Estruct teoría TULB 2015 - microbiologiaunsl
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CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Según la estructura celular, las células microbianas se clasifican en procariotas y eucariotas. LA CELULA PROCARIOTICA Las bacterias son los organismos más pequeños que contienen toda la maquinaria requerida para la fisión binaria a expensas de nutrientes inanimados, excepto, Ricketssias y Chlamydias que tienen propiedades de bacterias pero necesitan células vivas para su replicación La célula procariótica (bacteriana) típica tiene las estructuras siguientes (estructuras constantes): *1.- La membrana celular, es la barrera típica, que separa el interior de la célula del exterior. *2.- La pared celular es una estructura rígida, que recubre la membrana celular proporciona soporte y protección. *3.- Los ribosomas son pequeñas partículas compuestas de proteína y ácidos nucleicos (RNA), apenas visibles con el microscopio electrónico. Una sola célula puede tener hasta 10.000 ribosomas. Los ribosomas son parte del aparato de traducción y la síntesis de proteínas celulares se realiza sobre estas estructuras. *4.- La región nuclear de la célula procariótica es primitiva en comparación con la célula eucariótica. Las células procarióticas no tienen un verdadero núcleo, las funciones del núcleo las realiza una sóla cadena de ácido desoxiribonucleico (DNA). El ácido nucleico existe en un estado más o menos libre dentro de la célula. Al sitio donde se encuentra el DNA se la denomina región nuclear, también se lo suele denominar como nucleoide. Pueden encontrarse ocasionalmente otras estructuras como: esporas, inclusiones, fimbrias, pelos, flagelos, capsulas, etc) FORMA DE LOS PROCARIOTES Las bacterias pueden presentar diversas formas, pero existen 3 formas básicas: Esférica u oval: coco; una bacteria con forma de bastoncillo ó cilíndrica se llama bacilo. Algunos bacilos son curvos y forman con frecuencia una espiral y se los denomina espirilos. Hay bacterias que presentan apéndices en forma de largos tubos o tallos y son las bacterias apendiculadas y las bacterias filamentosas que producen largas y delgadas células o cadenas de células Luego de la división celular, muchas células bacterianas no se separan totalmente, originando distintos agrupamientos Según el plano de división se pueden distinguir los cocos en pares (diplococos), en cadenas, en tétradas o racimos. Ejemplo: Streptococcus, con división en un solo plano, forma largas cadenas de cocos; Staphylococcus, con división en más de un plano, forma racimos irregulares similares a uvas. Debido al escaso contraste las células bacterianas no se ven directamente al microscopio óptico. Se pueden utilizar colorantes para teñir las células y aumentar su contraste, de modo que se puedan ver con facilidad en el microscopio de campo claro. 1 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Los colorantes son compuestos orgánicos y cada colorante tiene una afinidad para materiales celulares específicos. Muchos colorantes de uso común tienen carga positiva (son catiónicos) y se combinan fuertemente con los constituyentes celulares de carga negativa como los ácidos nucleicos y los polisacáridos acídicos. Ejemplos de colorantes catiónicos son el azul de metileno, el cristal violeta y la safranina. Como por lo general las superficies celulares están cargadas negativamente estos colorantes se combinan con las estructuras de la superficie celular. Las tinciones diferenciales se denominan así porque son procedimientos mediante los cuales no se tiñen del mismo modo todas las clases de células. Un procedimiento de tinción diferencial muy utilizado en bacteriología es la tinción de Gram. Según la reacción al Gram, las bacterias se pueden dividir en Gram positivas y Gram negativas. Después de la tinción de Gram, las bacterias Gram positivas aparecen de color azúl ó violeta y las Gram negativas aparecen coloreadas de rojo. Estas diferentes maneras de reaccionar a la tinción de Gram se deben a las diferencias en la estructura de la pared celular de las células Gram positivas y Gram negativas. TAMAÑO DE LAS BACTERIAS: La mayoría de las bacterias tienen una longitud media de 1 a 5 µm, aunque la longitud de la célula bacteriana puede variar según el estadio del crecimiento y el medio en el que se está desarrollando. Existen células muy pequeñas (0.2 x 1.2 µm) y células más grades (5 x 25 µm). El pequeño tamaño de los procariotes determina varias de sus propiedades biológicas. ESTRUCTURAS CONSTANTES: 1.- MEMBRANA CELULAR: La membrana celular, llamada membrana plasmática, es una estructura delgada que rodea por completo a la célula. De solamente 8 nm de espesor, esta estructura vital es la barrera crítica que separa el interior de la célula (el citoplasma), de su medio ambiente. Si la membrana se rompe, se destruye la integridad de la célula, el contenido interno sale y la célula muere. La membrana celular además es una barrera sumamente selectiva, que permite a la célula concentrar metabolitos específicos y excretar materiales de desecho. Composición química de las membranas La estructura general de la membrana plasmática es una bicapa proteolipídica compuesta por un 50-75% de proteínas y un 20 a 35% de lípidos y pequeñas cantidades de hidratos de carbono. Los lípidos cuantitativamente más importantes son los fosfolípidos (fosfatidiletanolamina y fosfatidilglicerol). Los fosfolípidos poseen en su molécula partes altamente hidrofóbicas, los acidos grasos, y partes