TEMA 2 - Resumen Microbioloxía PDF

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Herrero López, María Concepción ...

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2 PARED CELULAR Y ESTRUCTURAS EXTERNAS MORFOLOGÍA, AGRUPACIONES Y TAMAÑO El mundo microbiano presenta una variedad de forma prácticamente infinita. Las formas más comunes son: -

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Cocos: células más o menos esféricas que se pueden quedar agrupadas tras la división en diplococos (2 cocos unidos), estreptococos (una fila de cocos), tétradas (2 cocos arriba y 2 cocos abajo, formando un cuadrado), estafilococos (cocos agrupados en racimos, debido a los planos de división alternados al azar) o sarcinas (cocos agrupados formando un cubo tridimensional), según los sucesivos planos de división. Bacilos o bastones: células más largas que anchas cuyas puntas pueden ser planas, redondeadas, apuntadas, etc. Pueden presentarse agrupados en diplobacilos (2 bacilos unidos) o en estreptobacilos (una cadena de bacilos). Hay que considerar que los bacilos siempre se dividen de forma perpendicular a su eje mayor. Espirilos: células con forma de espiral que suelen presentar un mechón de flagelos en uno o ambos extremos. Espiroquetas Filamentos Estrellada Cuadrada, etc.

En general, los organismos procariotas son más pequeños que los eucariotas, pero dentro de ellos hay una gran variedad de tallas. Escherichia coli es un bacilo de tamaño medio, de 1’1-1’5 μm de ancho por 2-6μm de largo. Si consideramos su tamaño como la unidad, hoy en día se conocen procariotas gigantes que llegan a ser 108 veces el tamaño de E. coli (Epulopiscium fishelsoni y Thiomargarita namibiensis). En el otro extremo se sitúan los micoplasmas, un grupo interesante de bacterias que carecen de pared celular y que durante mucho tiempo se consideró que eran los procariotas más pequeños, con un tamaño de 0’3μm de diámetro. No obstante, se han descubierto bacterias todavía más pequeñas, las nanobacterias o ultramicrobacterias, de 0’05-0’2μm de diámetro, muy difíciles de cultivar y de observar. Este descubrimiento fue bastante sorprendente porque, mediante cálculos teóricos, se había determinado que por debajo de los 0’15μm sería muy complicado el mantenimiento de la vida. Cuanto menor es el tamaño, más rápido es el metabolismo y la división, por eso las bacterias son tan abundantes en los medios en los que habitan. Esto se debe a que, en relación a su tamaño, las células pequeñas tienen una mayor superficie relativa de membrana disponible que las grandes, por lo que pueden realizar un intercambio de nutrientes con el medio en condiciones más ventajosas. LA PARED CELULAR BACTERIANA La pared celular es una capa bastante rígida que se encuentra justo por fuera de la membrana plasmática y que se observa con claridad en cortes finos con el microscopio electrónico de transmisión (no se ve con facilidad con el microscopio óptico). Las paredes celulares de las

