E S T R U C T U RA Y S U S C A RAC T E R Í S T I C A S

LAS BACTERIAS

ESTRUCTURA CELULAR

• CELULAS EUCARIÓTICAS• Núcleo • Citoplasma• Pared celular ( celulosa o quitina) • Retículo endoplásmico ( liso y rugoso ) • Aparato reticular de Golgi • Mitocondrias• Cilios • Flagelos. • CELULAS PROCARIÓTICAS• Son más simples que la eucariótica con una excepción

: la pared celular que puede ser más compleja.

ESTRUCTURA BACTERIANA

• ENVOLTURA Y APENDICES • Las bacterias tienen un interior

muy simple y un exterior complejo, incluso recargado. Esto se puede entender con facilidad al apreciar que la envoltura no solo protege a la célula contra las amenazas químicas y biológicas de su ambiente, sino que también es responsable de muchos procesos metabólicos que son característicos de los organelos internos de las células eucariotas.

ENVOLTURA Y APENDICES • Cápsula.-Polímero

(polisacárido) extracelular sintetizado por la bacteria en su ambiente natural, formando un condensado una capa bien definida que rodea estrechamente a la bacteria.

• Glicocalix.- Maraña de fibras con polisacáridos, proteínas o mezclas de ambos compuestos (Klebsiela pneumoniae, Streptococus mutans ) .

• Flagelos .- Apéndices filiformes compuestos por proteínas ( 12 – 30nm diámetro ) flagelina .

• Motilidad .- Semirrígidos , helicoidales, retornos ( giro) .

ENVOLTURA Y APENDICES NÚCLEO BACTERIANOCuenta con dos regiones claramente visibles, una granular (el citosol) y otra fibrosa (el nucleoide). Además, muchas bacterias poseen plásmidos que en general son corpúsculos circulares de DNA de doble cadena en el citosol que están separados del nucleoide mas grande, son muy pequeños.

• CITOSOL Esta rodeado por la membrana celular. Tiene un aspecto granuloso debido a que esta repleto de ribosomas, que son mucho mas abundantes que en el citoplasma de las células eucariotas. Cada ribosoma es una partícula de ribonucleoproteína que consiste en tres especies de rRNA (5 S, 16 S y 23 S) y mas de 50 proteínas. La estructura general de las subunidades (una partícula 50 S mas una partícula 30 S) del ribosoma bacteriano 70 S se asemeja a la de los ribosomas eucariotas, pero es mas pequeño y difiere lo suficiente en función de que un número muy grande de antimicrobianos tienen como blanco al ribosoma procariota.

• NUCLEOIDE El genoma bacteriano reside en un solo cromosoma (existen raras excepciones) y consiste típicamente en cerca de 4 000 genes codificados en una molécula circular grande de DNA de doble cadena, que contiene cerca de 5 millones de pares de bases de nucleótidos. Se adhiere a la membrana celular y a estructuras centrales.

• Pilis (fimbrias) Subunidades de proteínas (pilina) , conjugación bacteriana ( Escherichia coli enteropatógena). Las pilosidades comunes cubren la superficie de la célula. En muchos casos son adhesinas,que son responsables de la capacidad de las bacterias para colonizar superficies y célulasLa pilosidad sexual participa en el intercambio de material genético entre algunas bacterias gramnegativas. Solo existe una por célula.

• Pared Celular protege a la célula de las alteraciones mecánicas y evita que estalle a causa de la presión de turgencia producida por la hipertonicidad del interior de la célula con relación al ambiente. También proporciona una barrera contra ciertos agentes químicos y biológicos tóxicos; su forma es responsable de la apariencia de la célula.

• La membrana de la célula bacteriana es excepcionalmente rica en proteínas y no contiene esteroles (excepto micoplasmas). El cromosoma bacteriano esta adherido a la membrana celular, la cual representa una función en la segregación de los cromosomas hijos en la división celular, análoga a la función del aparato mitótico de las eucariotas. La membrana es el lugar de síntesis del DNA, de los polímeros de la pared celular y de los lípidos de membrana. Contiene todo el sistema de transporte de electrones de la célula (en consecuencia, es funcionalmente análoga a la mitocondria de las eucariotas).

