínima inhibitòria i bactericida; controls positius i d'esterilitat; selecció de resistències; transferència genètica horitzontal i plasmidis

a) Les colònies en medi mínim podrien sortir d'una reversió espontània (una mutació que torna a fer funcional el gen). Si cada soca tingués una sola mutació, amb una freqüència de reversió de 10⁻⁷, entre 2·10⁸ cèl·lules n'apareixerien unes 20 per reversió, i no es podrien distingir dels recombinants. Amb dues mutacions independents, la probabilitat de revertir-les totes dues alhora és 10⁻⁷ · 10⁻⁷ = 10⁻¹⁴: amb 2·10⁸ cèl·lules, pràcticament zero. Els controls 1 i 2 (0 colònies) ho confirmen.
b) Freqüència = 20 / 2·10⁸ = 1·10⁻⁷ recombinants per cèl·lula receptora.
c) És conjugació. Les colònies prototròfiques (que no necessiten cap dels quatre nutrients) només apareixen quan les dues soques es barregen, de manera que hi ha hagut intercanvi de gens. La DNasa no ho impedeix (experiment 4): l'ADN no viatja lliure pel medi, i per tant no és transformació. En el tub en U, on les cèl·lules no es poden tocar però sí que passen l'ADN i els virus, no hi ha recombinants (experiment 5): cal contacte directe entre cèl·lules, i per tant no és transducció (els virus haurien travessat el filtre). La conjugació és l'únic mecanisme que necessita contacte, mitjançant el pèl sexual (pili) de la cèl·lula donadora.
d) Transformació: la DNasa hauria fet desaparèixer les colònies (0 a l'experiment 4), però en el tub en U n'hi hauria hagut, perquè l'ADN lliure travessa el filtre. Transducció: la DNasa no l'afectaria (l'ADN viatja protegit dins la càpsida del bacteriòfag) i en el tub en U també hi hauria recombinants, perquè els virus travessen el filtre.

Errors típics

• Oblidar els controls de cada soca per separat i atribuir les colònies a recombinació sense descartar la reversió.
• Pensar que la DNasa destrueix l'ADN de dins de les cèl·lules o dels virus.
• Pensar que la transducció necessita contacte entre cèl·lules: el bacteriòfag fa de vehicle i travessa el filtre.

Conceptes treballats: auxotròfia i medi mínim; mutació i reversió; probabilitat d'esdeveniments independents; conjugació, transformació i transducció; disseny experimental amb controls

a) Durant els primers minuts el virus s'ha fixat al bacteri i n'hi ha injectat l'ADN: la càpsida queda fora, i a dins no hi ha cap virus complet. Si es trenca el bacteri amb cloroform, no s'allibera cap partícula infecciosa, i per això el recompte és gairebé zero. És el període d'eclipsi: el genoma víric s'expressa amb la maquinària del bacteri (ribosomes, enzims, ATP), es replica l'ADN víric i se sintetitzen les proteïnes de la càpsida; els primers virus complets apareixen per acoblament cap als 15 min. Sense cloroform, en canvi, cada bacteri infectat compta com una placa (acaba esclatant a la placa de cultiu), i per això el recompte es manté constant fins que els bacteris es lisen al medi.
b) Mida de l'esclat = 1,5·$\tfrac{10^{7}}{1{,}0}$·$10^{5}$ = 150 virus per bacteri infectat.
c) Concentració = 100 plaques / (0,1 mL · 10⁻²) = 1,0·$10^{5}$ UFP/mL: coincideix amb el valor de la taula. Sense diluir, 0,1 mL contindrien 1,0·$10^{4}$ UFP: les plaques se superposarien i lisarien tota la gespa, i seria impossible comptar-les. Per això es fan dilucions seriades i es compten les plaques que donen un nombre manejable (aproximadament entre 30 i 300 per placa).
d) El virus no té metabolisme propi: depèn dels ribosomes, dels nucleòtids, dels aminoàcids i de l'ATP del bacteri. En fase estacionària el bacteri té menys ribosomes actius, menys precursors i menys energia, de manera que la síntesi de components vírics és més lenta: el període de latència s'allargaria i la mida de l'esclat seria més petita (o fins i tot el virus no podria completar el cicle).

