Biología - Teoría y evolución celular

LA PARED BACTERIANA

Las bacterias poseen una pared celular rígida de espesor variable. 

A través de la denominada tinción Gram se pone de manifiesto la existencia de dos tipos de paredes: grampositiva y gramnegativa. 

La tinción Gram utiliza un colorante llamado violeta cristal y una disolución de yodo; una vez teñida la muestra, se trata con alcohol o acetona y puede observarse lo siguiente:

a)que el tinte permanece: bacterias grampositivas.

b)que el tinte desaparece: bacterias gramnegativas.

-La pared gramnegativa es compleja y se caracteriza por:

a)es delgada (espesor aproximado de 100 A).

b)formada por dos constituyentes:

-periplasma: espacio situado inmediatamente después de la membrana plasmática, ocupado por una capa mono o bimolecular de mureína (peptidoglicano) y por diversas proteínas.

-fina membrana lipídica: situada por encima del periplasma, posee muchas porinas (proteínas) que forman canales que pueden ser atravesados por las mismas proteínas del periplasma.

-La pared grampositiva se caracteriza por:

a)es más gruesa (espesor: 150 a 800 A).

b)llega a constituir el 10-25% del peso total de la bacteria.

c)está formada por capas adicionales de peptidoglicanos atravesados por ácidos teicoicos.

d)no posee ni membrana externa ni periplasma.

e)al estar en la parte externa, la mureína es la responsable de la rigidez de la pared.

-Por otro lado, la pared bacteriana puede encontrase recubierta por una cápsula (capa mucosa), constituida por polímeros orgánicos complejos y que varía de grosor, densidad y adherencia según el tipo de bacteria. No la producen todas las bacterias, y las que la forman pueden perderla debido a una mutación.

Estas cápsulas funcionan como:

a)receptores de virus, 

b)mediadores en las interacciones celulares,

c)elementos de adherencia a otras células o superficies.

En el caso de bacterias patógenas, las cápsulas protegen a éstas del ataque del sistema inmunitario y de otros agentes antibacterianos (haciéndolas más resistentes).

Cubiertas superficiales

Las cubiertas que rodean la célula bacteriana se han identificado por medio de técnicas de tinción en microscopía óptica y electrónica, y técnicas de aislamiento y caracterización bioquímica de los componentes celulares.
Las principales cubiertas son:

	cápsulas y limos
	la pared celular de las bacterias Gram-positivas
	la pared celular de las bacterias Gram-negativas
	la membrana plasmática
	los mesosomas (invaginación de la membrana plasmática)

La relación topográfica entre la pared celular y la membrana plasmática se observa en la microfotografía electrónica de Micrococcus lysodeikticus (A) y de Bacteroides melaninogenicus (B).

1.  Microfotografía electrónica de la bacteria Gram positiva Micrococcus lysodeikticus mostrando la gruesa capa de peptidoglicano que conforma la pared celular (cw), por debajo de ella la membrana plasmática (cm), un mesosoma(m), y el nucleoide (n).
2. Célula bacteriana procesada mostrando la línea de fractura entre la membrana citoplasmática (m.i.) y la  pared celular (m.e.). Barra = 1 µm.

Tanto las bacterias Gram positivas como las Gram negativas poseen una pared celular de peptidoglicanos que les confieren su forma característica y les provee de protección mecánica.
Dos grupos de bacterias carecen de pared celular:

	los Mycoplasma que poseen solamente membrana celular
	las formas L derivadas de bacterias que perdieron su habilidad de sintetizar su pared celular

La pared celular bacteriana rodea al protoplasto. La pared bacteriana es permeable a las sales y a muchas sustancias de bajo peso molecular. No es rígida sino elástica como el "cuero" de una pelota de fútbol, el protoplasto bacteriano confiere una cierta rigidez al conjunto protoplasto + pared que lo rodea, derivada de su presión interna o turgencia (al igual que la cámara hinchada de la pelota).
La presión interna del protoplasto esta determinada osmóticamente. Se debe tener en cuenta que la membrana citoplasmática es la verdadera barrera osmótica (es semipermeable y controla la entrada y salida de sustancias a la célula).

