BACTERIA

Definición: Las bacterias son organismo unicelulares muy pequeños y relativamente sencillos, cuyo material genético no está rodeado por una membrana nuclear especial, por ello se le llama procariotas.

Estructura bacteriana

- Elementos obligados: Están en todas las bacterias y son indispensables para la vida de la propia bacteria. Son la pared celular, membrana plasmática, citoplasma, ribosomas y la región nuclear.

- Elementos facultativos: Pueden estar o no presentes en la bacteria y son, capsula, flagelos, pelos, endoesporas e inclusiones citoplasmáticas.

Elementos obligados:

- Pared celular o Definición: Es el limite externo de la célula. Tiene una estructura rígida parecida a la

pared celular de las células vegetales. Mycoplasma, es la única bacteria patógena para el hombre que no tiene pared Formas L, bacteria que habitualmente tiene pared, pero pueden perderla

ocacionalmente.

Pared celular

Rígida debido al péptidoglicano (da características propias a la pared). El péptidoglicano conforma una malla o red que envuelve la bacteria. Y está compuesto por N-acetil glucosamina y N-acetil murámico (+Puente peptídico).

Es capaz de resistir una presión osmótica interna de la célula de 5 a 20 atm.

Tipos de pared celular

- Gram +: Pared gruesa, homogénea y lisao Péptidoglicano o mureina: Responsable de la rigidez de la pared

N-Acetilglucosamina N-Acetilmuramico

o Ácido teicoicoo Porinas y zona periplasmatica

- Gram - : Fina, estratificada (tres capas), cerebriformeo Lipopolisacaridos

- Ácido-alcohol resistente (resisten la decoloración con ácido-alcohol): Estratificada, similar al Gram +

Función de la pared

- Esqueleto celular- Permite resistir a elevadas presiones (Presión osmótica interna >> presión externa)- Forma el tabique de separación (división bacteriana)- Filtro- Elemento patógeno: lipopolisacarido

- Antigenicidad: provoca respuesta inmune1

Pared de bacterias Gram –

La pared de las células procariotas

La pared celular es la capa, normalmente muy rígida, que se encuentra justo por encima de la membrana plasmática. Es una de las partes más importantes de una célula procariota por varias razones.

Salvo algunos micoplasmas {véase la sección 23.1) y algunas Archaea {véase el Capítulo 20), la mayoría de las bacterias tienen una fuerte pared que les da forma y protege de la lisis osmótica (p. 64); tanto la forma como la integridad de la pared celular se deben fundamentalmente al peptidoglicano, como se mostrará más adelante. La pared celular de muchos microorganismos patógenos tienen componentes que contribuyen a su patogenicidad.

La pared puede proteger a una célula frente a sustancias tóxicas y es el lugar de acción de varios antibióticos. Después de que Christian Gram desarrollase la tinción que lleva su nombre, en 1884, se comprobó que las bacterias podían clasificarse en dos grupos principales, según su respuesta a este método de tinción {véase la Tabla 19.9). Las bacterias Gram positivas se tiñen de color morado, mientras que las Gram negativas adquieren un color rosa a rojo.

La pared de una célula Gram positiva está formada por una única capa homogénea, de 20 a 80 nm de grosor, de peptidoglicano o mureína, situada por encima de la membrana plasmática (Figura 3.15).

Por el contrario, la pared de la célula Gram negativa es bastante compleja. Posee una capa de peptidoglicano (2-7 nm de grosor), rodeada por una membrana externa (7-8 nm).

Precisamente debido a su gruesa capa de peptidoglicano, la pared celular de las bacterias Gram positivas es más fuerte que la de las Gram negativas.

Con frecuencia, en microfotografías electrónicas, se observa un espacio entre la membrana plasmática y la externa de bacterias Gram negativas, y a menudo se puede observar un espacio similar, pero más pequeño, entre la membrana plasmática y la pared celular en bacterias Gram positivas. Este espacio se denomina espacio periplásmico.

Estudios recientes han demostrado que este espacio está ocupado por el entramado de peptidoglicano. Posiblemente, se trate de un espacio ocupado por un gel, más que por un líquido. La sustancia que ocupa el espacio periplásmico se denomina periplasma.

