TEMA 1 BACTERIAS

Tema 2.- Bacterias

1.- Introducción Se denominan bacterias a los organismos procariotas, es decir, que no contienen un núcleo definido.

Pertenecen al Reino Monera según la clasificación de los cinco reinos de Whittaker. En general las bacterias son microorganismos unicelulares mucho más simples que las células eucariotas.

Su tamaño, refiriéndonos a las patógenas para el ser humano, puede fluctuar entre 0,2 y 5 micras aproximadamente.

Fueron visualizadas por primera vez por Antón van Leeuwenhoek, que ya en el siglo XVII, gracias a su microscopio simple consigue observarlas en la naturaleza.

A lo largo del siglo XIX y XX, se ha ido desarrollando el su actividad, desde las beneficiosas hasta las patógenas, no cerrándose las puertas a nuevos descubrimientos durante el siglo actual.

A lo largo de este capítulo vamos a dar un breve repaso sobre su morfología, estructura, diferenciación con las células superiores o eucarióticas, así como intentaremos establecer los motivos de su gran variabilidad genética.

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2.- Morfología bacteriana Las bacterias tienen en su gran mayoría una envoltura rígida o pared bacteriana que determina su forma, pudiéndonos encontrar en relación con ella a:

• Formas esféricas o cocos • Formas cilíndricas o bacilos • Formas helicoidales o espiroquetas

Algunas bacterias pueden carecer de pared celular, presentando entonces un gran polimorfismo. Podemos encontrarnos con:

• Esferoplastos. Bacterias que han perdido la capacidad de sintetizar la pared celular

• Protoplastos. Bacterias sin pared que pueden recuperar la capacidad de sintetizar la pared.

• Formas L. Bacterias que de manera transitoria dejan de sintetizar la pared celular

• Micoplasmas. Bacterias que carecen de pared celular, pero que viven y se multiplican en condiciones normales sin necesidad de ella.

En ocasiones, sobre todo dependiendo de las condiciones de cultivo (edad del cultivo, tipo de medio sólido, o líquido, presencia de antimicrobianos, ….), una misma especie puede presentar morfología variable. A este fenómeno se le denomina pleomorfismo.

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3.- Agrupación microscópica Las bacterias pueden agruparse microscópicamente en

• Conjunto de dos, denominados diplos • Conjunto de varios formando cadenas, denominados estreptos • Conjunto de varios formando masas, denominados estafilos • Agrupaciones especiales, como son las de empalizada, letras

chinas, ….

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4.- Agrupación macroscópica Al sembrar las bacterias sobre medios sólidos, al cabo de un tiempo se puede observar masas de crecimiento, procedente de una unidad formadora de colonias (U.F.C.) o bacteria, denominadas colonias. El estudio de dichas colonias nos permite acercarnos a la identificación de las bacterias. Deberemos estudiar en ellas:

• Tamaño • Textura • Bordes • Aspecto • Color • ….

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5.- Elementos de la célula bacteriana 5.1.- Pared celular

La pared bacteriana además de dar la forma a la bacteria, la protege, por su rigidez, de los cambios osmóticos. Es permeable y permite el paso de sustancias de bajo peso molecular. Químicamente, la parte rígida de la pared bacteriana es un compuesto llamado peptidoglicano, polímero en forma de red formada por largas cadenas lineales de moléculas (N-acetilglucosamina, ácido N-acetilmurámico) unidas por enlaces cruzados (pentapéptidos originados en las móléculas de N-acetilmurámico) entre ellas. Esta especie de red envuelve toda la célula bacteriana y le da su forma. En las bacterias gramnegativas, la pared está formada por dos capas y la capa externa contiene unas moléculas llamadas lipopolisacáridos. Estos lipopolisacáridos son sustancias extraordinariamente tóxicas denominadas endotoxinas (L.P.S.). En las bacterias grampositivas, la capa de peptidoglicano es mucho más gruesa y la pared solo contiene una capa. Presenta dentro de sus componentes, moléculas únicas en la naturaleza, como son los ácidos teicoicos. El peptidoglicano no existe en las células eucarióticas y su destrucción por medio de antimicrobianos es un excelente método de lucha contra las infecciones bacterianas. Estructura básica pero no fundamental.