La pared celular y la plasmólisis | Contenidos

La semipermeabilidad de la membrana citoplasmática y la permeabilidad de la pared celular originan, entre otros, el fenómeno de plasmólisis. Este fenómeno se observa cuando la tonicidad del medio externo es mayor que la del protoplasto (medio hipertónico) en estas condiciones el agua sale del protoplasto y este se encoge por lo que la membrana citoplasmática se separa de la pared.

La pared celular y la coloración de Gram | Contenidos

En 1884 el bacteriólogo danés Christian Gram publicó en  Fortschutte der Medicin, 2: 185-189, la descripción de un procedimiento de tinción que diferenciaba las bacterias en dos clases generales: Gram positivas y Gram negativas.
La pared celular es responsable de lo que le sucede al colorante utilizado en la Tinción de Gram.
La propiedad de teñirse o no de violeta oscuro (Gram positivas o Gram negativas) por esta coloración es un criterio de clasificación importante correlacionable con otras propiedades bacterianas. Unos pocos organismos son Gram-variables.
Tanto las Gram-positivas como las Gram-negativas captan la misma cantidad de cristal violeta (CV) e iodo (I). El complejo CV-I sin embargo es atrapado dentro de la célula Gram positiva por la deshidratación y la reducción del tamaño de los poros de la pared resultante del proceso de lavado con solvente. En contraste en las Gram negativas la fina (y probablemente discontinua) capa de peptidoglicano no impide la extracción por el solvente del complejo.
Avala lo antedicho el hecho que, si después de su tinción se tratan con lisozima bacterias Gram positivas, se ve que los protoplastos siguen teñidos, pero pierden el colorante si se los trata con alcohol. Esto indica que el colorante es fijado a nivel del protoplasto, y que la pared celular de las bacterias Gram positivas es la que impide la extracción del colorante. Corroborando esta suposición se observa que cuando Bacillus subtilis emerge de su espora su pared celular esta "inmadura" y se comporta como Gram negativa. Cuando lapared celular adquiere su estructura final pasa a ser Gram positiva.

La pared bacteriana: Estructura Química | Contenidos

El esqueleto de la pared celular bacteriana está constituido por un heteropolímero, el peptidoglicano mureína. El mismo, y las enzimas que intervienen en su síntesis, son una característica general de todas las eubacterias. Las arqueobacterias no poseen mureína.
Esta macromolécula esta formada por una secuencia alternante de N-acetil-glucosamina y el ácido N-acetilmurámico unidos mediante enlaces ß-1,4. La cadena es recta y no ramificada, constituyendo la estructura básica de la pared celular (su "backbone").
El ácido N-acetilmurámico es un éter resultante de la unión del oxhidrilo del C3 de la molécula de N-acetil-glucosamina con el oxhidrilo del ácido láctico.
El grupo ácido del láctico enlaza con una pequeña cadena peptídica. Entre los aminoácidos típicos de esta cadena se encuentran la L-alanina, ácido D-glutámico, ácido m-diaminopimélico o la L-lisina o D-alanina.
Los diaminoácidos al tener dos grupos amino pueden formar enlaces peptídicos con aminoácidos dicarboxílicos de otra cadena. A través de estas uniones peptídicas se unen entre sí las cadenas de heteropolímeros formando una molécula gigante, el sáculo de mureína.

Representación esquemática de los peptidoglicano.
Debemos destacar lo siguiente:

Las formas D de la Alanina y del ácido glutámico no se presentan en las proteínas de los eucariotas. Tampoco en dichas proteínas se encuentra el ácido m-diaminopimélico. La secuencia alternante de N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico no se encuentra en eucariotas Estas características estructurales hacen que las bacterias (al igual que con la diferencia en los ribosomas) presenten un "talón de Aquiles" susceptible de ser utilizado en su contra por los fármacos de la terapia medica. Los agentes terapéuticos que actúan en el ámbito de la pared celular bacteriana y tienen como "blanco" las enzimas involucradas en su síntesis son en gran medida inocuos para el organismo eucariota sometido a una agresión bacteriana (las "balas mágicas" visualizadas por Paul Erlich).

