6 - Clasificación, estructura y replicación de las bacterias

   Las bacterias poseen una estructura relativamente simple. Son microorganismos procariotas, es decir, unos microorga-nismos unicelulares sencillos, sin membrana nuclear, mitocondrias, aparato de Golgi ni retículo endoplasmático que se reproducen por división asexual. La pared celular que rodea a las bacterias es compleja, y existen dos formas básicas: una pared celular grampositiva con una gruesa capa de peptidoglucano y una pared celular gramnegativa con una delgada capa de peptidoglucano.

Clasificación bacteriana

   Las bacterias se pueden clasificar según su aspecto macros-cópico y microscópico, por el crecimiento y las propiedades metabólicas características, por su antigenicidad y, por último, por su genotipo.

Distinción macroscópica y microscópica

  El aspecto microscópico, incluido el tamaño, la forma y la configuración de los gérmenes (cocos, bacilos, curvos, espirales), y la capacidad de captar la tinción de Gram (grampositivos o gramnegativos) son el principal modo de distinguir las bacterias. Una bacteria esférica, como Staphy­lococcus, es un coco, mientras que una bacteria en forma de bastón, como E. coli, es un bacilo; el treponema que adopta una forma serpenteante es un espirilo. Además, Nocardia y Actinomyces tienen un aspecto filamentoso ramificado similar a estos hongos. Algunas bacterias forman agregados, como los cúmulos a modo de racimos de uvas de Staphylococcus aureuso los diplococos (dos células juntas) que se observan en las especies de Neisseria o Streptococcus.

  La tinción de Gram es una prueba rápida, potente y senci-lla que permite al clínico distinguir entre dos clases fundamen-tales de bacterias, establecer un diagnóstico inicial e iniciar el tratamiento basándose en las diferencias inherentes entre las bacterias (fig.12-2). Las bacterias se fijan con calor o se dejan secar sobre el porta, se tiñen con violeta cristal (fig.12-3), que es un colorante que se precipita con yodo, y después se elimina el exceso de colorante y el no ligado lavando el porta con un decolorante cuya base es la acetona y con agua. Se añade después un contraste, la safranina, para teñir las células decoloradas. Este proceso se realiza en menos de 10 minutos.

   Las bacterias grampositivas se tiñen de morado porque el colorante queda atrapado en una gruesa capa de peptido-glucanos a modo de malla entrelazada, que rodea a la célula. Las bacterias gramnegativas tienen una capa de peptido-glucanos más delgada, que no retiene el violeta cristal, de forma que las células se tiñen con la safranina empleada como contraste y se ven rojas (fig.12-4). Se puede establecer la regla nemotécnica: «púrpura es positivo».

Principales características de los eucariotas y los procariotas

  La célula eucariota tiene una membrana que encierra el núcleo separándolo del citoplasma. La célula procariota no posee estructuras con membranas en su interior, es decir, su contenido intracelular está esparcido en el citoplasma.

  Todos los seres vivos están compuestos por células que, según su estructura, pueden ser eucariotas o procariotas. El naturalista, zoólogo y biólogo francés Édouard Pierre Léon Chatton (1883-1947) fue el primero en distinguir entre los organismos eucariontes, aquellos con células con núcleo, y los procariontes, que son anucleados.

Pared celular

   Las bacterias GramNegativas y GramPositivas se diferencian por su pared celular y por sus componentes que son exclusivos de cada bacteria, y su estructura repetitiva se une a receptores de tipo toll de las células humanas para desencadenar respuestas protectoras innatas. Las mem-branas citoplásmicas de la mayor parte de los procariotas están rodeadas de unas rígidas capas de peptidoglucano (mureína), salvo en los organismos Archaea (que contienen seudoglucanos o seudomureínas relacionadas con el peptido-glucano), los micoplasmas (que carecen de pared celular) y las clamidias (que no tienen peptidoglucano).

Bacterias grampositivas

   Una bacteria grampositiva posee una pared celular gruesa que consta de varias capas y está formada principalmente por pepti­doglucano (150 a 500Å) que rodea la membrana citoplásmica, los peptidoglucanos que componen la maoyr parte de pared celular, le brinda estabilidad (esqueleto celular). El peptidoglucano es un elemento clave para la estructura, la replicación y la supervivencia de la célula en las condiciones normalmente hostiles en las que proliferan las bacterias.