Errors típics

• Pensar que durant l'eclipsi el virus no fa res o que ha desaparegut: s'està replicant.
• Confondre el període d'eclipsi (fins que apareixen virus complets dins la cèl·lula) amb el període de latència (fins que s'alliberen per lisi).
• Multiplicar pel factor de dilució en lloc de dividir-hi, o oblidar el volum sembrat.

Conceptes treballats: cicle lític dels bacteriòfags; període d'eclipsi i de latència; mida de l'esclat; recompte de virus per plaques i dilucions; dependència del metabolisme de l'hoste

a) Herpes → fàrmac A: el virus té ADN i una ADN polimerasa pròpia; l'anàleg de nucleòsid bloqueja la replicació del genoma víric. Grip → fàrmac B: impedeix l'alliberament dels virus nous per gemmació, perquè queden enganxats a la membrana de la cèl·lula, i per tant frena la difusió de la infecció. VIH → fàrmac C: el VIH és un retrovirus que ha de copiar el seu ARN a ADN amb la transcriptasa inversa abans d'integrar-se al genoma de la cèl·lula; si s'inhibeix aquest enzim, el cicle s'atura. L'amoxicil·lina (D) impedeix la síntesi del peptidoglicà de la paret bacteriana: els virus no tenen paret ni metabolisme propi, i per tant no hi té cap diana.
b) El fàrmac A és un profàrmac: només es converteix en la forma activa si el fosforila la timidina-cinasa del virus, que només hi és a les cèl·lules infectades. A més, la forma activa té més afinitat per l'ADN polimerasa vírica que per la humana. Les cèl·lules sanes gairebé no l'activen i continuen replicant el seu ADN amb normalitat.
c) Resistents a un fàrmac: $10^{10}$ · 10⁻⁵ = $10^{5}$ virions al dia. A dos fàrmacs alhora: $10^{10}$ · (10⁻⁵$)^{2}$ = $10^{10}$ · 10⁻¹⁰ = 1 virió al dia. A tres alhora: $10^{10}$ · 10⁻¹⁵ = 10⁻⁵ al dia, és a dir, de mitjana un cada $10^{5}$ dies (uns 270 anys).
d) Amb un sol fàrmac, cada dia apareixen uns 100 000 virions resistents, que el tractament selecciona: la resistència és pràcticament segura en poc temps. Amb tres fàrmacs, un virus hauria de tenir les tres mutacions alhora, cosa extremadament improbable. A més, el tractament redueix moltíssim la replicació, de manera que hi ha encara menys oportunitats de mutar. La transcriptasa inversa no corregeix errors, i per això la taxa de mutació del VIH és tan alta. Si s'interromp el tractament o es pren de manera irregular, els nivells de fàrmac baixen, el virus torna a replicar-se en grans quantitats i augmenta la probabilitat que apareguin i se seleccionin mutants resistents.

Errors típics

• Pensar que els antibiòtics també actuen contra els virus.
• Sumar les probabilitats de resistència en lloc de multiplicar-les per a mutacions independents.
• Dir que el fàrmac provoca la mutació de resistència: les mutacions apareixen a l'atzar i el fàrmac les selecciona.

Conceptes treballats: cicles dels virus d'ADN, d'ARN i retrovirus; dianes dels antivirals i dels antibiòtics; taxa de mutació i probabilitat; selecció de resistències i teràpia combinada