MICROBIOLOGIA MEDICA ; Ryan Kenneth y cols; Edit. Mac Graw Hill, 5ta Edición, Cap. 21MICROBIOLOGIA MEDICA; JAWETZ Ernest, Capítulo 2

ENVOLURA Y APENDICES

PARED CELULAR

• La evolución de las bacterias ha conducido a dos soluciones importantes para la estructura de la pared celular.

• La tinción de Gram distingue dos estructuras principales de la envoltura se clasifican en Gram positivas y Gram negativas

PARED CELULAR Pared celular grampositiva

• La pared celular grampositiva tiene dos componentes principales, peptidoglucano y ácidos teicoicos, además de carbohidratos y proteínas adicionales, dependiendo de la especie.

• El peptidoglucano consiste en una cadena lineal de glucano con dos azucares alternadas, N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM).

• El ácido teicoico constituído por polímeros ya sea de fosfato de glicerol o fosfato de ribitol, con diversos azúcares, aminoazúcares y aminoácidos como sustituyentes.

PARED CELULAR Pared celular

gramnegativa En las células gramnegativas, la cantidad de peptidoglucano es muy reducida y parte de ella forma una vaina de una sola capa alrededor de la célula, mientras que el resto forma el gel periplásmico, con pocos enlaces cruzados. Fuera de este periplasma se encuentra una elaborada membrana externa.

PARED CELULAR

• Las proteínas en solución en el periplasma consisten en enzimas con funciones hidrolíticas; a veces son enzimas que inactivan los antibióticos, y diversas proteínas de unión que tienen funciones dentro de la quimiotaxis y transporte activo de solutos dentro de la célula. Dentro del periplasma, los oligosacáridos que se secretan en respuesta a las condiciones externas sirven para crear amortiguación contra la presión osmótica.

• La membrana externa, tiene una estructura general parecida a la mayoría de las membranas biológicas con dos hojuelas opuestas de fosfolípido y proteína.

• Su hojuela interna consiste en fosfolípidos comunes, pero estos se reemplazan en la hojuela externa con una molécula especial llamada lipopolisacárido (LPS) que es en extremo toxica para los humanos y otros animales y que se denomina endotoxina.

PARED CELULAR

ENDOSPORAS• Las endosporas son formas pequeñas,

deshidratadas y metabólicamente inactivas que producen algunas bacterias en respuesta a la limitación de nutrientes o a una señal relacionada de dificultades futuras.

• Algunas bacterias formadoras de esporas tienen gran importancia en la medicina, causando enfermedades tales como el carbunco, gangrena gaseosa, tétano y botulismo.

• Todas las bacterias formadoras de esporas son bacilos grampositivos. La endospora bacteriana no es una estructura reproductiva.

• Una célula forma una espora en condiciones adversas (proceso que se denomina esporulación). La espora puede persistir durante largo tiempo (siglos) y entonces, al momento de ocurrir la estimulación apropiada, dan lugar a una sola célula bacteriana (germinación).

Bacilo subtilis

CRECIMIENTO Y METABOLISMO BACTERIANO

• El crecimiento de las bacterias ocurre mediante un progreso ordenado de procesos metabólicos seguidos de división celular por fisión binaria.• Esto requiere del metabolismo, que produce el

material celular a partir de sustancias nutritivas en el ambiente; regulación, que coordina de manera ordenada el avance de cientos de procesos bioquímicos independientes; y, por último, división celular, que produce dos unidades vivas independientes a partir de una.

METABOLISMO (ESCHERICHIA COLI)

Las amplias diferencias entre las bacterias y las células eucariotas humanas pueden resumirse de la siguiente manera:

• Velocidad. Las bacterias metabolizan a una tasa de 10 a 100 veces mayor.

• Versatilidad. Las bacterias utilizan compuestos mas diversos como fuente de energía y son mucho mas variadas en sus requerimientos nutricionales.

• Sencillez. La organización de la célula procariota posibilita que las bacterias sinteticen macromoléculas eficientemente.

• Naturaleza única. Algunos procesos de biosíntesis, como los que producen peptidoglucano, liposacáridos y toxinas, son específicos de las bacterias.El metabolismo bacteriano es sumamente complejo. La célula bacteriana se sintetiza a si misma y genera energía por medio de hasta 2.000 reacciones químicas clasificadas según su función en los procesos metabólicos de producción de energía, biosíntesis, polimerización y ensamblaje.

