1- TaxonomÍa Y Estructura Bacteriana PDF

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Resumen realizado por Alumnos y Profesores de la Carrera de Medicina Veterinaria, materia Microbiologia....

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CLASIFICACION DE MICROORGANISMOS Méd. Vet. Eduardo Rubén Comba Prof. Asociado Cátedra de Microbiología La taxonomía (del Griego Taxis: orden; nomos: ley) es una disciplina compleja y en constantes cambios debido a que son múltiples las variables que intervienen para ir ubicando a los microorganismos en categorías ¨biológicamente coherentes¨. Estos han ido modificando su ubicación según diferentes esquemas de clasificación. Durante mucho tiempo, los protozoarios fueron clasificados dentro del reino animal; mientras que hongos, bacterias y algas pertenecían al reino vegetal. Esta clasificación era poco precisa ya que había características compartidas por ambos reinos. El principio de solución a este problema lo aportó Haeckel en el año 1866 cuando crea un tercer reino denominado PROTISTA. Como en este reino existían organismos unicelulares y pluricelulares (procarióticos y eucarióticos) lo subdividió a su vez en: PROTISTAS SUPERIORES y PROTISTAS INFERIORES, incluyendo en el primero a los organismos eucariotas tales como: hongos, algas y protozoarios y en el segundo a los procariotas, como las bacterias Este ordenamiento basa su desarrollo en la utilización de rasgos de los elementos a ordenar. Estos rasgos van siendo analizados por el taxonomista de tal forma que los mismos forman una pirámide virtual cuyo vértice superior está representado por el rasgo menos objetable el cual permite separar a una categoría de otra. El sistema de clasificación que mejoró notablemente el ordenamiento bacteriano es el conocido como TAXONOMIA NUMÉRICA, el cual se desarrolló en la década del 60 con el advenimiento de la computación. Este método se basa en clasificar a las bacterias según características o rasgos fenotípicos, metabólicos, estructurales. En el se utiliza un número grande (50 a 200) de rasgos para determinar el grado de similitudes existentes entre diferentes bacterias. Los resultados de los rasgos estudiados son analizados por computación construyéndose una matriz que agrupa a las diferentes bacterias con base en el porcentaje de similitud que guarden entre sí. En algunos casos, a todos los rasgos evaluados se les da el mismo peso, por ej. utilización de un hidrato de carbono; pero en otros casos hay rasgos que tienen más peso, como ser la presencia de esporo. La principal dificultad de este sistema radica en decidir cuales y cuantas características deben utilizarse para establecer los coeficientes de similitudes, determinar que peso debe dársele a cada uno de los rasgos evaluados y la de decidir si debe aplicarse el mismo criterio de similitud para definir especies y géneros en todos los grupos bacterianos. En el siguiente cuadro se muestra como fueron evolucionando los reinos a través del tiempo:

Las categorías taxonómicas en un esquema simplificado están representadas de la siguiente manera:

Existen algunas reglas mínimas que sirven al lector para identificar a éstas categorías taxonómicas. En el caso del ORDEN la terminación es ales y de FAMILIA es aceae. Al GÉNERO se lo identifica siempre con letra mayúscula inicial y la ESPECIE con letra minúscula. El concepto de ESPECIE como tal,es la resultante de un BINOMIO integrado por el género y la especie ( Ej Escherichia coli ) A modo de ejemplo : DOMINIO : BACTERIA REINO : BACTERIA PHYLLUM : PROTEOBACTERIA CLASE: GAMMAPROTEOBACTERIA ORDEN: ENTEROBACTERIALES FAMILIA: ENTEROBACTERIACEAE GÉNERO : Escherichia ESPECIE: Escherichia coli Un análisis entre los Reinos Primariamente las bacterias ( eubacterias ) y archeabacterias estaban contenidas en un mismo reino, pero diferencias estructurales han hecho que hoy estén ubicadas en reinos diferentes dando orígen a una nueva clasificación taxonómica. El dominio BACTERIA contiene a las especies bacterianas comúnmente conocidas (bacterias Gram positivas y negativas; ácido alcohol resistentes; Chlamydias, Rickettssias, Mycoplasmas). El ARCHEA contiene a las bacterias metanogénicas, halófilas extremas y algunas termoacidófilas. El dominio EUKARYA está representado por organismos eucarióticos. El aparato genético de los tres reinos es sorprendentemente similar. La composición y estructura del ADN es la misma, existen homologías entre sus ARN polimerasas, no hay diferencias en cuanto al uso de codones y los ARNt tienen una estructura y función similar. Las archeabacterias muestran propiedades intermedias entre las bacterias y los organismos eucarióticos, lo cual hace pensar que representan a las formas de vida más ancestrales que se conocen. Actualmente el análisis filogenético (del griego phylon: raza, y genán: Producir, engendrar) revela similitudes entre bacterias que taxonómicamente están muy distanciadas, como por ej. los mycoplasmas que no poseen pared celular están muy cercanos al género Clostridium, el cual a su vez posee esporos. Este análisis se hace a partir de los estudios de secuenciación del ARNr 16S, y a partir de aquí Woese y col. Agruparon a todos los seres vivos en los tres dominios anteriomente precitados. Desde el punto de vista genético, se considera que constituyen una especie todos los microorganismos que presentan porcentajes de hibridación de su ADN iguales o superiores al 70 %. Los porcentajes de semejanza del ARNr 16S pueden utilizarse también para delimitar la especie. Se ha observado que los microorganismos cuyo ADN presenta porcentajes de hibridación por encima del 70% manifiestan generalmente porcentajes de semejanzas con su ARNr 16S superiores al 97%. Por lo tanto puede considerarse que dos microorganismos procariotas cuyas secuencias de ARNr 16S presenten al menos un 3% de diferencia,

Figura 1. Árbol filogenético representan probablemente especies distintas. De todas maneras estos son indicadores no absolutos que orientan a una mejor ubicación taxonómica. De gran importancia práctica es el hecho de que las secuencias del ARNr 16S de la mayoría de los principales grupos filogenéticos tienen una o varias secuencias de nucleótidos características, denominadas oligonucleótidos firma o secuencia “SIGNATURAS”. Son secuencias específicas (a veces de una sola base) que existen en la mayoría o en todos los miembros de un grupo filogenético determinado y que nunca o rara vez se encuentran presentes en otros grupos, incluso en aquellos estrechamente relacionados. Se han encontrado secuencias “signaturas” que definen cada uno de los tres dominios primarios (bacteria; Archea; Eukarya ); asi como “signaturas” que definen los taxones principales dentro de cada dominio. Las clasificaciones filogenéticas no tienen necesariamente que coincidir con las fenotípicas. En este sentido la taxonomía POLIFASICA tiene como objetivo, utilizando distintos tipos de técnicas, intentar armonizar las clasificaciones fenotípicas y filogenéticas mediantes el analisis conjunto y la integración del mayor número posible de características fenotípicas, quimiotaxonómicas y genéticas utilizadas en la taxonomía bacteriana. La evolución filogenética proviene de un antecesor común denominado LUCA (Last Universal Celular Ancestor)

ESTRUCTURAS BACTERIANAS MORFOLOGIA Y AGRUPACIONES DE LAS BACTERIAS

Es importante destacar que los organismos procariotas solo son visibles a través del uso del microscopio. Este concepto permite definir a la microbiología como la¨ ciencia que estudia a todos los organismos que miden menos de 1 mm ¨. FORMAS Las formas celulares de las bacterias son muy variables, dependiendo del estado nutricional, fase de crecimiento, temperatura de incubación. Existen diversas formas bacterianas, pero a los fines académicos podemos describirlas en tres formas geométricas básicas: esféricas (cocos); cilíndricas (bacilos) y helicoidales (espirilos o espiroquetas) AGRUPACIONES Las agrupaciones bacterianas son el resultado de su plano de división y en función de él podemos encontrar diferentes tipos de agrupaciones: - DIPLOS: son pares de cocos o bacilos (diplococos o diplobacilos) -CADENAS : las agrupaciones en cadenas se las define con el prefijo estrepto (estreptococosestreptobacilos) - RACIMO: la agrupación en racimo se presenta en los cocos y se la define con el prefijo Estafilo ( estafilococos) - EMPALIZADA : se presenta en los bacilos y estos se encuentran unidos por su plano longitudinal mostrando una imagen de cerco. -LETRAS CHINAS: se presenta en los bacilos y su imagen simula letras del alfabeto chino. -VUELO DE GAVIOTA: se da en bacilos curvos unidos de a dos por sus extremos. Pleomorfismo : ( gr. pleos: diferente; morfo: forma) si bien las bacterias, cada una dentro de su género responden a una forma constante, existen géneros bacterianos que tienen la característica de variar en sus formas. Nunca un coco se transformará en un bacilo o viceversa, pero sí sucede que algunos bacilos se presentan a veces más cortos o más largos, con más o menos ramificaciones,etc. Es en estos casos que decimos: estamos en presencia de una bacteria pleomórfica