hidrofílicas (glicerol), y pueden existir en muchas formas químicas diferentes como resultado de la variación en la naturaleza de los ácidos grasos o de los grupos portadores de fosfato unidos al esqueleto de glicerol. Al mezclar fosfolípidos en una solución acuosa, tienden a formar espontáneamente una estructura de doble capa en donde los ácidos grasos se orientan hacia adentro formando un medio hidrofóbico, en tanto que las porciones hidrofílicas permanecen expuestas al 2 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana medio acuoso externo. La bicapa representa la organización más estable de las moléculas de lípidos en medio acuoso. Mediante microscopía electrónica de alta resolución, la membrana plasmática aparece como dos delgadas líneas separadas por un área más oscura (región hidrofóbica) Todas las proteínas que integran las membranas, es decir todas las proteínas incluídas en la matríz lipoproteíca, son proteínas transmembranales y atraviesan totalmente la doble capa de lípidos, teniendo partes expuestas tanto al citoplasma como al ambiente externo. Estas proteínas suelen tener superficies externas muy hidrofóbicas, que se asocian íntimamente con las cadenas de ácidos grasos altamente no polares. La estructura de la membrana plasmática se estabiliza mediante puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Además los cationes Mg2 y Ca2 también se combinan por enlaces iónicos con las cargas negativas de los fosfolípidos y ayudan a estabilizar la estructura de la membrana. Membranas celulares eucarióticas Una de las diferencias principales en cuanto a la composición química entre las células eucarióticas y las procarióticas es que las eucarióticas tienen esteroles en sus membranas. Los esteroles están ausentes en las membranas de prácticamente todos los procariotes. Dependiendo del tipo de célula, los esteroles pueden constituir del 5 al 25% de los lípidos totales de las membranas de las células eucarióticas. Los esteroles son moléculas planares, rígidas, en tanto que los ácidos grasos son flexibles. La asociación de los esteroles con las membranas celulares sirve para estabilizar su estructura y hacerlas menos flexibles. Como la célula eucariótica, (al carecer de pared y ser de mayor tamaño) debe resistir tensiones físicas mayores sobre la membrana necesita una membrana con una estructura más rígida a fin de conservar la estabilidad de la célula y sus funciones. Un grupo de antibióticos, los poliénicos (filipina, nistatina, y candicidina) reaccionan con los esteroles y desestabilizan la membrana. Es interesante notar que estos antibióticos generalmente son activos contra los eucariotes, pero son inactivos contra los procariotes, probablemente debido a que estos últimos carecen de esteroles en sus membranas. Funciones de la Membrana Celular La membrana lleva a cabo funciones celulares muy importantes. a) Por una parte funciona como una barrera de permeabilidad evitando la pérdida pasiva de componentes del citoplasma y la entrada indiscriminada de constituyentes. b) Además, es el lugar donde se asientan proteínas, muchas de las cuales están implicadas en el transporte de sustancias hacia el interior o exterior de la célula c) Es el sitio donde se produce la energía de la célula. La membrana puede estar en una forma energéticamente cargada en la que existe separación de H+ y HO-. Este estado energético de la membrana que se conoce como fuerza motriz protónica (FMP), es el responsable del mantenimiento de muchas funciones celulares que requieren energía, tales como algunas formas de transporte, la movilidad y biosíntesis de ATP. 3 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana La membrana citoplasmática como barrera de permeabilidad La membrana celular posee permeabilidad selectiva, y la mayoría de las moléculas no la atraviesan pasivamente sino que deben ser transportadas a través de la membrana. Las características hidrofóbicas de la membrana le permiten funcionar como una barrera estricta. Aunque algunas sustancias pequeñas, no polares y solubles en grasas, como ácidos grasos, alcoholes y benceno pueden pasar la membranas por difusión disolviéndose en la fase lipídica, las moléculas cargadas como los ácidos orgánicos, los aminoácidos y las sales inorgánicas, que son hidrofílicas, no pasan fácilmente la barrera de la membrana, sino que deben ser transportadas en forma específica. Incluso una sustancia tan pequeña como el ión hidrógeno (H ) no es capaz de pasar la barrera de la membrana plasmática por difusión, por que siempre está hidratado, presentándose en solución como ión hidronio cargado (H3O). Una molécula que atraviesa la membrana es el agua que es lo suficientemente pequeña y sin carga. Los compuestos denominados ionóforos destruyen las propiedades de permeabilidad selectiva de las membranas. Los ionóforos son pequeñas moléculas hidrofóbicas que se disuelven en las dobles capas lipídicas y permiten la difusión pasiva de sustancias ionizadas hacia dentro o hacia afuera de la célula. Ciertos antibióticos son ionóforos eficaces por ejemplo la Valinomicina actúa como un canal para el potasio y hace que el potasio se iguale a ambos lados de la membrana y como la formación de gradientes de concentración es indispensable para las funciones celulares, los ionóforos son obviamente agentes letales para las células. Otro ionóforo es la Tirocidina, la cual forma un canal transversal para varios cationes monovalentes. Mecanismos de transporte mediado: acción de las proteínas de transporte Si la difusión fuera el único