  El peptidoglucano puede degradarse mediante el trata-miento con lisozima. La lisozima es una enzima presente en la mucosidad y las lágrimas del ser humano que también producen las bacterias y otros microorganismos. Esta enzima es capaz de desdoblar el esqueleto de glucano del peptido-glucano. El peptidoglucano puede degradarse mediante el trata-miento con lisozima. La lisozima es una enzima presente en la mucosidad y las lágrimas del ser humano que también producen las bacterias y otros microorganismos. Esta enzima es capaz de desdoblar el esqueleto de glucano del peptidoglucano.

  La célula grampositiva puede poseer también otros com-ponentes, como las proteínas, los ácidos teicoicos y lipotei-coicos, y polisacáridos complejos (generalmente denomina-dos polisacáridos C). La proteína M de los estreptococos y la proteína R de los estafilococos se asocian al peptidoglucano.

• Acidos teicoicos son unos polímeros hidrosolubles de fosfatos de poliol que están unidos al peptidoglucano mediante enlaces covalentes y son fundamentales para la viabilidad celular.
• Los ácidos lipoteicoicos poseen un ácido graso y se encuentran unidos a la membrana citoplásmica. Estas moléculas son antígenos de superficie frecuentes que diferencian los serotipos bacterianos y favorecen la fijación a otras bacterias y a receptores específicos localizados en la superficie de las células de los mamíferos (adherencia).                                                                                                                                                           
  
  
                                       

                                         Bacterias gramNegativas

  Las paredes celulares gramnegativas son más complejas (tanto desde el punto de vista estructural como químico. Inmediatamente por fuera de la membrana ci-toplásmica se encuentra una delgada capa de peptidoglucanoque representa tan sólo entre un 5% y un 10% del peso de la pared celular. Además, la pared celular gramnegativa no contiene ácidos teicoicos ni lipoteicoicos. En la parte externa de la capa de peptidoglucano se halla la membrana externa,la cual es exclusiva de las bacterias gramnegativas. La zona comprendida entre la superficie externa de la membrana citoplásmica y la superficie interna de la membrana externa se conoce como espacio periplásmico. Este espacio es un compartimento que contiene diversas enzimas hidrolíticas importantes para la degradación y metabolización por la cé-lula de las macromoléculas de gran tamaño. Habitualmente, estas enzimas son proteasas, fosfatasas, lipasas, nucleasas y enzimas metabolizadoras de carbohidratos. En el caso de las especies bacterianas gramnegativas patógenas, muchos de los factores de virulencia líticos (p.ej., colagenasas, hialuroni-dasas, proteasas y b-lactamasa) se encuentran en el espacio periplásmico. La membrana externa mantiene la estructura bacteriana y constituye una barrera impermeable a moléculas de gran tamaño (p.ej., proteínas como la lisozima) y moléculas hidrófobas (p.ej.,al-gunos antimicrobianos). También ofrece protección frente a condiciones ambientales adversas (p.ej., el sistema diges-tivo del organismo hospedador, un factor importante en los microorganismos de Enterobacteriaceae).

Estructuras externas

  Algunas bacterias (grampositivas o gramnegativas) se encuentran rodeadas por unas capas laxas de proteínas o polisacáridos denominadas cápsulas. En los casos en que la adhesión es muy débil y el grosor o la densidad no son uniformes, se habla de capa de limo(slime layer). Las cápsulas y la capa de limo se conocen también como glucocálix. Una excepción a esta regla es Bacillus anthracis, que produce una cápsula polipeptídica. Aunque la cápsula apenas es visible al microscopio, puede visualizarse por la exclusión de partículas de tinta china.                                                                  

•   La cápsula es poco antigénica y es antifagocítica; además, consti­tuye un factor de virulencia significativo (p.ej., Streptococcus pneumoniae). La cápsula puede actuar también como barrera frente a moléculas hidrófobas tóxicas (p.ej ., detergentes), así como facilitar la adherencia a otras bacterias o a las superfi-cies de los tejidos del hospedador.
•    La biopelicula o biofilm, tapiz bacteriano o tapete microbiano es un ecosistema microbiano organizado, conformado por una o varias especies de microorganismos asociados a una superficie viva o inerte, con características funcionales y estructuras complejas.
• Los flagelos son unos propulsores en forma de cuerda que están formados por unas subunidades proteicas enrolladas helicoidalmente (flagelina); asimismo, se unen a las mem-branas de las bacterias mediante unas estructuras (gancho y cuerpo basal) y se impulsan por el potencial de membrana. Las especies bacterianas pueden tener uno o varios flagelos en su superficie, los cuales pueden anclarse en diferentes partes de la célula. Los flagelos están compuestos de un motor de proteínas activado por adenosina trifosfato (ATP) conectado con un propulsor en forma de látigo compuesto de múltiples subunidades de flagelina.
• Las fimbrias(pili) («orlas» en latín) son unas estructuras piliformes que se localizan en la parte externa de las bacterias y están formadas por unas subunidades proteicas (pilina).Las fimbrias se diferencian morfológicamente de los flagelos por su menor diámetro (3-8nm frente a 15-20nm) y carecer de una estructura helicoidal. Como factor de adherencia (adhesina), las fimbrias constituyen un im-portante determinante de virulencia en la colonización e infección del aparato urinario por E. coli, al igual que en la infección por Neisseria gonorrhoeae y otras bacterias.                                