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5.2.- Membrana celular Se trata de una fina estructura compuesta de lípidos y proteínas, formando una estructura trilaminar. Permite el paso de solutos del exterior al interior y viceversa. Puede presentar invaginaciones dentro del citoplasma denominadas mesosomas que permiten aumentar la superficie de la membrana y participa en la división celular (ver multiplicación bacteriana).

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Estructura básica y fundamental.

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5.3.- Pilis o fimbrias Son filamentos cortos, rígidos y muy finos de carácter proteico (no visibles al microscopio óptico). Se originan a partir de la membrana citoplasmática. Son responsables de la capacidad adherente de algunas bacterias a los tejidos (pilis adherentes). Algunos de ellos están relacionados con el intercambio de material genético entre bacterias (pilis sexuales) (ver genética bacteriana). Estructura no básica ni fundamental. 5.4.- Cápsula Capa de material amorfo usualmente de naturaleza polisacárida que rodea la pared en muchas bacterias. Su presencia es factor importante de virulencia, pues dificulta la fagocitosis. Estructura no básica ni fundamental.

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5.5.- Órganos de locomoción Son filamentos largos, que se originan en el citoplasma, de carácter proteico. A través de ellos podemos clasificar a las bacterias en:

• Atricas, que carecen de flagelos (normalmente inmóviles) • Monotricas, que presentan un solo flagelo en uno de sus

extremos • Lofotricas, que presentan un penacho de flagelos en uno de sus

extremos • Anfitricas, que presentan un flagelo o un penacho de flagelos

en cada uno de sus extremos • Peritricas, con flagelos a lo largo de toda sus superficie

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5.6.- Citoplasma Es mucho más simple que el de las células eucarióticas, conteniendo fundamentalmente

• Vacuolas y elementos nutritivos • Cromosoma desnudo • Ribosomas 70S

Es una estructura básica y fundamental. 5.7.- Núcleo bacteriano

Constituido por una doble cadena de ADN de carácter circular (ver genética bacteriana). Es una estructura básica y fundamental. 6.- Células procarióticas y células eucarióticas Tabla 1.- Diferencias entre células procarióticas y eucarióticas

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PROCARIOTICAS EUCARIOTICAS Grupos Bacterias

Algas verde-azuladas Algas y Hongos

Protozoos Plantas

Animales Pared celular Peptidoglicano Normalmente ausente Citoplasma Simple Complejo Movilidad Flagelos (simples) Flagelos (complejos)

Seudópodos Otros órganos de

locomoción Generación de energía Asociada a la membrana

citoplasmática Mitocondrias

Reproducción sexual Ausente Presente Membrana nuclear No Si Número de cromosomas Uno Múltiples Tipo de cromosomas Circular Lineal División por mitosis NO SI Mitocondrias NO SI Ribosomas 70S 80S

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7.- Esporas Son formas de resistencia producidas por bacterias de los géneros Bacillus y Clostridium por ejemplo, que les permiten sobrevivir en condiciones adversas. Las esporas son unas estructuras densas en las que se transforman las bacterias para resistir el calor o la desecación. Son muy resistentes a la acción de los desinfectantes, al calor y frío. Cuando las condiciones vuelven a ser favorables, las esporas germinan y dan de nuevo lugar a bacterias en forma vegetativa. El tamaño, la forma y la localización son útiles para la caracterización de los microorganismos esporulados. Pueden dividirse en razón de:

o Su forma en esféricas, ovales o Su localización en centrales, terminales o subterminales o Deformar la célula en deformantes y no deformantes

Son numerosos los estímulos que producen la inducción de la esporulación. Entre ellos podemos citar:

o Agotamientos de nutrientes como glucosa, nitrógeno, fosfatos,...

o Exposición a temperaturas no óptimas o Potenciales redox subóptimos

El proceso simplificado se produce según las siguientes etapas: o Aparición de un septo que rodea al material nuclear o Formación de una capa cortical (peptidoglicano) o Acumulación de iones en dicha cortical (debido a la

presencia del ácido dipicolínico) o Aparición de varias capas más o Liberación de la espora

Cuando las espora se coloca en condiciones ambientales favorables, se produce la germinación. Bajo este estímulo, las enzimas son activadas, degradan la corteza de la espora y liberan el material peptidoglicano, los iones calcio y el ácido dipicolínico. Comienza la síntesis de ARN, seguido por la síntesis de proteínas y, finalmente, la síntesis de ADN, obteniéndose una nueva célula vegetativa.