La pared celular de las bacterias Gram positivas | Contenidos

Sus principales características son:

	La red de mureína esta muy desarrollada y llega ha tener hasta 40 capas
	Los aminoácidos implicados varían de una especie a otra.
	La constitución del esqueleto es característica de la especie y constituye una buen parámetro taxonómico
	Es frecuente la presencia de los aminoácidos LL-diaminopimélico o de lisina
	Los polisácaridos están unidos por enlaces covalentes (en el caso de tenerlos) Su contenido proteico es bajo.
	En ella se encuentran ácidos teicoicos

La pared celular de las bacterias Gram negativas | Contenidos

	La red de mureína presenta una sola capa
	La constitución del saco de mureína es igual en todas las bacterias Gram negativas.
	Contiene siempre únicamente meso-diaminopimélico
	Nunca contiene lisina
	No se encuentran puentes interpeptídicos.
	Se encuentran grandes cantidades de lipoproteínas y lipopolisacáridos que representan hasta el 80 % del peso seco de la pared celular. Para mantener la estabilidad de las capas de lipopolisacáridos es necesario el ión Ca++.
	En las bacterias Gram negativas la capa de mureína puede ser atacada por la lisozima cuando se las trata con EDTA (Etilen-diamino-tetracético). Este agente, al quelar el Ca++ libera una parte de los lipopolisacáridos y permite la acción de la enzima..
	Hasta ahora no han podido demostrarse ácidos teicoicos.

Acción de la lisozima y la penicilina | Contenidos

Un viejo refrán dice que Dios llama a la puerta de un hombre solo una vez en la vida. No es el caso de Sir Alexander Fleming a la de él llamo dos veces (o más), aunque es necesario coincidir que no es suficiente con el llamado, amén de él, es necesario escuchar y responder.
Según se cuenta el descubrimiento de la lisozima tuvo lugar cuando las lagrimas de un niño (que estaba en el laboratorio donde trabajaba Fleming), caen en un tubo y aclaran una suspensión Micrococcus lysodeikticus, que, hoy se sabe, es la bacteria mas sensible a la lisozima, ma siii....
Este hecho esta un poco menos difundido que la novelesca historia de la espora de Peniciliumque entro por la ventana del laboratorio de Fleming, cayo en una placa de Petri y al crecer puso de manifiesto la acción bactericida del antibiótico que llamo penicilina....( Florey y Chain en Oxford la aislaron, dieron las pautas de su producción industrial y al hacerlo pusieron en marcha la era de los antibióticos, por ello, Fleming , Florey y Chain recibieron el premio Nobel en 1945 )
La lisozima descubierta en 1922, es una enzima que rompe el enlace beta glucosídico de la mureína. Se la encuentra en el líquido lagrimal, secreciones nasales y en la clara de huevo. También se la ha aislado de bacterias y bacteriófagos. La acción de la lisozima se pone en evidencia por un aclaramiento rápido de una suspensión bacteriana, Micrococcus lysodeikticus ya se lisa con 1 ug de lisozima / ml. Para lisar otras bacterias p.e Bacillus megaterium se necesitan 50 ug / ml . La capa de mureína de muchas bacterias Gram negativas solo es atacada por la lisozima cuando se añade EDTA (Etilen-diamino-tetracético).
El mecanismo de lisis es el siguiente: la destrucción de la pared celular deja al protoplasma de las bacterias rodeado únicamente por la membrana celular ("protoplasto"), lo cual convierte a la bacteria en un organismo extraordinariamente sensible a las variaciones de tonicidad del medio, esta es la base del fenómeno de aclaración que tiene lugar luego de la acción de la lisozima, cuando la solución es  hipotónica.

Los protoplastos son estables en medios hipertónicos e isotónicos; en medios hipotónicos, tal lo señalado, estallan y dejan restos de membrana citoplasmática llamados "fantasmas" (ghosts).
El proceso de síntesis de la pared celular comienza en el citoplasma bacteriano, a partir de N-acetilglucosamina-1-fosfato que se une al UDP (uridin difosfato).

	El UDP se combina con la N-acetilglucosamina-1-fosfato, para dar UDP-N-acetilglucosamina que primero forma el éter láctico y luego en sucesivos pasos enzimáticos se unen al mismo los cinco aminoácidos para formar el N-acetilmurámico.
	En el siguiente paso, que ocurre en el ámbito de la membrana citoplasmática la molécula que es hidrófila cambia a lipófila, lo cual facilita su transporte, por el cambio del UDP por undecaprenil-fosfato y el agregado de un pentapéptido de glicina a nivel de la L-lisina
	En la siguiente fase, en el ámbito de la pared celular, se produce la transglucosidación y formación del enlace beta alargando de esta manera la molécula.
	Los enlaces transversales entre moléculas del polímero se produce por transpeptidación, se libera una D-alanina y el grupo carboxilo se une a un grupo amino de la lisina de otro oligopéptido, también se libera el undecaprenil-fosfato.