bacterias y de las arqueas son sustancialmente distintas, por lo que constituyen otra diferencia importante entre estos dos grupos de microorganismos. Las bacterias se dividen en dos grandes grupos: las Gram positivas y las Gram negativas, en base a su comportamiento ante una tinción diferencial denominada tinción de Gram. Las bacterias Gram+ se tiñen de morado, mientras que las Gram- se tiñen de rojo o rosa. En realidad, este comportamiento se debe a la distinta estructura de sus paredes celulares. El peptidoglicano La pared celular bacteriana se caracteriza por la existencia de una capa rígida de péptidoglicano o mureína, un compuesto característico de estos organismos que no se presenta ni en arqueas ni en eucariotas. El peptidoglicano es un polímero formado por dos derivado de azúcares, la N-acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico (exclusivo de las bacterias), que aparecen unidos mediante enlaces glicosídicos β(1-4). Al ácido Nacetilmurámico se une un tetrapéptido constituido por L-alanina, D-glutamato, ácido mesodiaminopimélico (o lisina, según la bacteria sea Gram+ o Gram-) y D-alanina. El D-glutamato, el ácido meso-diaminopimélico y la D-alanina son característicos de las bacterias. En particular, los aminoácidos de la serie D son muy importantes para las bacterias, ya que las protege frente a la degradación de muchas peptidasas (sólo reconocen los aminoácidos de la serie L). Para formar un polímero tipo malla más fuerte, las cadenas de peptidoglicano se entrecruzan mediante puentes peptídicos para lograr la rigidez característica de la pared. En bacterias Gram- los puentes suelen establecerse de forma directa mediante un enlace peptídico entre el grupo amino del ácido diaminopimélico y el grupo carboxilo de la D-alanina terminal, generando una red poco tupida. En bacterias Gram+, en cambio, el entrecruzamiento suele realizarse mediante puentes interpeptídicos de 5 glicinas, que unen la D-alanina terminal con la L-lisina de otra molécula de peptidoglicano, formando una red muy tupida que le da una gran consistencia a la pared (por eso la pared de las bacterias Gram+ es más compacta que la de las Gram-).

La pared celular Gram+ Se caracteriza por presentar una única capa gruesa y compacta, constituida por una gran proporción de peptidoglicano que presenta numerosos puentes peptídicos. El espacio periplásmico es muy pequeño (casi no hay espacio entre la membrana celular y la pared) y destaca la presencia de ácidos teicoicos, unos polisacáridos de glicerol o ribitol que presentan aminoácidos en los grupos hidroxilo laterales y que se unen mediante grupos fosfato. Debido a su carga negativa, los ácidos teicoicos confieren en parte la carga negativa neta de la superficie bacteriana. Los ácidos glicerolteicoicos se encuentran unidos covalentemente al peptidoglicano en el interior de la pared celular y a los lípidos de la membrana plasmática (ácidos lipoteicoicos), fijando ambas estructuras. Los ácidos ribitolteicoicos se encuentran intercalados entre la pared celular, por lo que se supone que están implicados en el mantenimiento de su integridad. La pared celular GramEs mucho más compleja que la pared Gram+, ya que posee varias capas: sobre la membrana plasmática se encuentra una fina pared celular con una pequeña proporción de peptidoglicano, rodeada por ambos lados por un espacio periplásmico más ancho que el de las Gram+. Sobre la pared se encuentra la membrana externa, similar a la membrana plasmática, pero con modificaciones características: -

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Porinas: proteínas transmembrana fijas constituidas por 3 subunidades que forman canales hidrofílicos para la entrada y salida de sustancias de bajo peso molecular. Existen porinas inespecíficas, que forman canales llenos de agua a través de los que puede pasar cualquier tipo de sustancias pequeñas, y porinas específicas, que contienen receptores específicos para una o más sustancias. Lipoproteínas de Braun: se unen covalentemente al peptidoglicano subyacente y se sumergen en la membrana externa por su extremo hidrofóbico, constituyendo un medio de anclaje muy eficaz entre ambas estructuras. Lipopolisacáridos (LPS): aparecen en la monocapa superior de la bicapa lipídica externa y son moléculas complejas características de las bacterias Gram- que están compuestas por lípidos y carbohidratos y que constan de 3 partes: o Lípido A: es la parte lipídica interna del lipopolisacárido y no es un lípido de glicerol, sino que los ácidos grasos se unen mediante un enlace amino-éster a un disacárido compuesto por N-acetilglucosamina-fosfato. Tiene propiedades

