Universidad Nacional del Nordeste
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Estructura bacteriana Luis A. Merino
ULTRAESTRUCTURA BACTERIANA Las bacterias son seres unicelularas procariotas, es decir que no poseen un material genético envuelto por una membrana nuclear que poseen elementos estructurales obligados y elementos facultativos. Son elementos obligados aquellos de los que no puede prescindir para vivir (pared celular, membrana citoplasmática, citoplasma, ribosomas y genoma) y elementos facultativos, los cuales están presentes sólo en algunas especies bacterianas y aún en las que los poseen, si desaparecen las bacterias pueden seguir viviendo aunque pierdan ciertas capacidades fisiológicas y patogénicas (flagelos, fimbrias, esporas, cápsula). De adentro hacia fuera las bacterias poseen las siguientes estructuras: citoplasma o citosol, membrana citoplasmática, pared (excepto los micoplasmas) y cápsula (sólo algunas especies) LA MEMBRANA CITOPLASMÁTICA Es una bicapa lipídica formada por fosfolípidos y proteínas (Figura 1). Presenta algunas diferencias respecto a las de las células eucariotas:
Exterior celular
1) La membrana citoplasmática de las bacterias es excepcionalmente rica en proteínas y no contiene esteroles, salvo en el caso de los Mycoplasmas. 2) Presenta repliegues (invaginaciones) hacia el interior del citosol conocidos como mesosomas 3) El ADN bacteriano o genoma bacteriano está firmemente adherido a la membrana citoplasmática 4) La membrana citoplasmática es el sitio donde se sintetiza ADN, los polímeros con que se sintetiza la pared celular y los lípidos de la membrana 5) Contiene todo el sistema de transporte de electrones de la célula y 6) Contiene las proteínas receptoras que funcionan en el movimiento dirigido o quimiotaxis de la bacteria hacia nutrientes solubles.
Polisacáridos PLP
Interior celular
Fosfolípidos
Permeasas Enzimas Proteínas Fig. 1.: Esquema representativo de la membrana citoplasmática bacteriana
La membrana citoplasmática cumple funciones de barrera permeable selectiva y participa en la secreción hacia el exterior de proteínas tales como las exotoxinas capaces de producir enfermedades. En la superficie externa de la membrana citoplasmática existen enzimas que participan de la síntesis de la pared bacteriana y se denominan Proteínas Ligadoras de Pe-
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nicilina (PLP o PBP, en inglés) a los cuales se unen algunos antibióticos inhibiéndolas e impidiendo la síntesis de la pared. PARED CELULAR Por fuera de la membrana citoplasmática se encuentra una pared celular rígida que está presente en todas las bacterias, con excepción de los micoplasmas. Sus funciones son: 1) Proteger a las bacterias de la diferencia de presión osmótica entre el medio interno de la bacteria y del exterior 2) Funciona como una barrera contra sustancias tóxicas químicas y biológicas presentes en el medio externo. 3) Su rigidez es la que proporciona la forma a la bacteria. El componente principal de la pared celular es la mureína, un péptidoglicano que consiste en una cadena lineal de dos azúcares alternados, N-acetilglucosamina (NAGA) y ácido Nacetilmurámico (NAM). A cada residuo de NAM se halla ligado un tetrapéptido. Estos tetrapéptidos intervienen en la unión de las cadenas adyacentes de mureína mediante un puente peptídico intermediario. Estas fibras se entrelazan entre sí dando como resultado una estructura muy rígida y estable (Figura 2).