Las células Gram positivas pueden presentar un periplasma aun cuando carezcan de un espacio como tal. El tamaño estimado del espacio periplásmico en bacterias Gram negativas varía de 1 nm hasta 71 nm. Algunos estudios recientes han revelado que puede constituir entre el 20 y el 40 %, aproximadamente, del volumen total de la envoltura celular (30-70 nm de diámetro), pero es preciso seguir investigando para determinarlo con más precisión. Cuando las paredes celulares se rompen con cuidado o se extraen sin alterar la membrana plasmática subyacente, se liberan enzimas periplásmicas y

1 Microbiologia tomo 1 Perez Granados, RaquelCastro, Maria

otras proteínas. El espacio periplásmico de las bacterias Gram negativas contiene muchas proteínas que participan en la captación de nutrientes —p. ej., enzimas hidrolíticas frente a ácidos nucleicos y moléculas fosforiladas, y proteínas ligadoras que participan en el transporte de sustancias hacia el interior de la célula—.

Las bacterias desnitrificadoras y quimiolitoautotrofas {véanse las secciones 9.6 y 9.10) poseen a menudo proteínas transportadoras de electrones en su periplasma. El espacio periplásmico contiene también enzimas que participan en la síntesis del peptidoglicano y en la modificación de compuestos tóxicos que podrían lesionar a la célula. Es posible que las bacterias

Gram positivas no tengan un espacio periplásmico tan visible, ni tengan tantas proteínas periplásmicas; más bien, secretan varias enzimas, que serían normalmente periplásmicas en bacterias Gram negativas. Estas enzimas secretadas se denominan a menudo exoenzimas. Algunas enzimas permanecen en el periplasma asociadas a la membrana plasmática.

El dominio Archaea se diferencia de otros procariotas por muchos motivos (véase el Capítulo 20).

Aunque tintorialmente pueden ser tanto Gram positivas como Gram negativas, sus paredes celulares son distintivas en cuanto a estructura y composición química; carecen de peptidoglicano y están constituidas por proteínas, glicoproteínas o polisacáridos. Después de este resumen sobre la envoltura celular, se describen a continuación la estructura del peptidoglicano y la organización de la pared celular en las bacterias Gram positivas y Gram negativas.

Estructura del peptidoglicano

El peptidoglicano o mureína es un gran polímero compuesto por muchas subunidades idénticas. El polímero contiene dos derivados de azúcar, /V-acetilglucosamina y ácido /V-acetilmurámico (éter lactilo de A/-acetilglucosamina) y varios aminoácidos, tres de los cuales —ácido D-glutámico, D-alanina y ácido meso-diaminopimélico— no están presentes en las proteínas. La presencia de D-aminoácidos protege frente a la mayoría de peptidasas.

La subunidad de peptidoglicano que normalmente se encuentra en las bacterias Gram negativas y muchas de las Gram positivas se muestra en la Figura 3.16. El esqueleto de este polímero está constituido por residuos alternantes de A/-acetilglucosamina y ácido A/-ace~ tilmurámico. Una cadena peptídica de cuatro aminoácidos D- y L- alternantes está conectada a un grupo carbóxilo del ácido /V-acetilmurámico. Muchas bacterias sustituyen la Llisina de la tercera posición por otro diaminoácido, el ácido OTeso-diaminopimélico (Figura 3.17). Resumen de la química de las moléculas biológicas (Apéndice I); Variaciones en la estructura del peptidoglicano (pp. 562-564).

Las cadenas de subunidades de peptidoglicano están entrecruzadas por sus péptidos. A menudo, el grupo carboxilo de la D-alanina terminal de una mureína está conectado directamente al grupo amino del ácido diaminopimélico de una mureína de otra cadena paralela, pero en otras ocasiones se puede emplear en su lugar un interpuente peptídico (Figura 3.18). La mayoría de los peptidoglicanos de las bacterias Gram negativas carece de este tipo de puente. Este entrecruzamiento produce un saco de peptidoglicano de gran tamaño, que realmente es una malla densa, interconectada (Figura 3.19). Se han aislado estas mallas en bacterias Gram positivas y son lo suficientemente fuertes como para mantener su forma e integridad (Figura 3.20), aunque son elásticos y pueden estirarse en cierto grado, al contrario que la celulosa. También, deben ser porosos, para que puedan atravesarlos las moléculas.