 Excepciones bacterianas

  Las micobacterias poseen una capa de peptidoglucano (con una estructura ligeramente distinta), que está entrelazado y unido mediante un enlace covalente a un polímero de arabinogalactano, y rodeado de una capa lipídica ceriforme de ácido micólico (ácidos grasos tipo b-hidroxi con ramifica-ciones a y de alto peso molecular), factor de agregación de micobacterias (cord) (glucolípido de trehalosa y dos ácidos micólicos), waxD (glucolípido de 15 a 20 ácidos micólicos y azúcar) y sulfolípidos. Estas bacterias se definen como ácido-alcohol resistentes.

Estructura y biosintesis de los principales componentes de la pared celular

   Los componentes de la pared celular son estructuras grandes que están formadas por polímeros de subunidades. Este tipo de estructura facilita su síntesis. Del mismo modo que los astronautas fabrican en el espacio una estación espacial, las bacterias han de enfrentarse a diversos problemas durante el proceso de conexión de los componentes de su pared celular. 

• Peptidoglucano (mucopéptido, mureína) El peptidoglucano es una malla rígida formada por cadenas lineales de polisacáridos (semejantes a una cerda) que es-tán unidas a través de péptidos. A su vez, el polisacárido se compone de disacáridos repetidos de N-acetilglucosamina (GlcNAc, NAG, G) y ácidoN-acetilmurámico (MurNAc, NAM, M).

• Ácidos teicoicos Ácidos teicoicosLos ácidos teicoicos y lipoteicoicos son polímeros de ribosa o glicerol modificados químicamente y unidos por grupos fosfato. A los grupos hidroxilo del glicerol o de la ribosa pueden unirse azúcares, colina o d-alanina, los cuales actúan como determinantes antigénicos. Estas moléculas se diferencian mediante la utilización de anticuerpos y pueden determinar el serotipo bacteriano. El ácido lipoteicoico po-see un ácido graso que está unido a la membrana. El ácido teicoico se elabora a partir de unos ladrillos usando el bacto-prenol de forma parecida a los peptidoglucanos. El ácido teicoico y algunas proteínas de superficie (p.ej., la proteína A de S. aureus) son secretados de las células para después unirse enzimáticamente al grupo N-terminal del péptido del peptidoglucano.

• Lipopolisacárido  El lipopolisacárido (LPS; endotoxina) está formado por tres regiones estructurales: lípido A, región central del polisacári-do (región central rugosa) y antígeno O.

División bacteriana

   La producción de dos células hijas exige el crecimiento y la ampliación de los componentes de la pared celular, seguidos de la formación de un tabique (pared cruzada) que dividirá las bacterias hijas en dos células. Este tabique se compone de dos membranas separadas por dos capas de peptidoglucano. La formación del tabique se inicia en la zona media de la célula, en un punto definido por la presencia de complejos proteicos unidos a un anillo proteico filamentoso que tapiza el interior de la membrana citoplásmica. El tabique crece a partir de zonas opuestas hacia el centro de la célula y provoca la separación de las células hijas. Este proceso requiere la presencia de unas transpepti-dasas especiales (PBP) y otras enzimas.

Esporas

  Algunas bacterias grampositivas, pero no las gramnegativas,pertenecientes a géneros como Bacillus (p.ej., Bacillus an­thracis) y Clostridium (p.ej., Clostridium tetani o botulinum) (bacterias de suelos) son capaces de formar esporas. En con-diciones ambientales adversas, como la desaparición de un nu-triente, estas bacterias pueden pasar de un estado vegetativoaun estado de latencia o de espora. La localización de la espora en el interior de la célula constituye una característica de cada bacteria que puede facilitar su identificación.