NAM
NAGA
NAGA
NAM
NAGA
NAM
NAGA
NAM
NAGA
NAM
NAM
NAGA
NAM NAGA
NAM NAM
NAGA
NAM
NAGA
NAM NAGA
NAM NAGA NAGA
NAGA
NAM NAM
Fig. 2.: representación esquemática de una porción de peptidoglicano de la pared bacteriana
Existen dos tipos de pared bacteriana lo que permitió dividir a las bacterias en dos grupos en base a la coloración de Gram: aquellas capaces de retener el colorante cristal violeta luego de la decoloración con alcohol acetona (bacterias grampositivas) y aquellas que pierden el decolorante por decoloración (gramnegativas). Por otro lado podemos nombrar otros tres grupos 1) las micobacterias que poseen una estructura que responde a los grampositivas pero no se tiñen con ese colorante porque su pared tiene además un alto contenido en lípidos
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2) los treponemas que tienen una estructura de pared de gramnegativas pero no pueden ser observados con la coloración de Gram porque son tan delgados que caen por debajo de los límites de resolución del MO 3) Los micoplasmas que carecen de pared celular. Pared celular de las bacterias grampositivas La pared celular de las bacterias grampositivas es más gruesa que la de los bacterias gramnegativas y posee dos componentes fundamentales (péptidoglicano y ácidos teicoicos) y otros carbohidratos y proteínas que varían de acuerdo a la especie (Figura 3). El principal componente es el peptidoglicano o capa de mureína que es muy gruesa. El seÁcidos teicoicos
Carbohidratos Capa de mureína
Membrana citoplasmática
Fig. 3.: Esquema de la ultraestructura de la pared celular de las bacterias grampositivas
gundo componente de importancia en la pared celular de las bacterias grampositivas son los ácidos teicoicos que constituyen los mayores determinantes antigénicos que definen la individualidad inmunológica de estas bacterias, actúan como receptores para bacteriófagos e inhiben la fagocitosis. Otras moléculas presentes en la pared de las bacterias grampositivas son los carbohidratos como los carbohidratos C de Streptococcus que definen la especificidad de grupos o proteínas como la proteína M del estreptococo del grupo A o la proteína A del Staphylococcus aureus. Pared celular de las bacterias gramnegativas El espesor de la pared celular de las bacterias gramnegativas es considerablemente menor que el de una bacteria grampositivas y estructuralmente dichas paredes tienen poca similitud entre sí (Figura 4) La cantidad de mureína es mucho menor y forma una delgada pero resistente capa que protege a la bacteria. Además carece de ácidos teicoicos. Solo unas pocas cadenas de mureína están unidas a otras cadenas paralelas por medio de tetrapéptidos y son suficientes como para formar una malla de mureína. El resto de las cadenas permanecen sueltas y sumergidas en un fluido que contiene agua y moléculas libres, para formar un gel periplásmico que aparece a ambos lados de la pared celular. El espacio periplásmico no es un espacio lleno de fluido sino que es un verdadero gel que define el periplasma. Por fuera del periplasma se encuentra una estructura denominada membrana externa. Está formada por dos semicapas, la interior, compuesta por fosfolípidos y la exterior compuesta por Lipopolisacárido (LPS) que tiene actividad de endotoxina. El LPS posee una región I o antígeno O (que es antigénico y característico de ciertas especies bacterianas), un polisacárido central y una región III o Lípido A (el cual es el responsa-
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ble de la actividad endotóxica del LPS). La endotoxina puede actuar como pirógeno endógeno y desencadenar la cascada del complemento y de la coagulación. Lipopolisacárido Porina
Membrana externa Proteína de membrana externa
Periplasma Mureína
Membrana celular Fig. 4.: Esquema de la ultraestructura de la pared celular de las bacterias gramnegativas
La membrana externa presenta además proteínas denominadas porinas que la atraviesan, cuyas funciones son actuar de canales para nutrientes, son receptores para bacteriófagos y permiten la adherencia a receptores específicos del huésped. Pared celular de las micobacterias Se diferencian de las bacterias grampositivas y gramnegativas porque poseen una gran cantidad de ácidos grasos llamados micólicos unidos a la pared. Porina
Ácidos micólicos
Arabinogalactano Mureína
Membrana celular
Fig. 5.: Esquema de la ultraestructura de la pared celular de las bacterias ácido-alcohol resistentes
Estas bacterias necesitan de una coloración especial para ser observadas al microscopio (coloración de Ziehl-Neelsen) y debido a que los ácidos grasos retienen el colorante cuan-
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do son decoloradas con alcohol y ácido, se denominan bacterias ácido alcohol resistentes. Muchos de los ácidos grasos presentes en la pared son tóxicos para los macrófagos e inhiben la destrucción de la bacteria por medio de los lisosomas celulares. CITOPLASMA En el citoplasma o citosol bacteriano pueden verse con el ME dos zonas; una fibrosa que corresponde al genoma y otra granulosa que está abarrotada de ribosomas. El citosol además posee gránulos de reserva formados por polifosfatos, glucógeno o ácido polibetahidroxibutírico. GENOMA BACTERIANO El genoma bacteriano o nucleoide está formado por una gran molécula de ADN de doble cadena, superenrollado que si bien no posee la organización de un cromosoma y la asociación con histonas, puede estar asociado a ciertas proteínas. El ADN se une a zonas estratégicas de los mesosomas de la membrana plasmática en un sitio denominado oriC para iniciar su duplicación. Pueden existir como elementos facultativos pequeñas cadenas circulares de ADN libres en el citosol denominadas plásmidos, con capacidad para replicarse independientemente del genoma bacteriano.