La penicilina interfiere en este ultimo paso, es decir impide la unión transversal o puente interpeptídico pero no la elongación del polímero. De la misma manera actúan las cefalosporinas, vancomicina, bacitracina y cicloserina. Debe notarse que la síntesis de la pared no se realiza cuando no hay lisina disponible o cuando se impide la racemización de la L-alanina y por lo tanto la disponibilidad de la D-alanina por efecto de la c-clicoserina (oxamicina).

La membrana externa | Contenidos

En la bacterias Gram negativas se observa por fuera del saco de mureína una capa semejante a la membrana celular por lo que se ha dado en llamarla membrana externa, es de composición compleja y en ella intervienen fosfolípidos, proteínas y lipopolisacáridos.
Cumple funciones mecánicas y fisiológicas. En esta bicapa lipídica (compuesta por el lípido A del lipopolisacárido en su parte externa y los fosfolípidos en la interna) se encuentran proteínas que la atraviesan en todo su espesor y que delimitan poros (por eso se denominan porinas) hidrófilos que permiten el paso de sustancias hidrófilas de bajo peso molecular. No se encontraron sistemas de transporte activo.
En las bacterias Gram negativas el espacio que va desde membrana plasmática a membrana externa (ver figura abajo) se denomina espacio periplásmico, tiene aparentemente una consistencia gelatinosa. En numerosas bacterias contiene abundantes enzimas, por ejemplo aquellas que inician la degradación de substratos como la glucosa, o la transformación de compuestos inorgánicos como los nitratos. También se encuentran las depolimerasas que actúan sobre los biopolímeros (proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y otros). Algunas de estas enzimas están libres y otras ligadas a la membrana citoplasmática.
Los lipopolisacáridos con una estructura característica se encuentran en la capa externa, a diferencia de la membrana plasmática los forman:

	la parte glucosídica corresponde a dos molécula de N-acetilglucosamina (es, para ponerlo en un nombre mas largo una glucosaminadisacárido, es la estructura equivalente al glicerol de los fosfolípidos) sus grupos hidroxilos están esterificados por ácidos grasos C12, C16, C18, que al ser hidrofóbicos se orientan hacia el interior. Se lo conoce como lípido A
	unida a ellas y proyectándose al exterior se encuentra una cadena glicosídica. Esta cadena posee una zona central R y a ella le sigue extermamente la cadenas heteropolisacárida O- especifica que representa a los antígenos somáticos.

Los lipopolisacáridos, una de las endotoxinas más activas de las bacterias, son fuente de origen fiebre, diarrea y shock endotóxico. Tienen gran importancia en el diagnóstico bacteriológico y en la identificación de infecciones.

	Distintas cepas se diferencian entre sí por las llamadas cadenas laterales O específicas ya señaladas, hecho que puede ponerse de manifiesto por métodos inmunológicos.
	Las células bacterianas crecen sobre agar generalmente como colonias lisas y brillantes denominadas formas S (por smooth= lisos); la superficie regular contiene mucha agua debido a la presencia de las cadenas polisacáridas O-específicas.
	Estas formas lisas mutan espontáneamente a formas que crecen como colonias planas y rugosas, denominadas formas R (por rough = rugoso).
	Cuando invaden un organismo, la presencia de esas cadenas de polisácaridos dan a las bacterias S una ventaja selectiva al ser más resistentes a la fagocitosis por los leucocitos y por ello más virulentas.
	Hasta que el hospedador no forme anticuerpos y éstos se unan a los polisácaridos, las bacterias no son atacables, la gran variedad de polisacáridos O-específicos en bacterias patógenas puede deberse a una selección de tipos O-antigénicos (mutantes) nuevos cada vez; tienen por tanto una ventaja en el desarrollo, porque el hospedador no puede disponer simultáneamente de los anticuerpos contra cientos de antígenos.