Estudios de la microbiología

LA CÉLULA PROCARIÓTICA: ASPECTOS GENERALES

COMPOSICIÓN QUÍMICA BÁSICA DE LA CÉLULA PROCARIÓTICA| a Contenidos

El contenido en agua de una célula vegetativa bacteriana típica es de un 70%, mucho menor que el de los eucariotas (que ronda el 90%).

Una célula de Escherichia coli, creciendo de forma equilibrada en un medio a base de glucosa y sales minerales, a 371C, tiene la composición:

tipo de componente	porcentaje sobre peso seco
Proteína	55.0
ARN	20.5
ADN	3.1
Lípidos	9.1
Lipopolisacárido	3.4
Peptidoglucano	2.5
Glucógeno	2.5
total macromoléculas:	96.1
Pequeñas moléculas orgánicas:	2.9
iones inorgánicos:	1.0

Obsérvese que:

• las macromoléculas constituyen la porción mayoritaria de la masa celular (96%);
• las proteínas representan más de la mitad de esta cantidad;
• las bacterias poseen una proporción de ARN superior a la de los eucariotas;
• la mayor parte de los compuestos son semejantes a los de eucariotas, pero dentro de las macromoléculas encontramos dos que son exclusivas de los procariotas (concretamente, de eubacterias, aunque no de todas):

lipopolisacárido (exclusivo de Gracilicutes, o sea, Gram-negativas)
peptidoglucano (presente en Gracilicutes y Firmicutes).

2 TAMAÑO DE LOS PROCARIOTAS| a Contenidos

El tamaño es un parámetro que está determinado genéticamente, pero los valores concretos para cada raza o cepa de bacterias vienen influidos por una serie de condiciones ambientales (nutrientes, sales, temperatura, tensión superficial, etc).

Las bacterias presentan un pequeño tamaño, por lo general menor que el de una célula eucariótica típica. (Obsérverse en el esquema la comparación entre el tamaño de una bacteria típica comoEscherichia coli (0.5 x 2 m m) y el de una célula eucariota).

Sin embargo, existe un amplio rango de tamaños, según las especies:

• Una bacteria muy grande es Beggiatoa gigantea, con un tamaño similar al de muchas células eucarióticas (40 m m). Sin embargo, el auténtico "gigante" entre las bacterias, recién descubierto (1993), mide nada menos que 0,5 mm. (Se trata de Epulopiscium, un comensal del intestino de ciertos peces tropicales).
• Bacillus megaterium mide 1.3 x 3 m m.
• Una bacteria relativamente pequeña es Haemophilus influenzae, que mide 0.25 x 1.2 m m.
• Los organismos celulares más pequeños que existen son los micoplasmas, muchos de los cuales no superan los 0.2 m m de diámetro.

Consecuencias del pequeño tamaño de las bacterias:

1. Metodológicas:

• se necesita recurrir a microscopios para su visualización, y emplear técnicas especiales adecuadas al pequeño tamaño;
• para sacar conclusiones sobre muchas características de las bacterias hay que hacer estudios "promediados", es decir, obtenidos a partir de una gran población de células, y no sobre un solo individuo. (El estudio de células bacterianas aisladas es posible, pero es complicado y no se emplea en la mayor parte de la investigación habitual sobre procariotas).

2. Propiedades físicas: se derivan del comportamiento como partículas coloidales:

• movimiento browniano;
• capacidad de dispersar la luz (el llamado efecto Tyndall);
• aumentan la viscosidad del medio donde van suspendidas.
• Por tener carga eléctrica: migran en un campo eléctrico y aglutinan y precipitan a altas concentraciones de sales.

3. Propiedades biológicas:

• la relación superficie/volumen (S/V) es muy alta. En efecto, supongamos una célula esférica; en dicha célula, la relación S/V es 3/r, o sea, cuanto menor sea el radio (r) mayor será esta relación. Esto significa que el pequeño tamaño de las bacterias condiciona un mayor contacto directo con el medio ambiente inmediato que las rodea, lo que se traduce en que reciben las influencias ambientales de forma inmediata.
• El pequeño tamaño condiciona una alta tasa de crecimiento. La velocidad de entrada de nutrientes y la de salida de productos de desecho es inversamente proporcional al tamaño de la célula, y a su vez, estas tasas de transporte afectan directamente a la tasa metabólica. Por lo tanto, en general, las bacterias crecen (se multiplican) de forma rápida.