Fig. 2 Morfología y agrupación bacteriana.

NUCLEOIDE O GENEFORO El material genético de las bacterias marca una de las diferencias sustanciales al momento de decidir su ubicación taxonómica. La información genética de las bacterias (genoma bacteriano) está contenida en una molécula circular de ácido desoxirribonucleico (ADN) de doble cadena que está considerada como un cromosoma único. Se encuentra unido a la membrana citoplasmática en una invaginación de la misma denominada mesosoma. La longitud de este cromosoma es ¨desproporcionadamente¨ grande en relación al tamaño de la célula bacteriana. Se ha logrado medir el cromosoma en Escherichia coli siendo su longitud de un milímetro. La composición química del ADN es muy similar a la de las células eucariotas. La principal diferencia radica en que no posee proteínas del tipo histonas. PLÁSMIDOS Los plásmidos son pequeñas moléculas circulares de ADN que se encuentran en el citoplasma de la mayoría de las bacterias en forma independiente del genoma.

Los plásmidos no son esenciales para la vida de la bacteria. Su función fundamental es permitir un proceso entre las bacterias conocido como RECOMBINACIONES GENETICAS, a través del cual se confieren nuevas propiedades fenotipicas y genotípicas en las bacterias que los posee

Fig.3. Esquema del cromosoma bacteriano y plasmido.

RIBOSOMAS Los ribosomas bacterianos están compuestos aproximadamente por un 35 % de proteínas y un 65 % de ARN Estos ribosomas muestran un coeficiente de sedimentación de 70 unidades svedverg cuando son centrifugadas en gradiente de sucrosa. La cantidad en una célula bacteriana varía según la fase de crecimiento celular. En la fase logarítmica se encuentran mayores cantidades de ribosomas.

INCLUSIONES CITOPLASMÁTICAS Estas inclusiones en general se las conoce como ¨gránulos¨, son de tipo insoluble y se corresponden con reservas de nutrientes. Existen de muchos tipos, forma y composición química pero no nos detendremos en su análisis. Las principales inclusiones figuran en cuadro adjunto.

Nombre común Gránulos de poliglucósido (glucógeno ) Gránulos de polifosfato Gránulos de cianoficina Inclusiones paracristalinas o cristalinas Rapisomas

Bacterias que la poseen Muchos tipos de bacterias Muchos tipos de bacterias Cianobacterias Especies de Bacillus y Clostridium Algunas espiroquetas, Pseudomonas

Composición Química Polímeros de glucosa de alto peso molecular Polímeros a base de fosfato. Arginina-ácido aspártico Polipéptidos

Proteina

Función Reserva de fuente de carbono Reserva de fosfato Reserva de Nitrógeno Relacionados con la esporulación Función incierta