a) Hi ha 56 malalts en total (52 + 4 = 42 + 14 = 56).
Amanida: taxa d'atac dels que la van menjar = 52/80 = 0,65 (65 %); dels que no = 4/40 = 0,10 (10 %); risc relatiu = 0,65/0,10 = 6,5.
Arròs: dels que el van menjar = 42/90 ≈ 0,467 (46,7 %); dels que no = 14/30 ≈ 0,467 (46,7 %); risc relatiu = 1,0.
Menjar arròs no canvia el risc (RR = 1), mentre que menjar amanida el multiplica per 6,5: l'amanida és el plat sospitós. Els 4 malalts que no la van menjar poden ser contaminacions creuades, records erronis a l'enquesta o casos per altres causes.
b) En una infecció, el microorganisme ha de colonitzar l'intestí i multiplicar-se, cosa que sol trigar de 12 a 72 hores, i el sistema immunitari respon sovint amb febre. Aquí els símptomes apareixen en poques hores: la toxina ja era a l'aliment, perquè els bacteris s'hi havien multiplicat durant les hores a temperatura ambient, i actua directament sobre l'organisme sense necessitat que el bacteri creixi a l'intestí; per això tampoc hi ha resposta infecciosa ni febre.
c) Cocs grampositius en raïm: Staphylococcus aureus, que viu a la pell i a les ferides infectades i fabrica enterotoxines. La cuinera el va transmetre a l'amanida en manipular-la, i la temperatura ambient li va permetre multiplicar-se i produir toxina. Escalfar l'amanida mataria els bacteris, però la toxina, una proteïna termoestable que no es desnaturalitza a les temperatures de cocció habituals, continuaria activa.
d) Els postulats de Koch demanen trobar el microorganisme en tots els malalts, aïllar-lo en cultiu pur, reproduir la malaltia en un hoste sa i tornar-lo a aïllar. En una intoxicació, la malaltia la causa la toxina, no la infecció: el bacteri pot no ser present en els malalts i, per motius ètics, no es pot reproduir la malaltia en persones. Per confirmar-ho: aïllar S. aureus de les restes de l'amanida i de la ferida de la cuinera, detectar-hi l'enterotoxina (per exemple, amb anticossos específics) i comprovar per tècniques moleculars que les soques de l'aliment i de la cuinera són la mateixa.

Errors típics

• Comparar només el nombre de malalts de cada grup en lloc de les taxes (proporcions).
• Pensar que, si un aliment s'escalfa, és segur encara que hagi estat hores a temperatura ambient.
• Confondre intoxicació alimentària (toxina preformada) amb toxiinfecció o infecció.

Conceptes treballats: epidemiologia d'un brot: taxa d'atac i risc relatiu; intoxicació i infecció alimentàries; toxines bacterianes i desnaturalització de proteïnes; tinció de Gram; postulats de Koch

a) L'agent continua sent infecciós després de destruir els àcids nucleics amb nucleases (2) i amb una radiació UV que danya l'ADN i l'ARN dels virus (3): la infecciositat no depèn de cap àcid nucleic. En canvi, la perd quan es digereixen les proteïnes (4) o quan es desnaturalitzen (5). Conclusió: l'agent és una proteïna, i la seva activitat depèn de l'estructura tridimensional, no només de la seqüència. És un prió.
b) El prió és una forma mal plegada (PrP^Sc, rica en làmina β) de la proteïna PrP normal (PrP^C). Quan entra en contacte amb PrP^C, la indueix a adoptar la forma anòmala, i aquestes molècules noves converteixen més proteïna normal: és una reacció en cadena que forma agregats i mata neurones. Els ratolins sense el gen Prnp no fabriquen PrP^C: el prió injectat no té substrat per convertir, no es propaga i no hi ha malaltia. Això demostra que el prió no porta informació per fabricar-se a si mateix: depèn de la proteïna de l'hoste.
c) Una mateixa seqüència d'aminoàcids (estructura primària) es pot plegar de més d'una manera estable. Cada «soca» seria una conformació anòmala diferent (diferències d'estructura secundària i terciària i en la manera d'agregar-se), que es copia fidelment perquè fa de motlle per a PrP^C. La informació de la soca és en la forma, no en un àcid nucleic.
d) La PrP és una proteïna pròpia: els limfòcits que la reconeixerien s'han eliminat o inactivat per tolerància immunitària, i el prió té la mateixa seqüència que la proteïna normal, de manera que no es reconeix com a estrany. Els prions són molt resistents a la calor, a la radiació i a molts desinfectants, perquè els agregats rics en làmina β són molt estables i no tenen àcid nucleic que es pugui danyar; l'autoclau convencional no els inactiva del tot, i calen protocols especials (temps i temperatures més alts, hidròxid de sodi) o material d'un sol ús.