3 FORMA| a Contenidos

Los principales tipos de formas bacterianas son:

1. cocos (células más o menos esféricas);
2. bacilos (en forma de bastón, alargados), que a su vez pueden tener varios aspectos:

• cilíndricos
• fusiformes
• en forma de maza, etc.

Atendiendo a los tipos de extremos, éstos pueden ser:

• redondeados (lo más frecuente)
• cuadrados
• biselados
• afilados

3. espirilos: al igual que los bacilos, tienen un eje más largo que otro, pero dicho eje no es recto, sino que sigue una forma de espiral, con una o más de una vuelta de hélice.
4..vibrios: proyectada su imagen sobre el plano tienen forma de coma, pero en el espacio suelen corresponder a una forma espiral con menos de una vuelta de hélice.

Otros tipos de formas:

• filamentos, ramificados o no
• anillos casi cerrados
• formas con prolongaciones (con prostecas)

Estos distintos tipos de morfologías celulares deben de haberse originado por mecanismos evolutivos, a saber, por selección y estabilización adaptativa frente a las distintas presiones ambientales presentes en diferentes nichos ecológicos. 

Relaciones entre tamaño y forma

difusión citoplásmica: Este aspecto lo ilustraremos con una bacteria típica de forma bacilar. Una proteína de unos 50 kDa difundiría desde la periferia del citoplasma al eje longitudinal en menos de medio segundo, mientras que si difundiera desde un polo de la célula al opuesto, tardaría unos 5 segundos. Como vemos, el tiempo de difusión es muy breve.

difusión desde el medio exterior: el entorno inmediato de las bacterias es bastante peculiar, debido al bajo valor de número de Reynolds que poseen.

El número de Reynolds (R) es un parámetro muy empleado en Ingeniería y Arquitectura para expresar la tensión o estrés que soporta una estructura determinada inmersa en el medio local que la sustenta. R equivale a la relación entre la fuerza de inercia y fuerza de fricción

Teniendo en cuenta la masa y velocidad de movimiento de una bacteria como E. coli:

m = 10 ^-12 g

v = 30 m m

tenemos que el valor R para esta bacteria es de 10^-5.

De aquí se deduce que la inercia es irrelevante, mientras que predominan las fuerzas viscosas. Por lo tanto, las bacterias llevan, en su avance, un entorno local debido a la resistencia por viscosidad. Este entorno es una fase fluida cuya forma reproduce, ampliada, la forma de la bacteria en cuestión.

mejora en las propiedades hidrodinámicas o de flotación: Es posible que la forma también tenga relación con propiedades hidrodinámicas. Por ejemplo, las bacterias móviles raramente son esféricas; la forma óptima sería aquí la bacilar. De hecho, existen pocos casos de cocos flagelados.

Como veremos oportunamente, existe un grupo de bacterias alargadas pero con morfología espiral y que están muy bien adapatadas a avanzar en medios muy viscosos. Esta morfología de lasespiroquetas ha debido ser seleccionada evolutivamente precisamente por este factor ecológico.

Por otro lado, las formas con prostecas, prolongaciones, las morfologías en disco o en lámina parecen estar especializadas en facilitar la flotación.

Las bacterias adoptan formas en las que optimizan la relación S/V, y por consiguiente su entorno local. Veamos algunos ejemplos de valores S/V:

los menores valores los poseen las bacterias esféricas (cocos), en las que S/V = 5.8. La forma esférica permite una mayor resistencia frente a la desecación;

los bacilos alcanzan valores de S/V de alrededor de 10;

las formas espirales y las bacterias con prolongaciones vivas (prostecas) tienen valores mayores que los de los bacilos;

la mejor relación S/V conocida (de 16) la posee la curiosa bacteria cuadrada de Walsby.