medio de transporte disponible, las células no podrían ser capaces de adquirir concentraciones adecuadas de solutos para que tengan lugar las reacciones bioquímicas. Los mecanismos de transporte mediado solucionan este problema haciendo posible que la célula acumule solutos en contra del gradiente de concentración. Varias moléculas polares como azúcares, aminoácidos, iones, pasan a través de la membrana mediante la acción de proteínas de transporte y pueden concentrarse hasta 1000 veces más que en el medio externo. Una característica del transporte mediado por un transportador es la naturaleza altamente específica del proceso. Sistema de transporte de membrana En los procariotas, existen al menos 3 clases de sistemas de transporte: a) Aquellos que implican solamente una proteína transmembranal (Transporte simple). b) Aquellos que comprenden una proteína transmembranal más un componente periplásmico de unión.(Sistema de transporte ABC). c) Aquellos que implican una serie de proteínas que cooperan en el proceso de transporte, como el sistema de la fosfotransferasa (Translocación de grupo). 4 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Todos estos sistemas requieren energía, sea en forma de FMP, de ATP o de algún otro compuesto de alta energía. El transporte se lleva a cabo por un cambio de conformación de la proteína tras la unión del sustrato específico, haciendo que el compuesto pase a través de la membrana. Se han identificado dos clases de proteínas de transporte: las uniportadoras y las proteínas de cotransporte. Las uniportadoras son proteínas que transportan una sustancia de un lado de la membrana al otro. Las de cotransporte: mueven la sustancia de interés a través de la membrana junto con una segunda sustancia que se requiere para transportar a la primera. Y dentro de ellas tenemos dos tipos: las simportadoras: son proteínas de membrana que acarrean ambas sustancias en la misma dirección y las antiportadoras: estas proteínas transportan una sustancia en una dirección y la segunda sustancia en la dirección opuesta. Ejemplo de transporte simple: La permeasa Lac: E coli incorpora lactosa para su crecimiento, mediante un simportador llamado permeasa Lac que toma una molécula de lactosa junto con un protón. Por cada lactosa que ingresa mediante permeasa Lac, la energía de la FMP disminuye debido al flujo de H+ al interior celular. El resultado final de la acción de un transportador simple como la permeasa Lac es la acumulación de soluto (lactosa) hasta concentración lo suficientemente alta como para que su metabolismo proporcione a su vez energía a la célula. Traslocación de grupo Estos son procesos de transporte en los cuales la sustancia se altera químicamente en el curso de su paso a través de la membrana. Ejemplo: transporte de azúcares glucosa, manosa, fructosa, N-acetilglucosamina y B-glucósidos que son fosforilados durante el proceso de transporte por el sistema de fosfotransferasa. Otras sustancias que se cree son transportadas por translocación de grupos son las purinas, las pirimidinas y los ácidos grasos. Transporte dependiente de proteínas periplásmicas de unión: sistema ABC Los sistemas de trasporte que utilizan proteínas periplásmicas de unión también poseen componentes proteicos transmembranales que son los que realmente llevan a cabo el proceso de transporte; y un tercer componente que suministra la energía necesaria para el proceso mediante hidrólisis de ATP. Estos tipos de transporte se denominan sistemas de transporte ABC 2.- PARED CELULAR Debido a la elevada concentración de solutos disueltos dentro de la célula bacteriana se desarrolla una considerable turgencia por presión. Para resistir estas presiones, las bacterias poseen paredes celulares, que también funcionan para dar forma y rigidez a la célula. Las paredes celulares de los procariotas son difíciles de observar con el microscopio óptico, pero se pueden ver bien en cortes finos de células con el microscopio electrónico. 5 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Las bacterias se pueden dividir en dos grupos importantes llamadas Gram positivas y Gram negativas. Las células Gram positivas y Gram negativas difieren marcadamente en la apariencia de sus paredes celulares. La pared celular Gram negativa es una estructura de capas múltiples bastante compleja, en tanto que la pared celular Gram positiva consta principalmente de un sólo tipo de molécula y suele ser mucho más gruesa Péptido glucano (capa rígida) En las paredes celulares de las eubacterias hay una capa que es la responsable principal de la resistencia de la pared y se denomina péptido glucano o capa rígida. La capa rígida tanto de las bacterias Gram negativas como positivas es muy semejante en su composición química. Esta lámina está compuesta de dos derivados de carbohidratos, la N-acetil glucosamina y el ácido N-acetilneuramínico o murámico como así también de un pequeño número de aminoácidos en total cuatro que constan fundamentalmente de Lalanina, D-ácido glutámico, lisina (en G ) o ácido diaminopimélico (en G) y D-alanina. Estos constituyentes están conectados entre sí para formar una estructura repetitiva denominada tetrapéptido glucano. La estructura básica es en realidad una lámina en la cual las cadenas de glucanos formadas por carbohidratos están conectadas por enlaces peptídicos cruzados formados por los aminoácidos. Los enlaces glucosídicos que conectan los carbohidratos en las cadenas de glucanos son muy fuertes, pero la resistencia total de la estructura de los