METABOLISMO

METABOLISMO( REACCIONES ENERGÉTICAS)

• Las reacciones energéticas proporcionan energía a la célula y 12 metabolitos precursores utilizados en las reacciones de biosíntesis (figura 21-12). El primer paso es la captura de nutrientes del ambiente. Aparte del agua, oxígeno y bióxido de carbono, casi ningún nutriente importante ingresa a la célula por difusión simple, debido a que la membrana celular es una barrera muy eficiente. Parte del transporte ocurre por medio de difusión facilitada, en la que una proteína portadora en la membrana celular, específica de un determinado compuesto, participa en el traslado de las moléculas de esa sustancia de un lado a otro de la membrana (figura 21-13 Ay B). Debido a que no participa ningún tipo de energía, este proceso solo puede funcionar a la par, y nunca en contra, del gradiente de concentración de un soluto determinado.

METABOLISMO• Los mecanismos de transporte activo

implican moléculas especificas de proteína como portadoras de solutos particulares, pero el proceso esta asociado con energía y, por ende, puede establecer un gradiente de concentración. Esto es, el transporte activo puede bombear “a contracorriente”. Las bacterias tienen múltiples sistemas de transporte activo, algunos de las cuales implican proteínas de enlace dependientes de ATP (figura 21-14) y otros que demandan bombas de protones impulsadas por transporte de electrones dentro de la membrana celular energizada.

• Otro mecanismo denominado translocación de grupo, implica la conversión química del soluto en otra molécula al momento de transportarla

METABOLISMO• Una vez dentro de la célula, las moléculas de azúcar u otras

fuentes de carbono y energía se metabolizan a través de la vía glagolítica Embden-Meyerhof, la vía de pentosa fosfato y el ciclo de Krebs para producir los compuestos de carbono necesarios para la biosíntesis. Algunas bacterias tienen vías energéticas centrales (p. ej., vía de Entner-Doudoroff consultar ) aparte de aquellas conocidas en el metabolismo mamífero.

• En conjunto, las vías energéticas centrales producen los 12 metabolitos precursores. Las conexiones con las vías de fermentación y respiración permiten la reoxidación de la coenzima reducida dinucleótido de nicotamida y adenina (NADH) para convertirse en NAD+ y la generación de ATP. La bacteria fabrica ATP mediante Fosforilación en la fermentación o por una combinación de Fosforilación del sustrato y Fosforilación oxidativa en la respiración. (Las bacterias fotosintéticas no son importantes para la medicina.)

METABOLISMO

• La fermentación es la transferencia de electrones y protones por medio de NAD+ directamente a un aceptor orgánico. El piruvato ocupa un papel central en la fermentación. En la fermentación se producen grandes cantidades de ácidos orgánicos y alcoholes

• VIA ANAEROBIA

METABOLISMO • La respiración implica vías

energéticas en las que la oxidación del sustrato se conjunta con el transporte de electrones a través de una cadena de portadores hasta algún aceptor final, que con frecuencia, aunque no siempre, es el oxigeno molecular.

• La respiración es un generador eficiente de ATP. La respiración en procariotas, al igual que en las células eucariotas, ocurre por medio de enzimas asociadas con la membrana, pero en las procariotas, la membrana celular en lugar de las membranas mitocondriales es la que proporciona el sitio físico.

• VIA AEROBIA

METABOLISMO

• Las bacterias exhiben diferentes respuestas características ante el oxigeno. Una manera conveniente de clasificar a las bacterias es de acuerdo con sus actividades de fermentación y respiración, pero también en forma mas general según su respuesta común ante la presencia de oxigeno. La respuesta depende de su capacidad genética para fermentar y respirar, pero también de su capacidad para protegerse de los efectos dañinos del oxígeno. Dos son las sustancias tóxicas del O2: el peróxido de hidrógeno (H2O2) ( O2 aceptor final de e – y p+) y al anión superóxido (O2–) ( intermediario Rx).

METABOLISMO CLASIFICACION DE LAS BACTERIAS

METABOLISMOREACCIONES DE POLIMERIZACIÓN

Traducción es el nombre que se da a la síntesis de proteínas.