MEMBRANA CITOPLASMÁTICA La membrana citoplasmática en las bacterias no dista demasiado de la membrana citoplasmática de los eucarioticas, en su composición. Es una membrana unitaria compuesta por lípidos, proteinas y carbohidratos. Observada al microscopio electrónico se visualiza como una estructura trilaminar consistente en dos capas oscuras (electrodensas), una interna y otra externa, separadas por una capa intermedia menos oscura (menos electrodensa). El grosor total es de aproximadamente 7 a 8 nm. Esta estructura responde al modelo denominado ¨mosaico fluido ¨de Singer y Nicolson. Los lípidos son el componente mayoritario de la membrana en cuanto a número de moléculas. Sin embargo las proteinas son moléculas de mayor tamaño, por lo tanto pueden llegar a representar hasta el 70 % del peso seco de la membrana. Estos lípidos pueden ser de 4 tipos: fosfolípidos, glicosildiglicéridos, lípidos de ornitinas y lípidos neutros. La principal diferencia con la membrana celular eucariota es que no poseen cantidades significativas de triglicéridos y a excepción de algunos Mycoplasmas no poseen esteroles como el colesterol Los carbohidratos son el componente menos abundante y en general se encuentran asociados a otras moléculas, tales como los lípidos para formar glicolípidos o proteínas para formar glicoproteínas. MESOSOMAS Estos son invaginaciones de la membrana citoplasmática. Estas estructuras son más frecuentemente observadas en bacterias Gram (+).

La función de los mesosomas es controversial y poco clara. Lo que sí puede afirmarse es que (como algunos autores proclamaron) no son el equivalente de las mitocondrias como así tampoco sitios de procesos metabólicos de la fosforilación oxidativa. Es muy probable que participen en la separación del cromosoma durante la división celular, como así también en los procesos de remodelación de la pared bacteriana. FUNCION DE LA MEMBRANA La membrana citoplasmática es una estructura vital en la célula procariota debido a que en ella se desarrollan todos los procesos metabólicos de la bacteria. De este punto nos ocuparemos en el capítulo correspondiente a fisiología y metabolismo bacteriano. PARED CELULAR La pared celular es la estructura que más claramente caracteriza a la célula bacteriana. Su estructura tiene similitudes con los diferentes grupos bacterianos, pero a su vez tiene diferencias significativas, las cuales permiten ubicar taxonómicamente a las bacterias en lugares muy bien definidos. La pared celular de las bacterias es una estructura rígida que se encuentra por fuera de la membrana celular. Según su naturaleza química permite agrupar a las bacterias en tres categorías: Gram (+), Gram (-) y bacterias ácido-alcohol-resistentes. Existe un grupo de bacterias que no poseen pared celular denominados genéricamente Mycoplasmas. La función de la pared es darle rigidez y a su vez la forma a la bacteria. La protege de no estallar, ya que la presión osmótica interna es de por lo menos 200 veces superior a la del exterior.

BACTERIAS GRAM POSITIVAS Y GRAM NEGATIVAS: ESTRUCTURA COMÚN PEPTIDOGLICANO El PEPTIDOGLICANO (PG), también denominado mureína o mucopéptido, es un polímero macromolecular formado por varias unidades repetitivas. La unidad repetitiva básica está integrada por un disacárido compuesto por una N-acetilglucosamina (NaC Glc) unida a un Nacetil-ácido murámico (Nac Mur). Este disacárido se encuentra unido a otros disacáridos para formar cadenas denominadas GLICANOS. Los N-acetilmurámicos de todos los disacáridos de la cadena de glicanos están unidos a un TETRAPEPTIDO. El tetrapéptido es similar en la mayoría de las bacterias modificándose solamente algún aminoácido. La composición básica del mismo es la siguiente: L-alanina, ác. Glutámico,L-lisina,Dalanina. Por lo tanto GLICANO + TETRAPEPTIDO = PEPTIDOGLICANO

Fig.4 Estructura química del peptidoglican

BACTERIAS GRAM POSITIVAS En las bacterias Gram Positivas el PG es de mayor espesor que en las bacterias Gram negativas. Este representa hasta el 70 % de la composición de la pared celular y está formado hasta por 40 capas. Este PG tiene unido a él en forma covalente polímeros denominados ácidos teicoicos, lipoteicoicos y teicourónicos. Ácidos teicoicos Son polímeros de polioles (glicerol o ribitol), se encuentran en la superficie de la pared y son importantes antígenos en bacterias como Streptococcus y Staphylococcus Ácidos lipoteicoicos Son ácidos teicoicos de glicerol y que están unidos en forma covalente a lípidos de la mebrana citoplasmática, a diferencia de los teicoicos que lo hacen en la superficie del PG.