peptido glucanos se obtiene cuando las cadenas se unen por medio de los enlaces peptídicos cruzados. Diferencias del enlace peptídico cruzado Estos entrecruzamientos se presentan de manera característica y diferente en las distintas bacterias, a su vez la pared tendrá mayor rigidez cuanto más completo sea este entrecruzamiento. En las bacterias G, los entrecruzamientos usualmente se presentan por enlaces peptídicos directos del grupo amino del ácido diaminopimélico con el grupo carboxilo de la D-alanina terminal de otra cadena. En las bacterias Gram positivas el enlace cruzado es más complejo y los tipos y cantidad de aminoácidos entrecruzados varían de un organismo a otro. En el Staphylococcus aureus, el microorganismo mejor estudiado, se encuentran cinco moléculas del aminoácido glicina llamado puente de pentaglicina, conectado por enlaces peptídicos. Características del peptidoglucano 1 .El carbohidrato N-acetil murámico nunca se encuentra en eucariotas, como tampoco el ácido diamino pimélico. 2. Otra característica poco común de la pared celular procariótica es la presencia de dos aminoácidos que tienen la configuración D, la D-alanina y el ácido D-glutámico. Naturalmente los aminoácidos proteínicos se encuentran siempre en la configuración L. 6 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana 3. Los carbohidratos N-acetil glucosamina y el ácido N-acetil murámico siempre están presentes en los procarióticos y están conectados por enlaces -1,4. 4. El tetrapéptido de la unidad repetitiva muestra únicamente variación en un aminoácido, la alteración lisina-ácido diaminopimélico (para grampositivas y gramnegativas respectivamente). 5. Se conocen casi 100 tipos diferentes de peptidoglucanos y la máxima variación se da en los puentes de conexión. 6. En las bacterias Gram positivas casi el 90% de la pared está constituída por peptidoglucanos, aunque otro tipo de constituyentes, como el ácido teicoico está generalmente presente en pequeñas cantidades. En las bacterias Gram negativas únicamente el 5 al 20% de la pared es de peptidoglucanos, el resto se encuentra en una capa exterior de la pared, fuera de la capa de peptidoglucano, denominada Lipopolisacárido. Lipopolisacárido, capa exterior o membrana externa de la Pared G (-) Esta capa es una segunda doble capa lipídica, pero no solamente contiene fosfolípidos y proteínas como la membrana plasmática, sino que además contiene polisacáridos. El lípido y el polisacárido están unidos intimamente en ésta capa exterior para formar estructuras específicas de lipopolisacáridos (LPS) y, debido a su presencia, la capa externa de la pared recibe el nombre de capa de lipopolisacáridos o capa LPS El polisacárido consta de dos porciones el núcleo de polisacárido y el polisacárido-O. En Salmonella, en la cual ha sido mejor estudiado, el núcleo de polisacárido consta de cetodesoxioctonato, carbohidratos de siete carbonos (heptosas), glucosa, galactosa y Nacetil glucosamina. A este núcleo se le conecta el polisacárido O, el cual contiene una unidad repetitiva de galactosa, glucosa, ramnosa y manosa (todos carbohidratos de 6 átomos de carbono), finalmente se ubica uno o más carbohidratos raros didesoxihexosas tales como abecuosa, colitosa, paratosa y tivelosa. Cuando la secuencia de los azúcares se repite, se forma el largo polisacárido O, que es responsable de la especificidad de especie. El polisacárido núcleo hacia el interior se une al Lipido A. Los ácidos grasos que se encuentran en el lípido A son los ácidos caproico, láurico, mirístico, palmítico y esteárico. En la capa exterior, los LPS se asocian con los fosfolípidos y forman la mitad externa de ésta capa. A su vez en el lado interno de la capa exterior de algunas bacterias Gram negativas se encuentra una lipoproteína compleja, la misma sirve como de ancla entre la membrana externa y el peptidoglucano. Una propiedad biológicamente importante de la capa externa de muchas bacterias Gram negativas es que suele ser tóxica para los animales. Las bacterias Gram negativas patógenas para el hombre y los animales incluyen miembros de los géneros Salmonella, Shigella y Escherichia. 7 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Las propiedades tóxicas se asocian con parte de la capa de polisacáridos (LPS) de estos organismos y particularmente con el Lípido A. Con frecuencia el término endotoxina se utiliza para referirse a éste componente tóxico del LPS. Permeabilidad de la capa exterior A diferencia de la membrana celular, la membrana externa ó capa exterior de las bacterias Gram negativas es realmente permeable a moléculas pequeñas, aún cuando básicamente es un doble capa lipídica. Las moléculas se pueden mover rápidamente a través de esta capa por la existencia en la misma de porinas que sirven como canales en la membrana externa por donde entran y salen sustancias de bajo peso molecular. La mayor parte de las porinas parecen ser inespecíficas. Las porinas mayores permiten la entrada de sustancias de un peso molecular hasta 5000. Las porinas son proteínas transmembránicas y se asocian para formar agujeros de 1 nm de diámetro en las membranas. Aparentemente existe un mecanismo que abre y cierra los poros, ya que la resistencia a ciertos antibióticos está relacionada con la estructura de las porinas. Aparentemente estas porinas se pueden cerrar para evitar la captación de antibióticos. Espacio periplásmico Si bien la capa exterior es permeable a moléculas pequeñas, no es permeable a las enzimas y otras moléculas grandes. De hecho, una de las