Fig. 6. Microscopía electrónica de una cadena de ADN desenrollado
RIBOSOMAS Poseen u tamaño de 70s y poseen una estructura diferente a la de los ribosomas de las células eucariotas (80s) y por ello han podido desarrollarse antimicrobianos que actúen sobre los ribosomas bacterianos y no sobre los ribosomas del hombre y los animales. CÁPSULA Y MATRICES EXOPOLISACÁRIDAS Por fuera de la pared, algunas bacterias presentan una capa de polisacáridos o de proteínas que puede ser gruesa o delgada, rígida o flexible, que es una cubierta continua formada por un gel hidrofílico. Cuando la estructura es firme y tiene bordes definidos, se habla de cápsula. Esta está organizada en una matriz muy compacta que excluye las partículas como las de tinta china. Cuando la estructura es amorfa y de bordes poco definidos e irregulares se habla de glicocálix o matriz exopolisacárida; en este caso no excluiría a las partículas y sería más difícil de ver. Aunque la mayoría de las cápsulas son polisacáridas, existen algunas que son polipeptídicas como las de Bacillus anthracis. La cápsula es un determinante de patogenicidad para la bacteria ya que le da resistencia a la fagocitosis y a la lisis intracelular y le permite la adherencia a las mucosas del huésped. Tal es su importancia en la virulencia que se ha visto que Fig 7.: Tinción con tinta china mostrando la bacterias que pierden su cápsula se vuelven avicápsula (incolora) que rodea a las bacterias rulentas o no patógenas. La cápsula es un importante determinante antigénico que sirve en algu-
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nas bacterias para preparar vacunas (Haemophilus influenzae y Neisseria meningitidis) FLAGELOS Muchas bacterias son móviles y esta capacidad para desplazarse independientemente, en general es debida a la presencia de organelas especiales para la motilidad: los flagelos. Los flagelos bacterianos están compuestos por subunidades de una proteína denominada flagelina. La estructura de la región basal del flagelo es diferente a la del resto del filamento. Existe una región más ancha de la base denominada gancho; unido al gancho se encuentra el cuerpo basal, estructura compleja que participa en la conexión del aparato flagelar con la envoltura celular. Los flagelos bacterianos son portadores del antígeno H, el cual es un determinante antigénico de importancia en la identificación de las bacterias y de aplicación en pruebas diagnósticas. Fig. 8: Microscopía electrónica de una bacteria con flagelos peritricos.
El flagelo es un importante determinante de patogenicidad pues permite a la bacteria avanzar a través del mucus y además puede actuar como elemento de adherencia a la célula del huésped. Existen bacterias que carecen de flagelos, algunas poseen un solo flagelo polar (Monotricas), otras que poseen varios flagelos en un polo (Lofotricas) como o en ambos polos (Anfitricas) y otras poseen flagelos alrededor de toda la célula (Peritricas - Figura 8). Algunas bacterias presentan flagelos sólo cuando crecen en medios líquidos mientras que carecen de ellos si crecen en medios sólidos. FIMBRIAS Son estructuras proteicas químicamente muy semejantes a los flagelos, son considerablemente más cortas y más abundantes (Figura 9). Las fimbrias no participan de la motilidad sino que actúan como factores de adherencia a las células del huésped para evitar ser arrastradas por las barreras naturales de defensa y en algunas especies inhiben la fagocitosis. Existen diferentes tipos de fimbrias con especificidades características para determinados receptores en las células del huésped.
Fig. 9: Microscopía electrónica mostrando las fimbrias bacterianas que rodean a la célula
PILI SEXUALES Los pili (plural de pilus) sexuales son microfibrillas huecas que participan en el intercambio de material genético entre bacterias mediante un proceso llamado conjugación y pueden actuar como receptores para bacteriófagos. Las bacterias que los poseen se denominan masculinas (F+) o donantes y las que carecen de ellos se denominan femeninas (F-) o aceptoras (Figura 10).
P S
F
F +
Fig. 10: Bacteria donadora (F+) en proceso de conjugación con una bacteria
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ENDOSPORAS Son elementos de resistencia para la bacteria. Se denomina así porque son estructuras que se forman dentro de las células. Son muy resistentes al calor (más de 100ºC) y no se destruyen con facilidad con sustancias químicas agresivas. La estructura de las esporas es mucho más compleja que la de la forma vegetativa en cuanto a que tienen numerosas capas. Entre las bacterias esporuladas (Figura de la derecha) se encuentran los Bacillus (aerobios) y los Clostridium (anaerobios) La formación de la endospora o esporulación se desencadena cuando la bacteria es expuesta a factores ambientales adversos (Figura 11). Los factores más importantes que desencadenan la esporulación son la disminución de las fuentes de C o N, el calor, la desecación o la presencia de oxígeno en el caso de las bacterias anaerobias. Una vez restituidas las condiciones adecuadas para el desarrollo de la bacteria, la espora se hidrata y comienza el proceso de germinación o sea de transformación en forma vegetativa nuevamente. Forma vegetativa
Inicio de la esporulación
Inicio de la germinación
Espora
Bacteria con endospora Fig 11: Proceso de esporulación y germinación de una bacteria esporulada.
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