Ácidos teicourónicos Estos están constituidos por un aminoazucar N-acetilglucosamina y ácido glucurónico. A diferencia de los anteriores no son antigénicos. Los tres ácidos descriptos son exclusivos de las bacterias Gram positivas, y a su vez exclusivos de las bacterias y además de actuar en muchos casos como antígenos tienen como función captar cationes del medio y facilitar su pasaje al interior citoplasmático.

PARED CELULAR DE LAS BACTERIAS GRAM NEGATIVAS El PG de las bacterias Gram negativas es considerablemente más delgado que en las bacterias Gram positivas, representando solo entre el 5% y el 10% de la constitución total de la pared. La porción externa del PG presenta una estructura denominada MEMBRANA CELULAR EXTERNA que provee a las bacterias Gram Negativas de un compartimento adicional situado entre esta y la membrana citoplasmática denominado ESPACIO PERIPLÁSMICO MEMBRANA CELULAR EXTERNA La membrana celular externa (MCE) tiene similitudes y diferencias con la membrana citoplasmática, pero es significativamente diferente en cuanto a su estructura química y funciones. Contiene fosfolípidos similares a los de la membrana citoplasmática.Estos se ubican exclusivamente en la porción interna, mientras que la porción externa posee un lipopolisacárido (LPS) antigénico y tóxico el cual se lo conoce comunmente como ENDOTOXINA de las bacterias Gram (-) o antígeno somático ¨O¨ Lipopolisacárido de la membrana celular externa. El LPS de la MCE ha sido estudiado minuciosamente en las bacterias Gram (-) y especialmente en Escherichia coli y como su nombre lo indica está compuesto por polisacáridos y un lípido denominado lípido A. El LPS en su conjunto consta de 3 regiones. La región I es un oligosacárido compuesto por una secuencia de 7 monosacáridos que determinan la especificidad antigénica de los antígenos ¨O¨. La presencia de esta cadena en la superficie de la bacteria le confiere una característica importante a la bacteria : formar colonias de bordes enteros y lisos (colonias lisas o S). En general el lipopolisacárido con sus dos regiones está presente en las enterobacterias. En gran parte del resto de las bacterias Gram (-) estaría ausente. Esta ausencia le confiere a la colonia el aspecto de RUGOSO. Además las bacterias que no presentan esta región son sensibles a sales biliares, ácidos grasos libres y antibióticos hidrofóbicos.

La región II del LPS, o región central de oligosacáridos, está compuesta por aproximadamente 10 monosacáridos, y arbitrariamente es dividida en una porción interna y otra externa. La porción interna posee ácido 3-deoxi-D-manoctulosónico (ácido 3 keto,2 deoxictanoico, o KDO) que es un azúcar de 8 carbonos. El KDO es un componente exclusivo de las células procariótas. El lípido A (Región III) es el responsable de la mayoría de los efectos tóxicos y además juega un papel vital en la organización y funcionamiento de la MCE. La mayoría de los lípidos A que se conocen contienen un disacárido a base de D-Glucosamina. Proteínas de la membrana externa La composición proteica de la MCE es más simple que la de la MC y pocas proteínas son de naturaleza enzimática. Las proteina de la MCE son de dos tipos: porinas y no porinas. Las porinas son proteinas que forman poros o canales de 1 a 2 nm de diámetro y permiten el acceso al espacio periplásmico de solutos hidrosolubles de bajo peso molecular (aminoácidos,azúcares,nucleósidos) . Existen como trímeros de subunidades idénticas en la MCE. Cada trimero posee 3 canales en la cara externa de la MCE, estos a su vez se fusionan en la porción media para formar un solo canal que desemboca en la cara interna de la MCE. Dentro de las proteinas no porinas se encuentra la proteina Omp A y una lipoproteina conocida como lipoproteina de Braun. Ambas proteinas cumplen la función de estabilizar la membrana. Las porinas Omp tienen una permeabilidad óptima para solutos de peso molecular inferior a 200 y exluyen a aquellos cuyo peso molecular sea superior a 650. Son porinas generales y no presentan selectividad por ningún tipo de soluto. La M...