Microbiologia

ESTRUCTURA BACTERIANA : Elementos facultativos y obligados

Las bacterias estructuralmente están constituidas por : Elementos obligatorios : están presentes en todas las bacterias y son indispensables para la vida de la propia bacteria.Son :

- Pared celular - Membrana citoplasmática - Citoplasma - Ribosomas - Región nuclear

Elementos facultativos: pueden estar o no presentes en la bacteria y son : - Cápsula - Flagelos - Pelos - Endosporas - Inclusiones citoplasmáticas

Pared celular m< rc;S<da . Es el límite externo de la célula. Tiene una estructura i;%I&a parecida a la pared celular de las células vegetales . Tiene entre sus funciones las siguientes :

- Protege a la bacteria de cambios externos adversos - Ayuda a mantener la morfología de la célula - Proporciona a la bacteria resistencia frente a los antibióticos - Permite el paso selectivo de algunas sustancias - Está implicada en la patogenicidad de la bacteria

Existen bacterias sin pared celular : Micoplasmas y otras que al perderla se tranforman en formas L ( protoplastos ó esferoplastos ) La pared se pone de manifiesto mediante la tinción por el método de gram, que permite , de acuerdo con la afinidad tintorial , dividir a las bacterias en gram positivas y gram negativas. No obstante tanto las bacterias gram positivas como las grarn negativas poseen un componente común, que es el peptidogiicano ( glucopéptido 6 mureina ), que es un heteropolisacárido formado por dos aminoazúcares alteniantes : N-acetil- glucosamina y el ácido N-acetil- murámico .c& cadena p e r i e c e unida a las adyacentes mediante un tetrapéptido , formándose una especie de malla ó red .

ESTRUCTURA DE PEPTIDOGLiCANO

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Pared celular de las bacterias gram wsitivas En estas bacterias el peptidoglicano es muy abundante ,constituyendo entre el 50 y el 90 % del peso de la pared. Por fuera se suelen encontrar los ácidos teicoicos ( polírneros de ribitol -fosfato ó glicerol- fosfato) .

PARED CELULAR DE BACTERIAS GRAM POSITIVAS

~ c i d o teicoico-

Pared celular de las bacterias esam negativas Es más compleja en composición y estructura . El peptidoglicano es sólo una pequeña porción de la pared ( 10 % ). El componente mayoritario es la membrana externa con un alto contenido en lípidos y cuyo componente fundamental es el lipopolisacárido además de fosfolípidos y lipoproteínas. El lipopolisacárido está formado por tres componentes : cadena glucídica , que le confiere tipo especificidad , al tratarse de un antígeno de superficie ; parte central ó core que es grupoespecífica , y una porción lipídica responsable de la toxicidad puesto que actúa como endotoxina. Hacia la cara externa de la membrana se localizan unas proteinas denominadas porinas , que forman tres canales ó poros en su interior.

Proteína de trans-

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Membrana plasmática Es la estructura delgada que se encuentra por dentro de la pared celular , encerrando el citoplasma de la célula. Sus funciones son :

- Actúa como barrera selectiva : a través de ella se produce el paso de moléculas en ambas direcciones debido a la presencia de permeasas

- En ella se localizan los enzimas respiratorios : citocromo-oxidasas - Posee invaginaciones ó plegamientos grandes e irregulares llamados

mesosomas , que parecen estar relacionados con la duplicación del cromosoma bacteriano y en la división celular.

- En su cara externa se localizan las PBP ( proteinas fijadoras de penicilina ) que intervienen en la síntesis del peptidoglicano y son la diana de los betalactámicos.

Grupos

- Protelnas integrales de membrana Molécula de losfolipido

Membrana plasmatira: mosaico

Citoplasma Limitado por la membrana ,es una masa heterogénea que engloba todos los demás elementos de la célula , incluyendo los ribosomas , el material genético e inclusiones de reserva ( polifosfatos , glucógeno , lípidos ...) Está formado por un 80% de agua, principios inmediatos , minerales y enzimas. Material genético No existe membrana nuclear que los separe del citoplasma Es una sola molécula de ADN bicatenario circular ( 1 cromosoma ) A veces existe ADN extracromosómico : plásrnidos , que son moléculas circulares con capacidad autoreplicativa que pueden integrarse en el cromosoma bacteriano e incluso transferirse por conjugación a otras bacterias. Entre sus funciones está la resistencia a antibióticos , metales pesados , toxinas etc. La reproducción en bacterias se realiza de forma asexual por duplicación del material genético y ocasionalmente se pueden dar mecanismos de intercambios de material genético con otras bacterias ( r.sexua1) por tres mecanismos : transformación , transducción y conjugación .