Pared celular de las bacterias Gram positivas

Normalmente, la gruesa pared celular de las bacterias Gram positivas está constituida principalmente por peptidoglicano, cuyas mureínas a menudo están entrelazadas por puentes peptídicos (Figura 3.20 y Figura 3.21). Sin embargo, estas células contienen también una gran cantidad de ácidos teicoicos, polímeros de glicerol y ribitol unidos por grupos fosfato (Figuras 3.21 y 3.22).

Aminoácidos como D-alanina o azúcares como glucosa están unidos a los grupos glicerol y ribitol. Los ácidos teicoicos pueden estar unidos al peptidoglicano mediante un enlace covalente con el hidroxilo seis del ácido A/-acetilmurámico, o bien, a los lípidos de la membrana plasmática; en este último caso, se denominan ácidos lipoteicoicos. Los ácidos teicoicos parece que se extienden hasta la superficie del peptidoglicano y, como están cargados negativamente, contribuyen a dotar a la pared celular de su carga negativa. Las funciones de estas moléculas están todavía por aclarar, pero pueden ser fundamentales para mantener la estructura de la pared. Los ácidos teicoicos no están presentes en las bacterias Gram negativas.

Pared celular de las bacterias Gram negativas

Incluso una observación rápida de la Figura 3.15 revela que la pared celular de las bacterias Gram negativas es mucho más compleja que la de las Gram positivas.

La capa delgada de peptidoglicano, próxima a la membrana plasmática no constituye más del 5 al 10% de todo el peso de la pared. En E. coli, es de unos 2 nm de grosor, y está formada sólo por una o dos capas de peptidoglicano. La membrana externa está situada por fuera de la capa fina de peptidoglicano (Figuras 3.23 y 3.24).

La proteína de membrana más abundante es la lipoproteína de Braun, una pequeña lipoproteína unida covalentemente al peptidoglicano subyacente, e incluida en la membrana externa por su extremo graso hidrofóbico.

La membrana externa y el peptidoglicano están tan firmemente unidos por esta lipoproteína que pueden aislarse como una unidad. Otra estructura que puede dar resistencia a la pared Gram negativa y mantener la membrana externa en su posición es el lugar de adhesión.

Las membranas externa y plasmática parece que están en contacto directo en muchos lugares en la pared Gram negativa. En células plasmolizadas de E. coli, se han observado áreas de contacto de 20 a 100 nm entre las dos membranas. Los lugares de adhesión pueden ser regiones de contacto directo o posiblemente, de verdaderas fusiones de membrana. Se ha propuesto que las sustancias pueden desplazarse al interior de la célula a través de estos lugares de adhesión, en lugar de viajar a través del periplasma.

Posiblemente, los constituyentes más inusuales y característicos de la membrana externa sean sus lipopolisacáridos (LPS). Estas moléculas grandes y complejas contienen tanto lípidos como hidratos de carbono, y están formadas por tres partes: 1) lípido A, 2) polisacárido central o core, y 3) cadena lateral O. No existe una estructura de LPS universal, el LPS que más se ha estudiado es el de Salmonella typhimurium, cuya estructura se describe en este texto (Figura 3.25). La región del lípido A contiene dos derivados del azúcar glucosamina, cada uno de ellos está unido a tres ácidos grasos y grupos fosfato o pirofosfato. El lípido A se encuentra inserto en la membrana externa, mientras que el resto de la

molécula de LPS sobresale de la superficie. Un polisacárido central denominado core está unido al lípido A.

En Salmonella, está formado por 10 azúcares, muchos de ellos con una estructura poco corriente. La cadena lateral O o antígeno O es una cadena polisacarídica más o menos larga que se extiende hacia fuera del núcleo. Puede poseer azúcares peculiares, variando la composición según la cepa bacteriana.

Aunque las cadenas laterales O son fácilmente reconocibles por los anticuerpos del huésped, las bacterias Gram negativas pueden incapacitar las defensas del huésped cambiando rápidamente la naturaleza de sus cadenas laterales O para evitar su detección. La interacción de los anticuerpos con el LPS, antes de alcanzar la membrana externa propiamente dicha, puede también proteger a la pared celular frente a un ataque directo. Anticuerpos y antígenos (Capítulos 32 y 33).

El LPS es importante por varias razones, además de las ya mencionadas de defensa frente al huésped. Contribuye a la carga negativa de la superficie bacteriana, ya que el polisacárido central contiene normalmente azúcares cargados y fosfato (Figura 3.25). El LPS facilita la estabilización de la estructura de la membrana. Además, el lípido A es a menudo tóxico, como consecuencia, el LPS puede actuar como una endotoxina (véase la sección 34.3) y causar algunos de los síntomas que se desarrollan en las infecciones por bacterias Gram negativas.