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8.- Multiplicación bacteriana Las bacterias se multiplican por fisión binaria. En una primera fase la bacteria se alarga aumentando la síntesis de pared y membrana celular. A la vez se separan las dos cadenas de ácido nucleico, quedando cada una anclada a un mesosoma. Una vez realizada la separación cada una de ellas da lugar a otra complementaria, mientras que se comienza a estrechar la zona de crecimiento de la pared y membrana, dando lugar más tarde a la separación de las dos células hijas.

9.- Curva de crecimiento microbiano Cuando una población bacteriana es transferida a un nuevo medio de cultivo líquido, comienza a multiplicarse de acuerdo con la dinámica que a continuación se cita. Pueden distinguirse 4 fases principales en el crecimiento de una población bacteriana:

• Fase lag (1), período de adaptación antes de comenzar a multiplicarse

• Fase exponencial (2), en la que la multiplicación bacteriana se acelera enormemente y en cada generación se produce un número de bacterias proporcional a las existentes

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• Fase estacionaria (3), se alcanza cuando se consumen los elementos nutritivos y el número de bacterias se mantienen estable (equiparación entre la lisis y la multiplicación de la población)

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• Fase de declive (4), en la que el número de bacterias viables empieza a decrecer (se producen más muertes que divisiones)

ufc/ml

10.- Taxonomía bacteriana Es la ciencia que identifica y nombra a los seres vivos y los ordena en categorías llamadas taxones. Tiene tres componentes:

• Clasificación, o división de los microorganismos por grupos ordenados

• Nomenclatura, es la asignación de nombres a estos grupos y la asignación de un nombre a cada uno de los miembros individuales del grupo

• Identificación o investigación, que es le proceso que permite decidir a que taxón determinado pertenece a un ser vivo.

Para nombrar científicamente las bacterias se utiliza el sistema binomial de nomenclatura o nomenclatura linneana (propuesta por Carl von Linne en 1750), utilizando como nombre de cada especie dos términos:

• El primero de ellos corresponde al nombre del género (conjunto de especies muy parecidas). La primera letra se escribe con mayúscula

• El segundo es el epíteto de especie y siempre se escribe con minúscula

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Un conjunto de especies constituyen un género. Un conjunto de géneros relacionados constituyen la familia y un conjunto de familias relacionadas constituyen un orden. Los nombre científicos de especies, géneros, familias, etc…, se escriben en cursiva o subrayados. La primera vez que se cita una especie bacteriana debe escribirse su nombre completo (p.e. Escherichia coli). Las veces sucesivas que aparezcan el nombre de la especie, el apelativo de género puede escribirse abreviado (p.e. E. coli). Las bacterias más comunes tienen, además, uno o varios nombres coloquiales, relacionadas con alguna característica llamativa o con su descubridor (Escherichia coli se denomina también coli o colibacilo, Mycobacterium tuberculosis también se le conoce como bacilo de Koch). Dentro de las especies podemos encontrar:

• Subconjuntos de microorganismos que llamamos subespecies • Cepas, o microorganismos de una especie, que presentan una

diferencia con respecto a la especie convencional • Biovariaciones, o grupos con caracteres bioquímicos comunes • Serovariaciones o grupos con antígenos comunes

Estas subdivisiones dentro de las especies permite identificar (tipificación) y trazar el recorrido (entre diversos hospedadores), así como la capacidad de diseminación de determinadas cepas bacterianas, lo que es de gran interés en Epidemiología para descubrir, por ejemplo, el origen y evolución de brotes y epidemias.

11.- Cromosoma bacteriano 11.1.-Material genético en las bacterias. Ácidos Nucléicos Los cromosomas son las estructuras físicas de las células donde se sitúa y almacena la información que es transmitida por herencia entre las sucesivas generaciones de seres vivos. Cada bacteria presenta un solo cromosoma, constituido por una doble cadena de ADN (Ácido desoxrribonucleico) en forma de círculo cerrado. Los ácidos nucléicos son grandes moléculas que se encuentran en todas las células y que deben su nombre a su abundancia en los núcleos de las células eucariotas.

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Los ácidos nucléicos están compuestos por unas unidades denominadas nucleótidos. Cada nucleótido es formado por:

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• Un azucar de tipo pentosa o Desoxirribosa en el ADN o Ribosa en el ARN

• Una base nitrogenada o Bases púricas

Adenina (A) Guanina (G)

o Bases pirimidínicas Citosina (C) Timina (T) Uracilo (U), que sustituye a la citosina

en el ARN • Un grupo fosfato

La base se une al carbono 1´ de la pentosa mientras que y el fosfato al carbono 5´.