• Las bacterias activan los 20 componentes básicos de proteína durante su unión con moléculas específicas de RNA de transferencia. Factores proteínicos solubles llevan los aminoacil-tRNA a los ribosomas y allí los aminoácidos se polimerizan en cadenas de polipéptidos siguiendo la secuencia de codones en el mRNA que se esta traduciendo.

• Al haber donado sus aminoácidos, el tRNA se libera del ribosoma para regresar a otro ciclo de amino-acilación. Muchos agentes antimicrobianos derivan su toxicidad selectiva para las bacterias de las características y proteínas únicas del aparato de traducción procariota. De hecho, la síntesis de proteínas es el blanco de una mayor variedad de antimicrobianos que cualquier otro proceso metabólico.

Los residuos de aminoácidos se polimerizan a partir de tRNA específicos, según la instrucción dada por el mRNA. Muchos antimicrobianos actúan sobre la maquinaria de traducción de las bacterias. La traducción del mRNA ocurre en forma simultánea con la transcripción

METABOLISMO

REACCIONES DE

POLIMERIZACIÓN

( TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN )

CONSTITUYENTES BÁSICOS DE LOS MEDIOS DE CULTIVO

• 2.3 Factores de crecimiento:• Se llama así a cualquier compuesto orgánico que

un microorganismo requiere como precursor o constituyente de su material orgánico celular, pero que no puede sintetizarlo a partir de sus fuentes de carbono más simples, por lo que se le debe proporcionar como nutriente. Ej. aminoácidos, purinas, pirimidinas y vitaminas.• Ciertas bacterias patógenas requieren sangre o

heme. Ej. Género Haemophilus.• 3. Agua

CONDICIONES AMBIENTALES QUE AFECVTAN EL CRECIMIENTO DE LOS MICROORGANISMOS

• 1. Temperatura• Cada microorganismo tiene una temperatura óptima en la

cual su crecimiento es más rápido; una temperatura mínima por debajo de la cual no crece y una temperatura máxima por encima de la cual el crecimiento no es posible, estas tres temperaturas se denominan temperaturas cardinales y son características de cada microorganismo.

• El rango de temperaturas entre las que un microorganismo puede crecer es variable, hay microorganismos con un rango estrecho llamados ESTENOTERMALES y se encuentran en hábitat de temperatura relativamente constante. Los microorganismos de rangos más amplios se encuentran en medios ambientales donde la temperatura varía considerablemente y éstos son llamados EURITERMALES.

TEMPERATURA

• De acuerdo con el rango de temperatura a la que crecen, los microorganismos se dividen en:

• 1.1 Psicrófilos: Microorganismos capaces de crecer a bajas temperaturas. Existen varias definiciones de psicrófilos, en un inicio se definía como Psicrófilo a cualquier microorganismo que podía crecer a 0 ºC. Sin embargo, parecen haber dos grupos diferentes que pueden crecer a esa temperatura.

• El primer grupo está constituido por los psicrófilos estrictos o aquellos microorganismos que pueden crecer a 0 ºC pero cuya temperatura óptima es de 15 ºC. El otro grupo los constituyen aquellos microorganismos que pueden proliferar a 0 ºC pero que tienen temperaturas óptimas más elevadas 20 - 30 ºC llamados psicrófilos facultativos. Ej. Pseudomonas.

TEMPERATURA• 1.2 Mesófilos: Microorganismos cuya temperatura

óptima de crecimiento se encuentra• dentro de un rango de 25 – 40 º C. Dentro de este

grupo se encuentran la mayoría de los microorganismos contaminantes de los productos farmacéuticos, alimentos y cosméticos y los microorganismos patógenos para el hombre. Ej. Neisseria gonorrhoeae.

• 1.3 Termófilos: Microorganismos cuya temperaturas óptima es de 50 - 60 ºC,Hay algunos con temperaturas óptimas aún más altas 80 - 121 ºC, a estos se les denomina hipertermófilos o termófilos extremos. Ej. Thermus aquaticus

• (temperatura óptima 72 ºC; crece entre 50 - 80 ºC)

ACTIVIDAD DEL AGUA ( AW) • Como los microorganismos dependen del agua para la síntesis

de sus componentes celulares, es necesario que ésta se encuentre disponible en el medio de cultivo para que los microorganismos la puedan utilizar para su crecimiento.