4 AGRUPACIONES BACTERIANAS| a Contenidos

Las bacterias normalmente se multiplican por fisión transversal binaria. En muchas especies, las células hijas resultantes de un evento de división por fisión tienden a dispersarse por separado al medio, debido a la actuación de fuerzas físicas (movimiento browniano, cizallamiento, corrientes de convección, etc). Esto hace que al observar al microscopio una población de estas bacterias veamos mayoritariamente células aisladas. Pero en algunas especies las células hijas pueden permanecer unidas entre sí (al menos durante un cierto tiempo tras la división de la que proceden) debido a que el tabique sea incompleto o a la existencia de capas mucosas que retienen juntos los productos de la división.

Si la tendencia a permanecer unidas es baja, tendremos agrupaciones de dos células, que dependiendo que sean de morfología esférica o alargada, se denominan como:

• diplococos
• diplobacilos

Si la tendencia a permanecer unidas es mayor (por más tiempo), nos encontramos con varias posibilidades, dependiendo del número de planos de división y de la relación entre ellos:

Si los tabiques son paralelos entre sí (o sea, existe un solo plano de división): estreptococos(cadenetas arrosariadas de cocos) y estreptobacilos (cadenetas de bacilos)

• Si existe más de un plano de división, en el caso de cocos podemos encontrar tres posibilidades:
• dos planos perpendiculares: tétradas (4 céls. en un plano) o múltiplos
• tres planos ortogonales: sarcinas (paquetes cúbicos)
• muchos planos de división: estafilococos (racimos irregulares).

En el caso de bacilos, se pueden dar variantes adicionales, debido a la posibilidad de que se produzcan movimientos postfisionales (en algunos casos con desgarro):

• bacilos en empalizada o en paquetes de cigarrillos (debido a giros de 180^o)
• dos bacilos en ángulo (en forma de letra V o L)
• varios bacilos formando "letras chinas".

 

5 FENÓMENOS DE MULTICELULARIDAD EN BACTERIAS| a Contenidos

Ciertos grupos de bacterias exhiben una pluricelularidad incipiente, de modo que se dan conjuntos de células asociadas permanentemente. En muchos casos, dentro de estos grupos celulares existen formas celulares diferenciadas y especializadas. Por supuesto, en ninguna instancia se puede hablar de diferenciación de tejidos (algo exclusivo de eucariotas).

Mixobacterias. Como estudiaremos oportunamente, se trata de bacterias con dos fases dentro de su ciclo de vida: una fase a base de enjambres donde todas las células se mueven coordinadamente, y otra fase a base de cuerpos fructificantes en los que se aloja un tipo especializado de célula llamadomixospora.

Filamentos (= tricomas) de ciertos grupos de Oxifotobacterias (= Cianobacterias). En ellos las células vegetativas individuales están unidas entre sí por puentes citoplasmáticos (permitiendo, por tanto, comunicación intercelular). Ciertas cianobacterias filamentosas poseen, además, células especializadas (heteroquistes, aquinetos). Los filamentos no son exclusivos de cianobacterias, ya que también se dan en ciertas bacterias Gram-negativas no fotosintéticas.

Cuerpos circulares del género Thermus: unas 14 células se encuentran englobadas por una pared externa común.

Filamentos cenocíticos ramificados de los Actinomicetos: constituyen las denominadas "hifas" (por analogía con las de los hongos), que a su vez originan "micelios".

6 ESTRUCTURA GENERAL DE UNA CÉLULA PROCARIÓTICA| a Contenidos

Veamos de qué partes principales se compone una célula procariótica (consultar la figura). Haremos una enumeración desde el exterior al interior celular. Los asteriscos (*) indican los componentes obligatorios de cualquier bacteria, mientras que los demás son "dispensables" en el sentido de que no son universales, sino que están presentes en grupos más o menos amplios de procariotas:

cápsula o capa mucilaginosa

capa S paracristalina

vaina

botones de anclaje

pared celular

* protoplasto, que a su vez se compone de

* membrana citoplásmica (que puede tener o no invaginaciones)
* citoplasma, que incluye:
* genóforo, constituido obligatoriamente por
* un cromosoma y accesoriamente por
plásmidos (elementos genéticos extracromosómicos)
* ribosomas
inclusiones
orgánulos

Pueden existir, además, apéndices filamentosos:

flagelos
fimbrias (= pelos).

En los próximos temas abordaremos el estudio de estos componentes de la célula procariótica, centrándonos en su composición química, estructura y sus funciones o papeles.