Errors típics

• Dir que els prions són virus petits o que porten un àcid nucleic molt curt.
• Pensar que la proteïna anòmala té una seqüència d'aminoàcids diferent de la normal: canvia la conformació.
• Oblidar que una proteïna pròpia no desencadena resposta immunitària per tolerància.

Conceptes treballats: formes acel·lulars: prions; estructura de les proteïnes i desnaturalització; nucleases; tolerància immunitària; interpretació d'experiments amb tractaments selectius

a) La sorra esterilitzada no conté ni nitrogen aprofitable ni bacteris fixadors del sòl: així, el nitrogen només pot venir del reg o de la fixació pel Rhizobium que s'hi inocula. El tractament A és el control negatiu (sense cap font de nitrogen): mostra quant creix la planta només amb el nitrogen de la llavor. El C és el control positiu: mostra el creixement quan el nitrogen no és limitant.
b) Sense nitrogen, la planta creix molt poc (1,2 g), però amb Rhizobium creix gairebé tant com amb nitrat (4,8 g davant de 5,0 g), i apareixen nòduls a l'arrel. Els bacteris dels nòduls fixen el N₂ de l'aire (que és a l'aire dels porus de la sorra), el redueixen a amoníac amb l'enzim nitrogenasa i el cedeixen a la planta, que el fa servir per fabricar aminoàcids i nucleòtids. A canvi, la planta els dona glúcids procedents de la fotosíntesi i un ambient protegit. És una simbiosi mutualista.
c) Mols de N = 0,14 / 14 = 0,010 mol N = 0,010 mol NH₃. Segons l'equació, calen 16 ATP per cada 2 NH₃, és a dir, 8 ATP per NH₃: 0,010 · 8 = 0,080 mol d'ATP. Glucosa = 0,080 / 30 ≈ 2,67·10⁻³ mol, i la massa = 2,67·10⁻³ · 180 = 0,48 g de glucosa.
d) La fixació és molt cara en energia: la planta ha de cedir mig gram de glucosa (a més dels electrons i dels esquelets carbonats) per fixar 0,14 g de nitrogen. Si al sòl hi ha nitrat, a la planta li surt més a compte absorbir-lo directament, i redueix la formació de nòduls (en D només n'hi ha 4) per no gastar fotoassimilats en la simbiosi. Per això la massa seca de D és pràcticament igual que la de C: el nitrogen el treu sobretot del nitrat.

Errors típics

• Calcular l'ATP per mol de N₂ (16) en lloc de per mol de N fixat (8).
• Pensar que la planta fixa el nitrogen ella mateixa: ho fa el bacteri amb la nitrogenasa.
• No identificar els controls positiu i negatiu del disseny.

Conceptes treballats: fixació biològica del nitrogen i cicle del nitrogen; simbiosi; cost energètic i ATP; estequiometria; disseny experimental amb controls

a) El color rosa vol dir que és gramnegatiu: té una capa prima de peptidoglicà que no reté el complex de cristall violeta i iode quan es renta amb alcohol, i per fora té una membrana externa. La vancomicina actua sobre el peptidoglicà, que el bacteri sí que té, però és una molècula molt gran que no pot travessar els porus de la membrana externa: la resistència és intrínseca i es deu a la permeabilitat de la coberta, no a l'absència de diana.
b) És anaerobi facultatiu. Amb oxigen fa la respiració aeròbica: oxida completament els glúcids, i els electrons van per la cadena respiratòria de la membrana plasmàtica (els bacteris no tenen mitocondris) fins a l'$O_{2}$, cosa que proporciona molt ATP. Sense oxigen, fermenta (per exemple, la lactosa): obté l'ATP només per fosforilació a nivell de substrat a la glucòlisi i regenera el NAD⁺ reduint el piruvat a productes de fermentació (àcids orgànics, etanol).
c) Tots dos actuen sobre dianes que són diferents en procariotes i eucariotes. La gentamicina s'uneix als ribosomes 70S bacterians i altera la traducció; els ribosomes citoplasmàtics humans són 80S, amb una altra estructura. La ciprofloxacina inhibeix l'ADN girasa bacteriana, una topoisomerasa diferent de les humanes. Aquesta toxicitat selectiva permet matar el bacteri sense danyar greument l'hoste. (Els mitocondris tenen ribosomes semblants als bacterians, cosa que explica alguns efectes secundaris, i és una prova a favor de la teoria endosimbiòtica.)
d) La membrana externa dels gramnegatius conté lipopolisacàrid (LPS), una endotoxina. Quan l'antibiòtic lisa molts bacteris alhora, s'allibera molt LPS a la sang. Els macròfags el reconeixen com un patró molecular de patogen i alliberen citocines inflamatòries (com el TNF i la IL-1), que provoquen febre i vasodilatació (baixada de pressió arterial). És una reacció de la immunitat innata, temporal mentre s'elimina l'LPS.