Los nucleótidos se unen en grandes moléculas, denominadas polinucleótidos. 11.2.- Tipos de ADN 11.2.1.- ADN cromosómico

El cromosoma de las células bacterianas consiste en una sola molécula de ADN, covalentemente cerrada y dispuesta de modo compacto en una zona nuclear, aunque a diferencia de las células eucarióticas, no se encuentra rodeado por una membrana nuclear. La morfología del cromosoma depende de la base de desarrollo del microorganismo, aunque generalmente adopta una disposición redondeada y está unido a la membrana citoplasmática directamente o por medio de los mesosomas. El ADN se encuentra dividido en unidades funcionales u genes. Estos genes pueden ser de dos tipos:

• Aquellos cuya secuencia de bases codifica cadenas polipeptídicas o moléculas de ADN (genes estructurales).

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• Los que únicamente tienen una función reguladora en la expresión de los anteriores (genes reguladores). Es decir los genes reguladores actúan activando o deteniendo la actividad de los

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genes estructurales de acuerdo con las necesidades de la célula.

11.2.2.- ADN extracromosómico

Los plásmidos son moléculas circulares de ADN, de carácter

extracromosómico, que llevan genes no esenciales para la bacteria y que se replican independientemente del cromosoma bacteriano. Su tamaño es mucho menor que el del cromosoma y en una misma célula bacteriana pueden coexistir varios plásmidos. La información que reside en los plásmidos no es vital para la célula bacteriana, aunque su presencia puede suponer ventajas en condiciones adversas. Los plásmidos pueden transferirse entre bacterias (ver intercambio genético) o recombinarse (integrarse) en el ADN cromosómico o en otros plásmidos. La cadena de ADN del plásmido se abre y se suelda a la cadena de ADN del cromosoma o de otro plásmido, que evidentemente se hace más grande al integrarse el plásmido.

Análogamente, los plásmidos integrados en el cromosoma pueden separarse de éste y convertirse de nuevo en plásmidos libres. Cuando un plásmido integrado en el cromosoma de una bacteria lo abandona para convertirse de nuevo en un plásmido libre, puede arrastrar pegado a él otros genes contiguos del cromosoma o dejar alguno de sus genes en el cromosoma. De este modo puede producirse un intercambio de genes dentro de una misma bacteria entre el cromosoma y los plásmidos.

La clasificación comúnmente seguida de los plásmidos está en función de los caracteres fenotípicos que originan:

• Determinantes de patogenicidad, que codifican toxinas o factores de virulencia. Como ejemplos tenemos el plásmido inv que confiere invasividad en mucosa intestinal por microorganismos enteroinvasivos. Otro ejemplo sería el plásmido ent que codifica enterotoxinas.

• Plásmidos sexuales, que codifican pilis sexuales, permitiendo la transferencia de material genético.

• Plásmidos R (determinantes de resistencia), que codifican enzimas responsables de resistencia de bacterias gramnegativas a antimicrobianos. Como ejemplo tenemos las betalactamasas que inactivan a los betalactámicos (penicilinas y derivados).

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• Plásmidos crípticos, de los que se desconoce su función.

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11.3.- Tipos ARN Encontramos 3 tipos de ARN monocatenario en las bacterias y en

las células eucarióticas. Estos 3 tipos son: • ARN mensajero (ARNm) actúa como portador de la

información contenida en el ARN • ARN de transferencia (ARNt), transporta los

aminoácidos y traduce el mensaje del ARN • ARN ribosómico (ARNr). Es constitutivo del ribosoma

11.4.- Variaciones genéticas bacterianas

11.4.1.- Variaciones fenotípicas Solo afectan a sus caracteres fenotípicos (no heredables), generalmente como consecuencia de la influencia del medio ambiente externo (expresión o represión de operones). Como ejemplo podemos poner el aumento de producción del enzima penicilinasa por algunos estafilococos en respuesta a la presencia de penicilina en el medio. 11.4.2.- Variaciones genotípicas 11.4.2.1.- Concepto

Son las que afectan al genoma y son por tanto heredables. Pueden ser a su vez sin transferencia de material genético (mutación) o con intercambio de material genético (transferencia). 11.4.2.2.- Mutación bacteriana

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Son cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN de la bacteria, no relacionados con la transferencia de material genético. La mutación produce un cambio en el patrón del ADN (secuencia de bases), lo que lleva a que se sintetice un ARN anómalo. Este ARN alterado produce la síntesis de proteínas alteradas. Estas proteínas alteradas pueden originar un cambio observable (bacteria de fase L a fase R), mientras que otras veces son proteínas no funcionales y en este caso no se observan alteraciones aparentes.