• La cantidad disponible de agua para los microorganismos en un medio de cultivo, no depende sólo de la cantidad que se ha añadido, ya que en estos medios se pueden encontrar sustancias sólidas disueltas que disminuyen su disponibilidad.

• La actividad del agua (aw) es una expresión para la cantidad de agua disponible en un sustrato dado y se define como “la centésima parte de la humedad relativa del aire que está en equilibrio con ese sustrato”. Este valor nos indica la cantidad de agua disponible para ser utilizada por los microorganismos.

• El aw mínimo en que las bacterias crecen varía ampliamente pero los valores óptimos para la mayoría de las especies son mayores de 0,99.

AGUA

• Existen ciertos microorganismos que pueden crecer en medios con elevadas concentraciones de solutos y se conocen como osmotolerantes. Otros microorganismos necesitan para crecer elevadas concentraciones de solutos, a éstos se les denomina osmofílicos.

• Hay otros microorganismos que se han llamado halofílicos o halófilos estrictos, éstos requieren iones Na+ para crecer y lo hacen óptimamente en medios a los que se les ha añadido NaCl para obtener valores de aw menores de 0,80 y los halófilos facultativos que crecen a concentraciones de sales capaces de inhibir a la mayoría de las bacterias.

• En la siguiente tabla se presentan como ejemplo algunos microorganismos y el valor de aw en el que se produce su crecimiento.

PH

La acidez o alcalinidad de un medio de cultivo se expresa por su pH. Para la mayoría de las bacterias el pH óptimo de crecimiento está entre 6,5 y 7,5 aun cuando algunas pocas especies pueden crecer en los extremos del rango de pH. Las levaduras y los Mohos pueden crecer a valores de pH más bajos.

Cuando se cultivan los microorganismos en un medio de cultivo originalmente ajustado a un pH dado, 7 por ejemplo, es probable que este pH cambie como resultado del metabolismo de esos microorganismos, el cambio de pH puede ser tan grande que eventualmente podría inhibir el crecimiento de esos microorganismos.

.

PH

Para mantener un pH relativamente constante durante el crecimiento microbiano, se le añaden sustancias buffer a muchos medios de cultivo.

Aunque los microorganismos se encuentran en hábitats con amplios rangos de pH, el pH dentro de sus células es probablemente cercano a la neutralidad. En un medio ácido, el microorganismo puede mantener un pH cercano a la neutralidad de dos maneras diferentes, ya sea impidiendo la entrada de los iones H+, o expeliéndolos activamente tan rápidamente como entran. La neutralidad es necesaria porque existen en las células muchos componentes sensibles a ácidos y a álcalis, por ejemplo el ADN y el ATP son destruidos a pH ácido y el ARN y los fosfolípidos son sensibles a pH alcalino.

El pH óptimo de las enzimas intracelulares es usualmente cercano a la neutralidad

OXÍGENO • Según sus requerimientos de oxígeno los microorganismos pueden ser:

• 4.1 Aerobios estrictos: requieren oxígeno para crecer. Ej. Mycobacterium tuberculosis.

• 4.2 Anaerobios facultativos: pueden crecer en presencia o en ausencia de oxígeno. Ej. Levaduras, enterobacterias.

• 4.3 Anaerobios estrictos: crecen en ausencia de oxígeno. En presencia de oxígeno su crecimiento cesa, algunos mueren rápidamente. Ej. Especies del género Clostridium.

• 4.4 Anaerobios aerotolerantes: crecen en ausencia de oxígeno, pero la presenciade oxígeno no perjudica su crecimiento. Ej.: Especies del género Lactobacillus.

• 4.5 Microaerofílicos: requieren pequeñas concentraciones de oxígeno para crecer.Ej.: Especies del género Spirillum.

• Para cultivar a las bacterias aeróbicas o a las anaerobias facultativas en tubos y fiolas pequeñas, se incuba el medio en condiciones atmosféricas normales. Cuando se requieren bacterias aerobias en grandes cantidades, es preferible aumentar la aireación del cultivo por agitación.