principales funciones de la capa exterior puede ser su capacidad para retener ciertas enzimas que existen fuera del citoplasma de manera que no salgan por difusión. Estas enzimas se encuentran en un región llamada espacio periplásmico. En este espacio se encuentran generalmente tres tipos de proteínas: enzimas hidrolíticas, cuya función es la degradación inicial de las moléculas alimenticias, proteínas de enlace, que inician el proceso de transporte de sustratos y quimioreceptores que son proteínas que participan en la respuesta quimiotáctica. Acidos teicoicos Aunque las bacterias Gram positivas no tienen una capa exterior de lipopolisacáridos presentan los ácidos teicoicos, los cuales son residuos de glicerofosfato o de fosfato de ribitol. Tienen carga negativa y son los responsables de la carga negativa de la superficie celular. Son los responsables de las propiedades antigénicas de las bacterias Gram positivas. Relación de la estructura de la pared con la tinción de Gram En la coloración de Gram se forma un complejo cristal violeta-yodo, insoluble dentro de la célula, y este complejo es extraído por alcohol de las bacterias Gram negativas pero no de las bacterias Gram positivas. Las células Gram positivas tienen paredes celulares muy gruesas que se deshidratan con el alcohol, produciendo el cierre de los poros de la pared, evitando así que el complejo insoluble cristal violeta-yodo salga de las células. En las Gram negativas el solvente penetra la capa lipopolisacárida y las decolora. Sin embargo la reacción de Gram no está relacionada directamente con la química de la pared celular bacteriana sino con la estructura física puesto que las levaduras que tienen una gruesa pared celular pero de una composición química totalmente diferente son también Gram positivos. 8 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Osmosis, lisis y formación de protoplastos La pared además de conferir forma, permite mantener la integridad de la célula. La mayoría de los ambientes microbianos tienen concentraciones de solutos mucho mas bajos que los de la célula, por lo tanto existe la tendencia de que el H 2O pase de los sitios de baja concentración a los de alta concentración mediante el proceso denominado ósmosis. Si no existiera la pared celular la entrada de agua podría hacer explotar a la célula. Esto se puede ilustrar si se trata una suspensión bacteriana con lisozima, enzima presente en las lágrimas, la saliva, otros líquidos corporales y en la clara de huevo. La lisosima hidroliza el péptido-glucano en la unión (1-4), debilita la pared y entra agua, la célula se dilata y revienta produciéndose la lisis celular. Si se agrega al medio una concentración adecuada de soluto que no penetra a la célula, por ejemplo sacarosa al 20%, se logra que se equilibren las concentraciones de solutos a ambos lados de la membrana y la célula no presenta lisis, obteniéndose un protoplasto intacto. Si se colocan en agua los protoplastos estabilizados con sacarosa la lisis se observa inmediatamente. Los protoplastos estabilizados osmóticamente siempre son esféricos en el medio líquido aún cuando se hayan obtenido desde bacilos, indicando que es justamente la pared la que determina la forma celular. Existen microorganismos carentes de pared celular y agentes de enfermedades infecciosas, ellos son los micoplasmas, los cuales son protoplastos de vida libre capaces de sobrevivir sin pared ya sea por tener una membrana excepcionalmente fuerte o por vivir en ambientes osmóticamente protegidos, en el cuerpo animal. En células que no están en proliferación activa puede presentarse lisis espontánea como resultado de la hidrólisis de la pared por las enzimas celulares sin la concomitante síntesis de nueva pared celular y este proceso se conoce como autólisis. 3.- RIBOSOMAS El citoplasma de la célula bacteriana muestra al microscopio electrónico un aspecto granular muy fino debido a la presencia de los ribosomas. Los mismos son cuerpos que tienen RNA y están compuestos por un 60% de RNA y un 40% de proteínas. Los ribosomas de los organismos procariotas son algo más pequeños y livianos de peso que los de los eucariotas. Los ribosomas se separan por centrifugación diferencial y tienen constantes de sedimentación características. Los procarióticos tienen una constante de sedimentación de 70 S, mientras que los eucarióticos tienen una constante de 80 S. Cada partícula ribosómica está constituída por dos partes de tamaño desigual, que son separables por medios físicos y que se pueden volver a juntar. La subunidad más pequeña tiene una constante de sedimentación de 30 S y se compone de una molécula de RNA 16 S a las que se unen 20 proteínas ribosómicas. La subunidad mayor de 50S se compone de un RNA 23 S y 50 proteínas específicas. Toda la partícula ribosómica (30 S + 50S) es 70 S. 9 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Las partículas 30 S y 50 S probablemente existen libres en la célula y se unen conjuntamente al RNA mensajero y al RNA transfer para formar el complejo funcional 70S. Una sola molécula de RNA mensajero puede tener adherida gran número de partículas ribosómicas. La función específica de los ribosomas es su participación en la síntesis de proteínas, para ello se hallan agrupados en cadenas denominadas polisomas. 4.