tóxicas para el hombre y otros mamíferos, tanto si la cepa bacteriana es patógena como si no, por lo que también se le suele llamar endotoxina. o Núcleo polisacarídico: estructura constante de azúcares que se encuentra unida al lípido A mediante KDO (cetodesoxioctonato). o Polisacárido O: diferente en cada cepa bacteriana, es el antígeno O y les da características patógenas a las cepas. Está constituido por azúcares de 6 carbonos y uno o más dideoxiazúcares poco frecuentes. Los ácidos grasos del lípido A lo anclan a la membrana externa, mientras que el resto de la molécula sobresale de la superficie. El lípido A es constante para cada especie, mientras que el núcleo polisacarídico tiene características distintas según el género y el antígeno O determina la patogenicidad de las distintas cepas bacterianas. El LPS tiene muchas funciones importantes: contribuye a la carga negativa de la superficie bacteriana, estabiliza la estructura de la membrana externa, contribuye a la adhesión bacteriana y a la formación de biopelículas, participa en la creación de una barrera de permeabilidad (restringe la entrada de sales biliares, antibióticos y otras sustancias tóxicas que podrían matar a la célula), protege frente a las defensas del huésped (muchas bacterias Gram- son capaces de modificar rápidamente la naturaleza del antígeno O) y actúa como endotoxina (por la naturaleza del lípido A: producción de choque séptico).

Todas estas diferencias determinan los distintos mecanismos de actuación de las bacterias Gram+ y Gram-, así como la diferente efectividad que tienen sobre ellas los antibióticos. Relación entre la estructura de la pared y la tinción de Gram

La tinción de Gram se basa en la formación en el interior de las células de un complejo cristal insoluble violeta-yodo que, en el caso de las bacterias Gram-, puede ser extraído con alcohol, pero no en las Gram+. El alcohol deshidrata las bacterias Gram+, que poseen paredes celulares muy gruesas con varias capas de peptidoglicano. Esto provoca el cierre de los poros de las paredes, impidiendo la salida del cristal violeta-yodo. En las bacterias Gram-, en cambio, el alcohol penetra rápidamente a través de la membrana externa y de la fina pared celular, por lo que el cristal se extrae fácilmente. Es decir, el peptidoglicano en sí mismo no se tiñe, sino que actúa como una barrera de permeabilidad evitando la pérdida del cristal violeta. Durante la tinción, las bacterias se tiñen primero con cristal violeta y después se tratan con yodo para promover la retención del colorante. Cuando las Gram+ se tratan con etanol, éste contrae los poros de la gruesa pared de peptidoglicano, de forma que el complejo colorante-yodo queda retenido y las bacterias permanecen moradas. Como ya se ha dicho, esto no sucede en las Gram- , que después, por lo tanto, se tiñen fácilmente de color rojo o rosa por la tinción de contraste con safranina. Funciones de la pared celular -

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Forma y protección osmótica: el citoplasma bacteriano es hipertónico con respecto al medio y la pared celular, a la vez que le da una forma definida, impide la entrada masiva de agua, que provocaría su lisis. Barrera de moléculas y partículas grandes Determinantes antigénicos (antígeno O) Receptor de fagos División celular y movilidad: el primer fenómeno de la división celular es el inicio de la síntesis de una pared celular divisoria. Los mecanismos de movilidad bacteriana están anclados a la pared.

Importancia biológica de la pared celular La pared celular está implicada en el proceso de recepción de fagos y también actúa como diana de agentes antibióticos (hay antibióticos que actúan específicamente sobre el peptidoglicano). Excepciones Las paredes de las bacterias ácido-alcohol resistentes (micobacterias: tuberculosis). También hay bacterias sin pared celular (micoplasmas, que deben vivir en medios isotónicos). LA PARED CELULAR DE LAS ARQUEAS Las paredes celulares de las arqueas carecen de peptidoglicano y su composición química es muy variable. Algunas arqueas presentan en ella un polisacárido similar al peptidoglicano que se denomina pseudopeptidoglicano o pseudomureína, el cual se caracteriza por contener Laminoácidos en lugar de D-aminoácidos en sus enlaces transversales, ácido Nacetiltalosaminurónico en vez de ácido N-acetilmurámico y enlaces glicosídicos β(1-3) en lugar de β(1-4). Esto ocurre, por ejemplo, en las bacterias metanogénicas. Otras arqueas contienen