Elementos facultativos

Cápsula Capa mucosa presente en algunas bacterias tanto gran positivas como gran negativas , constituida por polímeros sintetizados por la propia bacteria y que se depositan por fuera de la pared celular , pegada a esta.

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Puede ser de naturaleza polisacm'dica ( Ej K.pneumoniae , S.pneum0nia.e y H influenzae ) ó proteica ( Ej gen Bacillus ) Funciones

- Protección fiente a la fagocitosis , luego es un factor de virulencia - Capacidad antigénica - Protección fiente a fagos y antibióticos

Glicocálix Homopolisacárido sintetizado por algunas bacterias y en posición extracelular , formado por un entramado de fibras polisacarídicas que facilitan la adherencia a superficies .Ej Streptococcus mutans , productor de la caries dental Funciones

- Adherencia a superficies . Intervención en la respuesta inmune - Disminución de la eficacia de loa antibióticos

Flagelos Son apéndices filamentosos y largos que nacen de la membrana celular y están constituidos por una proteina contráctil antigénica ( antígeno H ) .Constituyen el órganos de locomoción y su presencia es mucho más frecuente en los bacilos que en los COCOS.

Dependiendo del no de flagelos y de su disposición , las bacterias se clasifican en - Monotricas

Lofotricas

- Peritricas

Fimbrias 6 pili Apéndices de naturaleza proteica que poseen algunas bacterias . Son más cortos y numerosos y se disponen por toda la superficie bacterina. Su función es la adherncia a superificies ( sobre todo epitelio vías urinarias ) Existe una subclase de ñmbrias ( pili ) que son más largas y poco numerosas , cuya función es la intervenvión en la conjugación bacteriana.

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Endosporas Son estructuras presentes en algunas especies bacterianas exclusivamente bacilares. Pueden estar en el interior de la bacteria (endosporas ) o permanecer libres , y estas últimas constituyen la forma de resistencia de las bacterias . Las formas libres aparecen en los cultivos viejos como consecuencia de la desintegración de las bacterias. Esponilación es el paso de una bacteria en forma vegetativa a su forma esponilada y gerrninación es el fenómeno inverso. La localización de la endospora dentro de la bacteria y su tamaño se utiliza como característica para la identificación .La espora puede ser central , terminal ( en un extremo ) ó subterminal ( próxima a un extremo )

Para la clasificación de bacterias con esporas utilizamos: Localización: Central, Terminal ó Subterminal

Deformación o no del soma bacteriano (depende del tamaño )

Las esporas no se tiñen con los colorantes habituales , necesitan técnicas de tinción especiales.

NUTRICIÓN , METABOLISMO Y CRECIMIENTO BACTERIANO

Para que una bacteria pueda vivir y reproducirse necesita unos nutrientes esenciales que le proporciones energía y materia prima para elaborar nuevos componentes celulares , otros nutrientes específicos y unas condiciones físico-químicas adecuadas

1.1 Nutrientes esenciales : Los microorganismos necesitan de ciertos elementos en grandes cantidades , estos son : -Agua -Sales minerales ( fosfatos , sulfatos , calcio , sodio y cloro ). Sirven para mantener el equilibrio iónico , como elementos metabólicos de grupos enzimáticos , pigmentos etc. - Algunas necesitan oligoelementos en cantidades mínimas : manganeso , cinc, cobre , cobalto , niquel , boro etc - Carbohidratos : son los alimentos energéticos más importantes y pueden proceder de diversas fuentes ( glucosa , lactosa .... ) - Proteinas : pueden proceder del medio ( proteinas , aminoácidos , sales de amonio , nitratos , nitritos ) ó indirectamente de reacciones de desaminación ó nitratoreducción. - Los lípidos, también pueden ser utilizados como fuente de energía por algunas bacterias .

1.2 Elementos específicos Hay bacterias incapaces de sintetizar algunos metabolitos esenciales , por lo que hay que añadirlos al medio , se llaman también factores de crecimiento y son : - Aminoácidos , necesarios para sintetizar las proteinas - Purinas y pirimidinas , para la síntesis de ácidos nucleicos - Vitaminas , ya que forman parte de cofactores enzimáticos y en pequeñas cantidades también para el crecimiento ( Ej vit K ... anaerobios )

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- Cofactores : factor X ( hemina ) y factor V ( NAD y NADP , aceptores de electrones en la cadena respiratoria ) .Son factores de la sangre esenciales para el crecimiento de Haemophilus )

1.3 Condiciones fisico - químicas Incluso cuando se hallan presentes todas las sustancias nutritivas requeridas , el crecimiento y desarrollo de los microorganismos depende de determinadas condiciones :

1. Concentración de iones hidrógeno ( pH ) 2. Temperatura 3. Presión osmótica 4. Presencia de oxígeno 5. Presencia de CO 2

6. Humedad y desecación 7. Luz y otras radiaciones

1.3.1 Concentración de hidrógeno ( pH ) El pH óptimo de las bacterias patógenas se encuentra entre 6,5- 7,5 , aunque existen excepciones ( Lactobacillus se desarrolla en pHs bajos , es acidófila y Vibrio cholerae tolera los pHs alcalinos ) . Para mantener el pH es necesario añadir a los medios de cultivo soluciones tampón .