ESTRUCTURAS SUPERFICIALES DE LA CÉLULA BACTERIANA

CÁPSULA| a Contenidos

1.1 CONCEPTOS GENERALES

La cápsula se puede definir como una estructura superficial que presentan muchas bacterias en sus ambientes naturales, consistente en acumulación de material mucoso o viscoso, situado externamente respecto de la pared celular (o, en su caso, respecto de la capa S y de la vaina).

Las cápsulas se pueden describir en función de:

• su grado de asociación con la superficie celular subyacente (sobre todo pared);
• su consistencia y sus límites externos;

Según ello, podemos tener varios tipos de cápsulas (no necesariamente excluyentes entre sí):

• rígida: con suficiente consistencia estructural como para evitar la entrada de partículas como las de tinta china o nigrosina. Suele tener un límite exterior definido.
• flexible: poca consistencia, de modo que no excluye partículas. Además, es deformable y carente de límites precisos.
• integral: íntimamente asociada con la superficie celular, a saber, con la P.C.
• periférica: asociada a la superficie celular sólo en determinadas condiciones, pero finalmente se dispersa al medio exterior.

Hay una cierta confusión en la nomenclatura de las cápsulas. Nosotros usaremos los siguientes conceptos:

• Cápsulas en sentido estricto son aquellas de tipo rígido e integral.
• Capas mucilaginosas son las de tipo flexible y periférico.
• Glucocálix es el conjunto de estructuras superficiales bacterianas, exteriores respecto de la P.C., y compuestas de polisacárido.

Las cápsulas son estructuras inertes, "no vivas", carentes de papel activo (metabólico), pero que confieren a las bacterias importantes propiedades:

• adhesión a otras células: microcolonias y consorcios
• adhesión a sustratos inertes o vivos: colonización de sus nichos ecológicos (p. ej., tejidos de organismos superiores)
• protección contra agentes antibacterianos.

1.2 MÉTODOS DE OBSERVACION Y ESTUDIO| a Contenidos

Su observación a microscopía óptica en fresco es difícil, ya que su índice de refracción es similar al del medio. Al ser una estructura muy hidratada (99% de agua), su observación con las técnicas habituales de microscopía electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB) revela una notable contracción de su estructura. Además, los colorantes habituales tienen poca afinidad hacia ella.

• A microscopía óptica: Se recurre a tinción negativa por medio de nigrosina o tinta china.
• A microscopía electrónica: Hay que recurrir a la estabilización previa de la estructura capsular (para evitar su contracción ulterior) por medio de anticuerpos anticapsulares o delectinas. Tras esta operación, se procede a la tinción por una ferritina catiónica (p. ej., el rojo de rutenio), con afinidad hacia polianiones.
• Para investigar más sobre la estructura de la cápsula se recurre igualmente a difracción de rayos X del polisacárido capsular.

Aislamiento del material capsular: El material de las capas mucosas (es decir, de las cápsulas flexibles y periféricas) es muy fácil de aislar, ya que tiende a dispersarse continuamente en el medio de cultivo. Por lo tanto, se puede aislar directamente de los sobrenadantes resultantes de la centrifugación del cultivo correspondiente. El material de las cáspulas rígidas e integrales puede aislarse tratando al cultivo con agua caliente o con ácidos o álcalis débiles.

                     Micrografías electronicas de transmisión de Pseudomonas aeruginosa. Al fijador, tanto glutaraldehido como osmio, se agregó rojo de rutenio y lisina. Se aprecia un mayor contraste y aparece el glicocálix como un meteri all electrón denso (flechas pequeñas) rodeando las bacterias. En la pared bacteriana se aprecian fácilmente los elementos constitutivos. La flecha grande señala la capa de peptidglicano, al lado interno aparece la membrana citoplasmática como una línea negra y hacia el exterior el periplasma y la membrana externa.