Una de las funciones más importantes de la membrana externa es servir como barrera protectora.

Evita o disminuye la entrada de sales biliares, antibióticos y otras sustancias tóxicas que podrían destruir o lesionar a la bacteria.

También, la membrana externa es incluso más permeable que la plasmática y permite el paso de moléculas pequeñas, como glucosa y otros monosacáridos. Esto se debe a la presencia de proteínas porinas (Figuras 3.23 y 3.24). Se agrupan tres moléculas de porina y se extienden a través de la membrana externa para formar un canal estrecho a través del cual pueden pasar moléculas menores de 600 a 700 dalton. Moléculas mayores, como la vitamina B12, pueden transportarse a través de la membrana externa mediante transportadores específicos. La membrana externa evita también la pérdida de constituyentes como las enzimas periplásmicas.

Mecanismo de la tinción de Gram

Aunque se han propuesto varias explicaciones sobre el fundamento de la tinción de Gram, parece probable que la diferencia entre las bacterias Gram negativas y Gram positivas se deba a la naturaleza física de sus paredes celulares.

Si la pared celular se elimina en las bacterias Gram positivas, éstas se convierten en Gram negativas.

El peptidoglicano no se tiñe propiamente, más bien, parece que actúa como barrera de permeabilidad para evitar la pérdida de cristal violeta. Durante el proceso, las bacterias se tiñen primero con cristal violeta, y luego se tratan con yoduro para favorecer la retención del colorante. Cuando a continuación se decoloran las bacterias Gram positivas con etanol-acetona, se cree que el alcohol contrae los poros de la gruesa capa de peptidoglicano. En consecuencia, el complejo colorante-yodo no es eliminado durante la fase de decoloración y las bacterias continuarán de color morado. Por el contrario, la capa de

peptidoglicano de las bacterias Gram negativas es muy fina, sin tantos enlaces y con poros de mayor tamaño, además, también es posible que el tratamiento con alcohol extraiga suficientes lípidos de la envoltura de las células Gram negativas, como para aumentar su porosidad. Por estos motivos, el alcohol elimina más fácilmente el complejo cristal violeta- yodo en las bacterias Gram negativas. La pared celular y protección osmótica La pared celular es necesaria normalmente para proteger a las bacterias frente a la destrucción por presión osmótica. Los solutos están mucho más concentrados en el citoplasma bacteriano que en la mayoría de habitat microbianos, que son hipotónicos. Durante la osmosis, el agua se desplaza a través de membranas selectivamente permeables, como la membrana plasmática, desde soluciones diluidas (concentración, mayor de agua) a soluciones más concentradas (concentración menor de agua). Por ello, el agua entra normalmente en las células bacterianas, y la presión osmótica puede alcanzar 20 atmósferas (20 kg/cm2). La membrana plasmática no podría soportar estas presiones y la célula se hincharía, alterándose físicamente y destruyéndose, proceso denominado lisis, sin la presencia de la pared, que resiste la hinchazón celular y la protege. Por el contrario, en habitat hipertónicos los solutos están más concentrados que en la célula, por ello, el agua fluye hacia fuera y el citoplasma se contrae. Este fenómeno se denomina plasmólisis y es útil en la conservación de alimentos, pues muchos microorganismos no pueden crecer en alimentos secos y jaleas, al no poder evitar la deshidratación (véanse las pp. 128-131, Capítulo 41). La importancia de la pared celular en la protección bacteriana frente a la lisis osmótica se ha demostrado al tratarlas con lisozima o penicilina. La enzima lisozima ataca al peptidoglicano, al hidrolizar el enlace que une el ácido /V-acetilmurámico con el carbono cuatro de la N-acetilglucosamina. La penicilina inhibe la síntesis del peptidoglicano (véase la sección 35.6). Si se incuban bacterias con penicilina en una solución isotónica, las bacterias Gram positivas se convierten en protoplastos, sin pared celular, pero en medios isotónicos pueden continuar creciendo. Las células Gram negativas conservan la membrana externa después del tratamiento con penicilina y se denominan esferoplastos porque conservan parte de su pared celular. Los protoplastos y esferoplastos son osmóticamente sensibles. Si se transfieren a una solución diluida se Usarán debido a la entrada descontrolada de agua (Figura 3.26). Aunque la mayoría de las bacterias precisan de una pared celular intacta para sobrevivir, algunas carecen de ella por completo. Por ejemplo, los micoplasmas no la tienen, aunque pueden crecer en medios diluidos o ambientes terrestres porque su membrana plasmática es más resistente de lo normal. Se desconoce la razón exacta de ello, aunque la presencia de esteróles en las membranas de muchas especies puede ofrecer una resistencia añadida. Sin una pared celular rígida, los micoplasmas tienden a ser pleomórficos, variables en cuanto a forma.