complejos similares al sulfato de condroitina del tejido conectivo animal. Éstas se tiñen a menudo como Gram+. Hay otras arqueas que se tiñen como Gram- debido a que poseen una capa de glicoproteínas (algunos metanógenos como Methanolobus, halófilos como Halobacterium y termófilos extremos como Sulfolobus o Thermoproteus) o de proteínas (otros metanógenos como Methanococcus y termófilos extremos como Desulfurococcus) por fuera de su membrana plasmática, con un grosor de 20-40nm. Capa paracristalina o capa S Se presenta en casi todas las arqueas y en algunas bacterias en el exterior de la pared celular y está compuesta por subunidades proteicas o glicoproteínas dispuestas de forma poligonal. Tiene un aspecto cristalino por la disposición bidimensional de sus subunidades. En las arqueas, la capa S puede ser la única estructura de pared por fuera de la membrana, en las bacterias Gram- se adhiere directamente a la membrana externa y en las bacterias Gram+ está asociada a la superficie del peptidoglicano. Funciones: -

Refuerzo estructural: está implicada en el mantenimiento de la forma y la rigidez de la envoltura de algunas células. Puede promover la adhesión celular a algunas superficies. Filtro selectivo: permite el paso de sustancias de bajo peso molecular y excluye las moléculas grandes. Protección: puede proteger a la célula de fluctuaciones iónicas o de pH, del estrés osmótico, de enzimas o de la bacteria predadora Bdellovibrio. También defiende a algunos patógenos bacterianos frente a las defensas del huésped, contribuyendo así a su virulencia.

CÁPSULAS Y CAPAS MUCOSAS: GLICOCÁLIX En muchos casos los procariotas segregan en su superficie materiales viscosos y pegajosos, generalmente polisacáridos, aunque también pueden ser proteínas. Éstos forman una capa que se extiende alrededor de la célula y, según su naturaleza, puede ser de dos tipos: -

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Cápsula: los materiales se disponen en capas rígidas bien organizadas que tienen la capacidad de excluir algunos colorantes y que no se eliminan fácilmente con lavados. Densa y de forma determinada. Capa mucosa: los materiales se disponen de forma difusa y desorganizada, no excluyen partículas y se eliminan fácilmente. Laxa y abierta, carece de forma definida.

Esta capa también se denomina glicocálix de una forma más general, un término que se refiere al material polisacarídico que se extiende alrededor de la célula. Desempeña diversas funciones: -

Adherencia y fijación de algunos microorganismos patógenos a sus hospedadores. Protección frente a la fagocitosis de las células del sistema inmune y el daño físico. Resistencia a la desecación (las capas de polisacáridos retienen una cantidad importante de agua).

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Acumulación de nutrientes atrapados en el medio.

En cultivo, las bacterias suelen perder su capacidad de síntesis de la cápsula. A partir de cápsulas y capas mucosas se pueden extraer productos de interés, como el dextrano. FIMBRIAS Y PILI Fimbrias: filamentos proteicos no helicoidales que se encuentran en la parte externa de las células. Son apéndices cortos y muy numerosos, lo que las diferencia de los flagelos. Favorecen los procesos de adherencia a superficies. Pili: estructuras proteicas similares a las fimbrias, de las que se diferencian por ser más largas y anchas y por estar implicadas en los procesos de conjugación (fijación y transferencia genética entre bacterias: pili sexual). También están implicados en la adherencia y contienen receptores específicos para algunos tipos de virus, por lo que se pueden observar fácilmente cuando están cubiertos de ellos. Los mecanismos de adherencia tienen una gran importancia en la formación de biopelículas o biofilms, que son comunidades complejas de microorganismos adosadas a una superficie mediante polisacáridos adhesivos secretados por ellos mismos. La formación de biopelículas tiene una gran relevancia ecológica: -

Anclaje a puntos nutricionalmente favorables Mantenimiento de la posición en un lugar favorable dentro del hábitat (la mayoría de los microorganismos de un río son sésiles y no planctónicos) Unión a superficies para degradarlas y emplearlas como nutriente Ciclo vital (algunos microorganismos patógenos se adhieren para no ser arrastrados por la sangre y para mantenerse alejados de las células del sistema inmunitario) Protección frente a microbios y frente al sistema inmune