1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA| a Contenidos

En general, el material capsular se compone de macromoléculas asimétricas que, en muchos casos constan de una serie de unidades repetitivas: polisacáridos o polipéptidos.

cápsulas polisacarídicas

heteropolisacáridos aniónicos, cuyas unidades repetitivas constan de :
azúcares (osas)
aminoazúcares
ácidos urónicos
homopolisacáridos neutros, como
levanos (polímeros de unidades de fructosa unidas por ß(2 6)
dextranos
celulosa
alginatos (p. ej., en Azotobacter, Pseudomonas), consistentes en una alternancia de distintos tipos de ácidos urónicos.

cápsulas polipeptídicas (sólo encontradas en el género Bacillus). Están formadas por glutamil-polipéptidos. Así p. ej., en B. anthracis el péptido es sólo de D-glutámico.

Las cápsulas y capas mucilaginosas bacterianas constituyen el llamado antígeno K (capsular). Una misma especie puede constar de distintas razas, cada una de ellas con un Ag K distintivo, distinguible del de las demás por su composición química y su inmunorreactividad. Por ejemplo, enEscherichia coli se encuentran unos 70 tipos diferentes de especificidades de Ag K.

Las cápsulas polisacarídicas están unidas a la superficie subyacente, sobre todo a la pared celular.

La estructura es a base de una matriz muy hidratada, con una ordenación regular radial, o a veces, en láminas concéntricas.

1.4 BIOSÍNTESIS| a Contenidos

La mayoría se sintetizan por mecanismos similares a los que veremos para la biosíntesis del peptidoglucano y del polisacárido del lipopolisacárido:

• a base de precursores nucleotídicos de azúcares (UDP-glucosa, UDP-galactosa, GDP-manosa...), que se van ensamblando mediante undecaprenil-P, un típico transportador lipídico situado a nivel de la membrana citoplásmica.
• En el caso de los dextranos y levanos (en los géneros Streptococcus, Leuconostoc): su síntesis ocurre fuera de la célula, por transglucosilación de moléculas de sacarosa, catalizada respectivamente por dextránsucrasas y levánsucrasas. Estas reacciones no requieren ATP, ya que la energía requerida procede de la conservación del enlace glucosídico

1.5 FUNCIONES| a Contenidos

En laboratorio, muchas bacterias suelen perder la capacidad de formar cápsulas al cabo de varios subcultivos. Así pues, la posesión o no de cápsula es algo que no afecta a la viabilidad de las bacterias. Pero en medios naturales, las cápsulas confieren a las bacterias una serie de propiedades, que dependen del nicho ecológico particular donde viva cada bacteria. Estudiaremos una serie de propiedades o papeles generales, comunes a todas las cápsulas, para concluir con algunos ejemplos de papeles específicos.

1.5.1 PROPIEDADES O PAPELES GENERALES

1. Mejora en las propiedades de difusión de nutrientes hacia la célula. Los polisacáridos extracelulares aniónicos funcionan como una resina de intercambio.
2. Protección contra la desecación.
3. Protección contra la predación por parte de protozoos.
4. Protección contra agentes antibacterianos:

• contra metales pesados
• contra bacteriófagos
• contra células fagocíticas (p. ej., la cápsula del neumococo)
• contra detergentes
• contra anticuerpos

5. Adhesión a sustratos:

1. sobre sustratos inertes: propiedad importante, sobre todo en medios acuáticos. La mayoría de las bacterias acuáticas no son planctónicas, sino que viven en interfases (superficies, sedimentos), donde los nutrientes difunden mejor. Veamos cómo se produce el proceso:

• la bacteria se adhiere por la cápsula al sustrato;
• la cápsula supone un aumento de superficie bacteriana, lo que se traduce en una mejora en la capacidad de absorber nutrientes;
• la bacteria se multiplica, formándose una microcolonia donde los individuos están más protegidos frente a los agentes antibacterianos;
• se forman consorcios con otros microorganismos. Ello permite una "alianza" o colaboración metabólica entre distintas especies, por la que se produce la degradación concertada de sustratos insolubles.