1.3.2. Temperatura Para cada bacteria hay una temperatura óptima de crecimiento , que puede variar entre unos límites máximos y mínimos . La mayoría de las bacterias que viven en el hombre produciendo enfermedad o no , tienen como temperatura óptima, la del cuerpo humano ( 37 O ) Las bacterias se clasifican en función de la temperatura en :

- Psicrófilas : crecen entre O y 20 O C , con un óptimo en 15 "C. Suelen contaminar los alimentos , la sangre refkigerada y las aguas Mas de manantiales o lagos.

- Mesófilas : las que se desarrollan entre 20 y 45 O C . A este grupo pertenecen la mayoría de las bacterias patógenai , cuya temperatura óptima de crecimiento está en 37 O C

- Termóñlas : tienen una temperatura óptima por encima de los 45 OC . Son las que forman la mayor parte de los suelos calientes y fuentes termales .

1.3.3. Presión osmótica Como resultado de la presencia de membrana plasmáli~ , las bacterias , igual que otras células están sujetas a los fenómenos osmóticos. La mayoría de las bacterias crecen con concentraciones de sal del 0,l al 1 % , y su exposición a altas concentraciones salinas puede producir plasmólisis .Existen bacterias denominadas halóñlas , que pueden crecer a más altas concentraciones , pero la mayoría no son patógenas.

1.3.4. Presencia de oxígeno Según las necesidades de oxígeno de las bacterias se clasifican en : Aerobias estrictas , necesitan oxígeno como aceptor ñnal de electrones. Anaerobias estrictas , no crecen en presencia de oxígeno Anaerobias facultativas , crecen en presencia 6 ausencia de oxígeno.

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Microaerofilicas . necesitan para su crecimiento de concentraciones de oxígeno muy pequeñas .

1.3.5. Presencia de CO 2

Todas las bacterias requieren la presencia de pequeñas cantidades de dióxido de carbono para su crecimiento , que normalmente proviene de la atmósfera ó de su propio metabolismo , pero existen algunas bacterias que requieren concentraciones de Coz del 5 - 10 % , por lo que se debe suministrar a los medios de cultivo ( Ej Haemphilus , Neisseria )

1.3.6. Influencia de la humedad y la desecación Las bacterias están constituidas por una elevada proporción de agua ( 80 % ) y precisan además de un ambiente húmedo para su crecimiento. Algunas bacterias son extremadamente sensibles a la desecación ( Ej Neisseria , Treponema. ) , otras en cambio pueden sobrevivir a la desecación ( Ej Bacilllus antracis puede vivir de 5- 6 años en el suelo ) .

13.6 Influencia de la luz y las radiaciones La oscuridad proporciona condiciones favorables de crecimiento . Por el contrario los rayos ultravioleta destruyen los microorganismos , lo mismos ocurre con las radiaciones ionizantes.

2. METABOLISMO

Es el conjunto de reacciones químicas que se producen en las células vivas . Las reacciones metabólicas se dividen en CATABOLISMO : descomposición de sustancias nutritivas en compuestos más sencillos con liberación de energía, que las bacterias utilizan para su biosíntesis . La mayoría de las bacterias son heterótrofas , obtienen la energía por descomposición de compuestos orgánicos , mediante una serie de reacciones enzimárticas . En cuanto a la forma de descomponer los compuestos orgánicos , se produce una oxidación de las sustancias orgánicas con liberación de energía ( ATP ). Este mecanismo se puede producir a través de dos vías:

- Fosforilación oxidativa : respiración - Fosforilación a nivel de sustrato : fermentación

En ambos procesos se llevan a cabo oxidaciones con liberación de electrones e hidrógeno y se diferencian en :

Respiración : Es un proceso en el que se produce la oxidación de un compuesto orgánico con liberación de electrones e hidrógeno capaces de reducir un aceptor final . Cuando el aceptor final es el oxígeno, el proceso se denomina respiración aerobia, y cuando es otro compuesto distinto al oxígeno : rapiración anaerobia.

Fermentación : puede ser definida como un proceso de oxidación que comporta la oxidación de un compuesto orgánico , en ausencia de oxígeno , con liberación de electrones e hidrógeno , capaces de reducir una molécula orgánica . Por ello , en este proceso de óxido reducción tanto el dador como el aceptor de electrones son un compuesto orgánico .