- ESTRUCTURA DEL DNA EN LOS PROCARIOTES El DNA es una molécula bicatenaria formada por cadenas antiparalelas de polinucleótidos complementarios. El DNA bacteriano no está rodeado por una membrana típica como en el núcleo eucariota, aunque tiende aglomerarse como una estructura definida dentro de la célula y es visible con el microscopio electrónico. La mayor parte del DNA de una célula bacteriana forma una sola molécula. Se llama nucleoide a esta masa de DNA en la célula bacteriana. Sólamente se encuentran en el DNA cuatro bases diferentes: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C), y Timina (T). El esqueleto de la cadena de DNA consiste en unidades alternas de fosfato y del azúcar desoxirribosa, conectada cada unidad de azúcar a una base de ácido nucleico. Esta secuencia se repite. El fosfato que conecta a dos azúcares va del carbono 3´de un azúcar al carbono 5´del azúcar adyacente. En un extremo de la molécula de DNA el azúcar tiene un fosfato en el oxhidrilo 5´, en tanto que en el otro extremo el azúcar tiene un oxidrilo libre en la posición 3´. Por los grupos PO43- el DNA tiene una elevada carga negativa la cual está neutralizada por iones Mg2+ y bases orgánicas como espermina, espermidina y putrescina, en cel. eucariotas está neutralizada por proteínas básicas como histonas y protaminas y esto constituye una importante diferencia entre procariótas y eucariótas. Tamaño y peso molecular del DNA El tamaño de una molécula de DNA se puede expresar en términos de su peso molecular, sin embargo al tener que manejar números muy elevados, la forma más conveniente de expresar el tamaño de las moléculas del DNA es en términos del número de millares de bases de nucleótidos por molécula. Así, una molecula de DNA con 1000 bases contendrá 1 kilobase (1 Kb) de DNA. Si el DNA fuera una doble hélice, entonces podemos hablar de pares de kilobases. La bacteria Escherichia coli tiene alrededor de 4600 pares de kilobases de DNA. En el cromosoma el DNA no existe como un solo polinucleótido, sino como dos cadenas de polinucleótidos que no son idénticas, sino complementarias. La complementariedad de las moléculas del DNA proviene del apareamiento específico de las bases púricas (adenina y guanina) con las bases pirimídicas (citocina y timina). Adenina se aparea con timina por dos uniones tipo puente de H y guanina con citocina por tres uniones tipo puente de H. Esta molécula de doble cadena se dispone en forma helicoidal constituyendo la doble hélice. DNA superenrollado Si se lisa suavemente un protoplasto microbiano, el DNA sale de la célula como una sola fibra larga, probablemente una molécula única que estirada en el caso de Escherichia coli es 1000 veces más larga que la célula de E. coli que lo contiene, lo cual sugiere que en el 10 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana interior de la célula el DNA debe estar extraordinariamente plegado. El problema de empaquetar el ácido nucleico dentro de los virus es aún mayor. Para ello se produce el superenrrollamiento del DNA. El superenrrollamiento imprime torsión a la molécula de DNA. Esta torción solamente se mantiene si se mantiene la estructura circular. Si se corta una cadena el DNA genera el duplex circular abierto. Si se cortan las dos cadenas se genera el duplex lineal. El superenrrollamiento es inducido por una enzima especial denominada topoisomerasa Hay dos topoisomerasas, la topoisomerasa II (también llamada girasa) es la que induce el superenrollamiento. En cambio la topoisomerasa I elimina el superenrrollamiento dando origen al DNA relajado. Por medio de la acción de estas topoisomerasas la molécula de DNA puede de modo alternativo enrollarse o relajarse. Siendo el enrrollamiento necesario para que el DNA entre en los límites de la célula y el relajamiento necesario para que el DNA se pueda replicar. Ciertos antibióticos como el ácido nalidíxico y la novobiocina inhiben la acción de la DNA girasa. Interacción de ácidos nucleicos con proteínas La interacción de los ácidos nucleicos con las proteínas tiene una gran importancia. Las interacciones proteína-ácido nucleico son básicos para la replicación, la transcripción, así como la regulación de estos procesos. Se destacan dos clases generales de interacciones, las no específicas y las específicas, dependiendo de si la proteína se une en cualquier parte del ácido nucleico, o si la interacción es específica para una secuencia dada. Ejemplo de interacción no específica es el caso de las histonas en el DNA eucariótico. Las interacciones específicas tienen lugar por asociación de las cadenas laterales de los aminoácidos de las proteínas con las bases, las moléculas de fosfato y de azúcar del DNA. Estructuras bacterianas ocasionales 1.- FLAGELOS Muchas bacterias son móviles y esta capacidad para desplazarse independientemente es debida frecuentemente a la presencia de flagelos, permitiendo a las mismas alcanzar diferentes regiones de su microambiente. En su lucha por la supervivencia la capacidad para moverse puede significar la diferencia entre la vida y la muerte de la célula. Los flagelos bacterianos son apéndices largos y delgados, libres por uno de sus extremos y unidos a la célula por el otro. Son tan delgados (cerca de 20 nm) que los mismos no pueden visualizarse directamente al microscopio óptimo, sino mediante el uso de tinciones especificas. Una tinción muy usada, emplea la fucsina básica como colorante usando ácido tánico como mordiente, el cual favorece la unión de las moléculas del colorante al flagelo formándose un precipitado que los hace visible al microscopio. También pueden observarse con el microscopio electrónico fácilmente. Disposición de los flagelos En diferentes bacterias los flagelos se disponen de manera diferente. En la flagelación