3.6 Componentes externos a la pared celular

Las bacterias tienen una variedad de estructuras fuera de la pared celular que sirven para proteger a la célula, fijarla a objetos o permitir su desplazamiento. A continuación, se describen algunas de estas estructuras. Cápsulas, «slime» y capas S Algunas bacterias poseen una capa de material fuera de la pared celular. Cuando una capa está bien organizada y no se elimina fácilmente, se denomina cápsula. «Slime» es una capa de material difuso, no organizado, que se puede eliminar fácilmente. El glicocálix (Figura 3.27) es una red de polisacáridos que se extiende desde la superficie de las bacterias y otras células (en este sentido, englobaría los términos cápsula y «slime»). Las cápsulas y el «slime» están compuestos normalmente por polisacáridos, pero pueden estar constituidas por otros materiales. Por ejemplo, Bacillus anthracis posee una cápsula de ácido poli-D-glutámico. Las cápsulas son claramente

visibles con el microscopio óptico cuando se emplean tinciones negativas o especiales para cápsulas (Figura 3.27a), pero se pueden estudiar también con el microscopio electrónico (Figura 3.27b).

Aunque las cápsulas no son necesarias para el crecimiento y multiplicación bacterianas en cultivos de laboratorio, confieren varias ventajas a las bacterias cuando éstas crecen en su habitat normal. Les ayudan a resistir la fagocitosis por células fagocíticas. Streptococcus pneumoniae es un ejemplo clásico. Cuando carece de cápsula se destruye fácilmente y no causa enfermedad, mientras que la variante capsulada mata rápidamente a ratones infectados. La cápsula contiene una gran cantidad de agua y puede proteger a las bacterias frente a la desecación. Evitan los virus bacterianos y la mayoría de los materiales tóxicos hidrofóbicos, como detergentes. El glicocálix ayuda también a las bacterias a fijarse a objetos sólidos en medios acuáticos, o a superficies tisulares en huéspedes vegetales y animales (Figura 3.28). Las bacterias deslizantes a menudo producen un «slime» que le ayuda en su movilidad {véase el Recuadro 21.1). Relación entre polisacáridos de superficie, fagocitosis y colonización del huésped (Capítulos 31 y 34). Muchas bacterias Gram positivas y Gram negativas tienen una capa regularmente estructurada, denominada capa S, sobre su superficie. Las capas S son también comunes en Archaea, en las que pueden constituir la única estructura de pared, fuera de la membrana plasmática. La capa S tiene un modelo estructural similar a la distribución de baldosas en un suelo y está compuesta por proteínas y glicoproteínas (Figura 3.29). En las bacterias Gram negativas, la capa S se adhiere directamente a la membrana externa; en las Gram positivas, está asociada con la superficie del peptidoglicano. Puede proteger a la célula frente a fluctuaciones iónicas y de pH, estrés osmótico, enzimas, o frente a la bacteria depredadora Bdellovibrio (véase la sección 22.4). La capa S ayuda también a mantener la forma y rigidez de la envoltura en, al menos, algunas células bacterianas. Puede facilitar la adhesión a superficies. Finalmente, esta capa parece que protege a algunos agentes patógenos frente al ataque del complemento y de la fagocitosis, contribuyendo con ello a su virulencia.

La estructura básica del peptidoglicano esta constituida por una fina lamina en la que las cadenas de azucares se conectan entre si por puentes de aminoácidos.

El numero de puentes peptídicos no es el mismo en todas las bacterias y es característico de cada una. Confiriendo mayor rigidez a aquellas paredes con mayor numero de puentes.

Porinas - proteinas que permiten el pasaje de moléculas pequeñas a través de la membrana

BACTERIAS ÁCIDO-ALCOHOL RESITENTE