Muchos de los microorganismos que realizan proceso fermentativos son anaerobios obligados y otros son anaerobios facultativos

Según los productos ácidos liberados podemos distinguir distintos tipos de fermentaciones : Fermentación alcohólica : se produce etanol como consecuencia de la fermentación por rnicroorgauismo como algunas levaduras Fermentación láctica : se produce ácido láctico .Ej lactobacillus Fermentación propiónica : se produce ácido propiónico. Ej clostndium

ANABOLISMO : conjunto de reacciones químicas que tienen por objeto la síntesis de materiales constitutivos de la célula bacteriana . Productos resultantes de los procesos anabólicos:

- Sustancias solubles específicas como polisacáridos capsulares - Toxinas : C1 tetani, C. Diphteriae - Exotoxinas - Antibióticos - Vitaminas : complejo B ( Enterobacterias ) - Pigmentos ......

3.CRECIMIENTO BACTERIANO

El crecimiento de una bacteria se define como el aumento de sus componentes celulares que puede tener como resultado , un incremento de su tamaño ó del número de su población ó de ambos . El análisis del crecimiento bacteriano puede realizarse mediante estudio cuantitativo 6 cualitativo. Estudio cuantitativo : el crecimiento de una población de bacterias ( originada de una sola bacteria ) , se estudia amiizando la curva de crecimiento de un cultivo bacteriano en al laboratorio . La curva resultante nos analiza el crecimiento bacteriano sobre un medio de cultivo líquido en función del tiempo :

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Este ciclo tiene una morfología y una división de células asincrónica. Se divide en cuatro fases:

e Fase de Latencia: Es la fase de adaptación al medio, existe aumento de la masa celular pero no hay aumento en el número de células.

e Fase de Crecimiento Exponencial: Es la fase donde se produce un incremento exponencial del número de rnicroorganismos.

Fase Estacionaria: Es la fase a la que se llega cuando se ha agotado la fuente de energía.

e Fase de Muerte: Es la fase que se caracteriza por una disminución exponencial del número de microorganismos.

La fase de latencia puede ser inducida por un rápido cambio en las condiciones del cultivo. En un medio fresco, el largo de la fase de latencia va a depender del tamaño del inóculo, de la edad del inóculo, y de los cambios en la composición y concentración de los nutrientes que experimenten las células.

Un pequeño volumen de inóculo transferido a un gran volumen de medio fresco va a producir una salida por difusión de iones, vitaminas y cofactores que son indispensables para la actividad de muchas enzimas intracelulares. Si las células provenientes de un medio rico son inoculadas en un medio mínimo, el tiempo de latencia puede estar afectado por el tamaño del inóculo como un resultado de los nutrientes remanentes del medio original.

La edad del inóculo va a influir en el tiempo de latencia en el medio fresco debido a la acumulación de materiales tóxicos y a la falta de nutrientes esenciales dentro de la célula durante el crecimiento anterior.

En general, inóculos viejos alargan la fase de latencia.

Cambios en la composición y concentración de nutrientes entre el cultivo del inóculo y el medio fresco pueden desencadenar el control y la regulación de la actividad enzimática dentro de las células o la diferenciación morfológica, como la formación de esporas. Si las células son transferidas de un medio simple a un medio rico, se van a necesitar más tiempo y nutrientes para incrementar la concentración de enzirnas necesarias para el metabolismo

Para conocer el número de bacterias presentes en cada momento existen varios métodos siendo el más utilizado la turbidimetría : que mide la cantidad de luz transmitida por la suspensión en la que se encuentran las bacterias . La medida se realiza en el espectrofotómetro . Utilidad de la curva de crecimiento bacteriano : conociendo la absorbancia de una cultivo liquido bacteriano podemos saber cúal es el número de bacterias en el mismo y también podemos calcular el tiempo de tiempo de duplicación ( o tiempo de generación ) de esa bacteria concreta , que es el tiempo que tarda una población bacteriana en duplicarse .Por ej para Proteus a 37 O y medio de cultivo apropiado sería

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de 17 min ; en Staphylococcus aureus , 3 0 min .; para Mycobacterium tuberculosis es de varias hor as...

Estudio cualitativo ( se verá en las prácticas más adelante ) Prácticamente todas las bacterias ( excepto M-leprae , Treponema pallidum , rickettsias , Treponema pallidum ...) pueden crecer sobre los medios de cultivo artificiales , líquidos y sólidos . El resultado del crecimiento en medios líquidos da lugar en general a un enturbiamiento visible . Mientras que el crecimiento sobre la superficie de los medios sólidos da lugar a la formación de colonias : masa constituida por millones de bacteria que se aprecia a simple vista . El tamaño , la forma y el aspecto de esa colonias es bastante constante para las distintas bacterias de ahí que pueda utilizarse como punto de partida para comenzar la identificación bacteriana.