polar, se ubican en uno o ambos extremos de la célula, si sale de un extremo de la célula un peñacho de flagelos se denomina lofotrico. En la flagelación peritrica los flagelos se 11 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana disponen alrededor de toda la superficie celular. El tipo de flagelación sirve para la clasificación de las bacterias. Estructura Flagelar Los flagelos no tienen una forma recta sino helicoidal. Muestran una distancia constante entre dos curvas adyacentes denominada longitud de onda. Los flagelos bacterianos están compuestos de subunidades de una proteína llamada flagelina. La forma y la longitud de onda del flagelo están determinadas en parte por la estructura de la flagelina y por la dirección de rotación del flagelo. En la región donde se inserta el flagelo, presenta una zona mas ancha denominada gancho, que une el flagelo a la parte motora. A continuación del gancho sigue el cuerpo basal que funciona como motor. El cuerpo basal, está anclado en la membrana y pared bacteriana y está constituido por un eje central que atraviesa un sistema de anillos. En bacterias Gram negativas un anillo externo está anclado en el LPS y el otro en el peptidoglucano de la pared celular, y el par interno de anillos está localizado dentro o justamente por encima de la membrana plasmática. En bacterias Gram positivas que carecen de LPS, solo está presente el par interno de anillos. Tanto el gancho como el cuerpo basal están compuestos por proteínas diferentes a la del mismo flagelo. . Movimiento flagelar Cada flagelo individual es realmente una estructura rígida que no se flexiona, sino que se mueve por rotación, como una turbina. Es muy posible que el movimiento de rotación del flagelo sea provocado por el cuerpo basal, que actúa como motor. La energía que se requiere para la rotación del flagelo proviene de la fuerza motriz protónica. El flujo de H+ a través de la membrana se realiza por el complejo Mot y estimula la rotación del flagelo. Las velocidad del movimiento bacteriano es generalmente superior a 10 longitudes por segundo, siendo tan rápido como los organismos superiores, ejemplo la cheetah se mueva a una velocidad de 25 longitudes por segundo y el Vibrio cholerae 50 longitudes/segundo. Crecimiento flagelar El flagelo no crece sobre la base, como un pelo animal, sino por la punta. El crecimiento del flagelo se presenta más o menos continuamente hasta que se alcanza un máximo de longitud, pero si se rompe una porción de la punta, esta se regenera. Quimiotaxis en bacterias La quimiotaxis es el movimiento que lleva a cabo un organismo para acercarse o alejarse de sustancias químicas. La quimiotaxis (QT) positiva se refiere a los movimientos para acercarse a dicha sustancia y se presenta cuando ésta beneficia a la célula por ejemplo la presencia de un nutriente. La quimiotaxis negativa es el movimiento para alejarse de una sustancia que usualmente es perjudicial. La sustancia química que induce QT positiva se denomina atrayente y la que induce QT negativa repelente. La QT es un fenómeno de comportamiento y sugiere cierto tipo de respuesta nerviosa. 12 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana 2.- Fimbrias y Pelos ( son estructuras de la superficie celular bacteriana) Las fimbrias y los pelos son estructuras semejantes a los flagelos pero no participan en la movilidad. Las fimbrias son considerablemente más cortas y más abundantes que los flagelos. Pueden ser químicamente muy semejantes a los flagelos. No todos los organismos tienen fimbrias y la capacidad para producirlas es de carácter hereditario. Las fimbrias permiten a los organismos adherirse a superficies inertes y formar una película o residuo sobre la superficie de los líquidos. Los pelos son estructuras semejantes a las fimbrias pero suelen ser más largos y tan solo uno o unos pocos están presentes sobre la superficie celular. Los pelos se visualizan en el microscopio electrónico pues sirven de receptores específicos a ciertos tipos de partículas virales y cuando se cubren con virus se observan fácilmente. Los pelos participan en el proceso de apareamiento de las bacterias. Y en algunas bacterias patógenas participan en la adherencia a los tejidos. CAPSULAS Y CAPAS MUCILAGINOSAS La mayoría de los organismos procarióticos secretan sobre sus superficies sustancias densas, mucosas o gomosas. Antiguamente se los denominaba capsulas y capas mucilaginosas, actualmente se las denomina glucocalix y se lo define como sustancias que contienen polisacáridos que se encuentran fuera de la célula. El glucocalix varía en los diferentes organismos, pero puede estar compuesto de glucoproteínas, gran cantidad de polisacáridos diferentes (homo y heteropolisacáridos) incluyento polialcoholes y aminoazúcares e inclusive polímeros del ácido D-glutámico (Bacillus anthracis). El glucocalix puede ser grueso o delgado, rígido o flexible dependiendo de su composición química. Si forma una matriz muy compacta, que excluye partículas como la tinta china, da la forma de la cápsula tradicional. Si el glucocalix se deforma más facilmente, es laxo, no excluye partículas y es difícil de ver corresponde a la capa mucilaginosa tradicional. El glucocalix se puede observar fácilmente haciendo una suspensión bacteriana en tinta china, en donde se reconoce como una zona clara entre el medio opaco y el cuerpo celular más refráctil. También pueden visualizarse mediante el uso de anticuerpos anticapsulares que incrementan su refractibilidad. No todas las especies bacterianas producen