Este proceso tiene consecuencias sanitarias y económicas (formación de biopelículas en implantes médicos, corrosión de metales, piedra y otros materiales, etc.). Formación de un biofilm: si los microorganismos son móviles, pierden sus flagelos y comienzan a secretar productos que forman un entramado en el que se desarrollan y son protegidos. Pueden llegar a constituir estructuras como un micelio fúngico y están constituidos por muchas especies distintas que se comunican y colaboran entre sí. Son muy difíciles de eliminar (raspado, furanosas). EL FLAGELO BACTERIANO La mayoría de los organismos procariotas se desplazan usando flagelos, unos apéndices proteicos largos y finos que se extienden por fuera de la membrana plasmática y la pared celular. Son estructuras rígidas de 20nm de ancho y de hasta 15-20μm de largo que deben teñirse mediante técnicas específicas diseñadas para aumentar su grosor (su estructura detallada sólo puede observarse con el microscopio electrónico). Las especies bacterianas suelen diferir de forma distintiva en el patrón de distribución de sus flagelos, lo que resulta útil para su identificación:

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Bacterias monotricas (trichous=pelo): presentan un único flagelo que, si se presenta en un extremo, se dice que es polar. Bacterias anfitricas (amphi=en ambos lados): tienen un flagelo en cada polo. Bacterias lofotricas (lopho=mechón): poseen un grupo de flagelos en uno o ambos extremos. Bacterias peritricas (peri=alrededor): los flagelos se distribuyen por toda la superficie de la bacteria.

Ultraestructura flagelar Los estudios de microscopía electrónica han mostrado que el flagelo bacteriano consta de 3 partes: -

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Filamento del flagelo: estructura proteica alargada compuesta por monómeros de flagelina dispuestos helicoidalmente para formar un cilindro hueco y rígido. Está rematado en una proteína “capuchón” y en algunas bacterias aparece rodeado por una vaina. La forma y la longitud de onda de los flagelos están determinadas en parte por la estructura de la flagelina, que se encuentra muy conservada dentro del dominio Bacteria, lo que sugiere que la movilidad por flagelos tiene profundas raíces evolutivas. Gancho: estructura rígida que consta de diferentes subunidades proteicas y cuya función es unir el filamento a la parte motora del flagelo. Núcleo, motor o cuerpo basal: estructura motora que está anclada a la membrana plasmática y a la pared celular y que está constituida por un eje central que atraviesa un sistema de anillos. En bacterias Gram- hay 4 anillos fijadores (el anillo C por dentro de la membrana plasmática, el anillo MS por fuera de la misma, el anillo P entre la pared de peptidoglicano y el anillo L en la membrana externa), mientras que en bacterias Gram+ sólo hay 2 (el anillo C y el anillo MS). Alrededor de los anillos C y MS se encuentran las proteínas Mot, mientras que entre ambos están las proteínas Fli, ambas implicadas en el mecanismo de movimiento del flagelo.

Biosíntesis del flagelo Inicialmente se sintetizan los anillos C y MS y se insertan en la membrana. Luego se sintetizan otras proteínas de anclaje y el gancho antes de que se inicie la formación del filamento. Éste crece por la punta en lugar de por la base, al contrario de lo que sucede, por ejemplo, con los pelos animales. Las moléculas de flagelina se sintetizan en el citoplasma y pasan a través de un canal de 3nm situado en el interior del filamento hasta situarse por aposición en su extremo. En éste existe una proteína terminal (la proteína cap) que ayuda a las moléculas de flagelina a distribuirse de forma organizada, produciéndose el crecimiento flagelar de forma continua hasta alcanzar su longitud final. Éste es un proceso de autoensamblaje, ya que la propia estructura de la subunidad de flagelina contiene la información necesaria para la construcción del filamento. Los flagelos rotos son todavía capaces de rotar y pueden ser ...