Esta propiedad tiene una serie de importantes secuelas económicas:

• corrosión y obstrucción de cañerías;
• formación de placa dental y caries;
• formación de biopelículas en catéteres y prótesis quirúrgicas

1. sobre sustratos vivos (tejidos de organismos superiores):

• En sistemas "normales" (efectos benéficos): La flora (= microbiota) autóctona que coloniza los epitelios de los animales superiores está englobada en glucocálix, estando las bacterias adheridas a la superficie tisular. Es decir, las cápsulas pueden actuar comoadhesinas (moléculas para la adhesión). Otro ejemplo de ello lo da la microflora autóctona de la simbiosis del rumen
• En sistemas patológicos: La cápsula es uno de los factores de virulencia, de los que depende el inicio de muchas infecciones por parte de bacterias patógenas. Si, además, la flora autóctona del individuo afectado está alterada o disminuida, esto supone un nicho ecológico vacío o perturbado, que puede ser colonizado por bacterias patógenas, en parte gracias a su glucocálix, que además las protege frente a surfactantes, células fagocíticas, anticuerpos, etc. Muchas cápsulas polisacarídicas no son reconocidas como material extraño por el sistema inmune, debido a que su estructura "mimetiza" estructuras del propio hospedador. Otras cápsulas sobrapasan la capacidad de respuesta del sistema inmune, o bien no activan eficientemente al sistema complemento.

1.5.2 PROPIEDADES PARTICULARES

Como receptores para ciertos bacteriófagos.

1. En las bacterias tropicales fijadoras de N₂ atmosférico, de los géneros Derxia y Beijerinckia la gruesa y espesa cápsula actúa como barrera frente a la difusión de O₂, con lo cual evitan la inactivación de la enzima nitrogenasa.
2. En Rhizobium (fijador de N₂ en simbiosis con las raíces de leguminosas) el polisacárido extracelular actúa en la fase de reconocimiento entre la bacteria y la planta específica, a través de lectinas de esta última.

1. En Acetobacter xylinum la cápsula es a base de fibrillas de celulosa que retienen burbujas de aire, lo cual hace que la bacteria flote hasta su nivel adecuado.

2. CAPA "S" (CAPA SUPERFICIAL PARACRISTALINA)| a Contenidos

Capa que, en muchas bacterias (sobre todo Gram-positivas), envuelve a la pared celular, formada por el ensamblaje regular de subunidades idénticas de proteínas o glucoproteínas. En muchas Arquebacterias es la única capa que rodea al protoplasto, por lo que en ellas cumple funciones de auténtica pared celular.

Disposición	Unidades morfológicas
Simetría binaria: filas oblicuas paralelas	Dímeros
Simetría cuadrangular	Tetrámeros
Simetría hexagonal	Hexámeros

La unión entre los monómeros se realiza por enlaces no covalentes:

• hidrófobos
• iónicos, bien directos, o por mediación de cationes
• puentes de hidrógeno

Papel:

1. En eubacterias provistas de P.C. la capa S cumple un papel de tamiz molecular protector que impide la entrada de agentes antibacterianos.
2. En Arqueobacterias da forma y rigidez a muchas especies. En arqueobacterias halófilas (p. ej., Halobacterium) la capa S de glucoproteína contiene glucopéptidos especiales, y está estabilizada por altas concentraciones de sodio, presentes en su nicho. En termoacidófilas (Sulfolobus) existen glucoproteínas en matrices hexagonales, ricas en aminoácidos polares (Ser, Thr), estando la capa S estabilizada por los bajos pH del medio.

3. VAINAS| a Contenidos

Son estructuras tubulares (ramificadas o no) compuestas de un heteropolímero, a base de proteína, lípido y polisacárido, que engloban a conjuntos de células bacilares en cadenetas o filas. La vaina está en contacto con la P.C subyacente, pero no hay enlaces entre ambas.

En Sphaerotilus y Leptothrix las vainas se recubren de acúmulos de óxidos e hidróxidos de Fe y Mn.

Conforme se dividen por fisión binaria, las células de los extremos del filamento van sintetizando nuevo material de la vaina que las va rodeando

Las Arqueobacterias Methanothrix y Methanospirillum poseen vainas proteicas con subunidades dispuestas en anillos, y son las que confieren la forma.

4. BOTONES DE ANCLAJE| a Contenidos

Son acúmulos de mucopolisacáridos ácidos, segregados en puntos concretos de la célula, a nivel de P.C., extremos de prostecas y pedúnculos o de tallos inertes en algún momento del ciclo de vida de ciertas bacterias. Facilitan la unión de las bacterias que los poseen a sus sustratos.

Discos adhesivos ("holdfast") en el extremo de las prostecas de Caulobacter .