glucocalix fácilmente detectable y el tamaño del mismo está marcadamente influenciado por el ambiente en la cual la bacteria es cultivada. La capacidad de producir glucocalix es una propiedad hereditaria es decir que se puede perder por mutación. Las capas de glucocalix desempeñan varias funciones en las bacterias: 13 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana 1) Permiten la fijación de ciertos microorganismos patógenos a sus huéspedes. Por ejemplo las bacterias que producen caries dentales se adhieren a la superficie de los dientes por medio del glucocalix 2) Son un factor de virulencia. Ya que las bacterias capsuladas son más difíciles de reconocer y destruir por las células fagocíticas del sistema inmunológico inespecífico. Por ejemplo las cepas de Streptococcus pneumoniae, que causa la neumonía en el hombre, siempre tienen cápsulas puesto que actuan como factor antifagocitario, impidiendo su ingestión y destrucción por los fagocitos. Los pneumococos no capsulados por otra parte son no patógenos. Utilizando antisueros específicos los pneumococos se dividen en más de 70 tipos, distinguibles sobre la base de pequeñas diferencias en la composición química de los polisacáridos del glucocalix. 3) Son un factor de resistencia a la desecación, debido a que las capas de polisacáridos exteriores unen una cantidad significativa de agua. 4) Pueden bloquear la unión de bacteriófagos ENDOSPORAS BACTERIANAS La espora bacteriana es una forma y/o estado especial de la célula bacteriana que presentan algunos géneros bacterianos tales como Bacillus (aerobios) Clostridium (anaerobios), Sporosarcina, Thermoactinomyces y otros pocos géneros, la cual presenta como característica principal la extremada resistencia al calor. Los géneros Bacillus y Clostridium son de amplia distribución, especialmente en el suelo. Las esporas son de gran importancia en Microbiología y justamente la cinética de esterilización en un esterilizador determinado se efectúa utilizando las esporas mas resistentes al calor conocidas que son las esporas de Bacillus stearotermophylus. Observación de las esporas Las esporas bacterianas son endosporas ya que la espora se forma dentro de la célula vegetativa, y pueden observarse fácilmente con el microscopio de contraste de fases, como una zona intensamente refringente. Además por ser muy impermeables a los colorantes se observan como zonas claras en células teñidas con colorantes básicos como el azul de metileno. La espora puede ubicarse en posición central (Bacillus cereus), subterminal (Clostridium tetani) y terminal (Clostridium subterminale) Estructura de la espora La estructura de la espora es mucho más compleja que la de la célula vegetativa de la cual proviene. Se pueden observan varias capas y desde adentro hacia afuera podemos distinguir las siguientes estructuras: 14 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana 1) Citoplasma o core: el cual retiene el material genético inicial. 2) Membrana interna: esta dará origen a la membrana celular y a la pared celular cuando la espora germine. 3) Cortex: el cual está compuesto por glucopéptidos. 4) Membrana externa 5) Cubiertas de la espora: es la capa más resistente y está compuesta únicamente por proteínas con un alto contenido en cisteína. 6) Exosporium: se trata de una cubierta fina y frágil Ciclos de crecimiento vegetativo y de esporulación Las bacterias capaces de esporular pueden pasar de un ciclo de crecimiento vegetativo a uno de esporulación y luego la espora madura puede germinar para dar origen nuevamente a un ciclo vegetativo. La espora madura, generalmente esférico u oval, es sólo una fracción del tamaño total de la célula vegetativa. En algunas bacterias no deforma al cuerpo bacteriano (Bacillus) y en otros si (Clostridium). La endospora posee una serie de propiedades muy diferentes de la célula que le dió origen siendo particularmente característica la elevada resistencia a los efectos destructivos de diversos agentes físicos y químicos, como la desecación, los agentes desinfectantes, las radiaciones y particularmente al calor. Características de la Espora El rasgo químico más característico de la espora es su elevado grado de deshidratación Otro aspecto muy característico de la espora bacteriana es el gran contenido de Ca 2+ y en cantidad equivalente de ácido dipicolínico. Este compuesto constituye entre el 5 al 10% de peso seco de la espora bacteriana, no se ha detectado este compuesto en ningún otro tipo de célula, y además no se detecta en la célula vegetativa. Se argumenta que el calcio y el ácido dipicolínico forman un complejo de dipicolinato de calcio, el cual se localiza en las membranas exteriores de la espora, y le confiere la extraordinaria resistencia al calor.Sin embargo se han aislado esporas resistentes al calor que no tienen el complejo Ca-acido dipicolínico refutando esta hipótesis. Germinación de la espora La espora puede mantenerse como tal durante largos periodos de tiempo, inclusive años, constituyendo una fase de resistencia. 15 CARRERAS: Tecnicatura en Laboratorios Biologicos TEMA: Estructura bacteriana Cuando la espora es transferida a un medio y ambiente favorable para el crecimiento se observa el proceso de germinación de la espora, se rompen las capas de la espora y se vuelve a generar la célula vegetativa. Se ha comprobado que algunas esporas bacterianas germinan espontáneamente en un medio favorable, hay otras, que permanecen en estado de letargia o latencia, a menos que sean activadas por algún agente traumático. 16