Errors típics

• Pensar que el bacteri és resistent a la vancomicina perquè no té peptidoglicà: en té, però l'antibiòtic no hi arriba.
• Situar la cadena respiratòria bacteriana als mitocondris.
• Atribuir l'empitjorament a un fracàs de l'antibiòtic en lloc de l'alliberament d'endotoxina.

Conceptes treballats: paret dels gramnegatius i tinció de Gram; mecanismes d'acció dels antibiòtics i toxicitat selectiva; bacteris anaerobis facultatius; endotoxines i immunitat innata

a) És transducció mediada per un bacteriòfag (més concretament, conversió lisogènica): el gen de la toxina el porta el genoma d'un fag temperat. El filtrat no conté bacteris, i per tant no pot ser conjugació (que requereix contacte entre cèl·lules). La DNasa no l'afecta: el gen no viatja com a ADN nu, i per tant no és transformació. Els anticossos contra la càpsida bloquegen el virus i impedeixen la conversió: el gen entra a la cèl·lula dins d'un bacteriòfag.
b) El fag és temperat: després d'infectar, en lloc de fer el cicle lític pot integrar el seu ADN al cromosoma bacterià com a profag (cicle lisogènic). El profag es replica amb el cromosoma i passa a totes les cèl·lules filles, i el gen de la toxina que porta s'expressa: el bacteri esdevé toxigènic de manera estable. Agents que danyen l'ADN, com la radiació ultraviolada, activen els sistemes de reparació del bacteri i fan que el profag s'escindeixi i entri en cicle lític: es replica, fabrica càpsides, lisa la cèl·lula i allibera virus nous.
c) La toxina actua sobre un factor d'elongació de la traducció propi dels eucariotes (el dels ribosomes 80S del citoplasma), mentre que el bacteri fa servir factors i ribosomes 70S diferents, que la toxina no reconeix. A més, la toxina se secreta: actua després d'entrar a la cèl·lula humana per endocitosi, gràcies a receptors que el bacteri no té.
d) La malaltia la causa la toxina, no la presència del bacteri. El toxoide fa que es formin anticossos i limfòcits de memòria contra la toxina; si la persona s'infecta amb una soca toxigènica, els anticossos neutralitzen la toxina abans que entri a les cèl·lules. Una soca no toxigènica no causa la diftèria greu (pot colonitzar la gola sense símptomes greus), i la vacuna no impediria aquesta colonització, perquè els anticossos van dirigits contra la toxina i no contra el bacteri. Però si aquesta soca rebés el fag i esdevingués toxigènica, la persona vacunada continuaria protegida contra la malaltia.

Errors típics

• Confondre la conversió lisogènica amb la conjugació perquè la capacitat passa d'una soca a l'altra.
• Pensar que un profag és un virus actiu dins del bacteri: és el genoma víric integrat i inactiu.
• Creure que la vacuna de la diftèria fa que no es pugui tenir el bacteri a la gola.

Conceptes treballats: bacteriòfags temperats, cicle lisogènic i lític; transducció i conversió lisogènica; toxines bacterianes i traducció; toxoides i vacunes