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Si la proteína afectada es vital para la bacteria, la mutación lleva a la muerte de esta última. Las mutaciones pueden producirse espontáneamente (baja frecuencia) o pueden inducirse por agentes mutágenos (bromouracilo, hidroxilamina, mitomicina C, radiación UV, etc…). Es importante señalar que la gran mayoría de los agentes mutágenos para las bacterias, lo son también para las células eucarióticas, por lo que son potencialmente cancerígenas o teratógenas. La mutación puede afectar a un solo par de bases complementarias (mutaciones puntuales) o a fragmentos de ADN. Las mutaciones puntuales pueden originarse por sustitución (cambio de una base por otra) o por adición o pérdida de un nucleótido.

Otro mecanismo de mutación es la traslocación (escisión e integración) de trasposones o secuencias de inserción. Las secuencias de inserción son secuencias cortas y repetitivas presentes en el cromosoma bacteriano o en los plásmidos. Los trasposones son fragmentos de ADN limitados por dos secuencias de inserción con una elevada movilidad dentro de la misma molécula de ADN (plásmido o cromosoma) o entre moléculas distintas. El desplazamiento de trasposones es uno de los principales mecanismos de los que dispone un microorganismo para la adquisición de nuevas actividades metabólicas o resistencias a antimicrobianos.

11.4.2.3.- Intercambios genéticos 11.4.2.3.1.- Transformación Consiste en la incorporación de material genético (ADN) libre por parte de una bacteria, el cuál está presente en el medio procedente de la lisis de otras bacterias.

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Una vez dentro de la bacteria receptora, el ADN ha de integrarse en el cromosoma receptor, replicándose y expresándose como este. Este fenómeno se conoce a través del experimento de Griffitt.

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A- Al inocular una cepa de neumococo capsulado a un lote de ratones, al cabo de 24 horas estos mueren. Al realizarles la autopsia, se observa lesiones en los tejidos y al sembrar dichos tejidos se obtiene un cultivo de neumococo capsulado.

B- Al inocular una cepa de neumococo no capsulado a un lote de ratones, al cabo de 24 horas estos sobreviven. Al sacrificarlos y hacerles la autopsia, no se observan lesiones y los cultivos de los tejidos resultan negativos.

C- Al inocular una cepa de neumococo no capsulado muerto a un lote de ratones, al cabo de 24 horas estos sobreviven. Al sacrificarlos y hacerles la autopsia, no se observan lesiones y los cultivos de los tejidos resultan negativos.

D- Al inocular una mezcla de cepas de neumococo vivos no capsulados y neumococos muertos capsulados a un lote de ratones, al cabo de 24 horas estos mueren Al realizarles la autopsia, se observan lesiones en los tejidos y al sembrar dichos tejidos se obtiene un cultivo de neumococo capsulado.

11.4.2.3.2.- Transducción Consiste en la transferencia de ADN cromosómico o plasmídico de una bacteria a otra a través de un bacteriófago. En algunos casos el material genético incorporado es el propio virus infectante, que queda en estado de latencia, marcando una característica a la bacteria a partir de ese momento. A este fenómeno se le conoce como conversión lisogénica y es un fenómeno inestable ya que en cualquier momento el virus puede activarse y producir la lisis de la bacteria.

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11.4.2.3.3.- Conjugación Es el intercambio de material genético entre dos bacterias (donante y receptora) mediante contacto físico entre ambas. La unión entre donante y receptor se efectúa mediante los pilis conjugativos o pilis sexuales (estructuras microtubulares de origen proteico) que posee el donante. Los pilis conjugativos son estructuras en forma de tubo hueco que unen al donante con el receptor y a través de las cuales pasa el material genético (plásmidos). La bacteria que contienen el plásmido (plásmido F) capaz de producir esos pilis se denomina F+, mientras que la receptora no contiene dicho plásmido y se denomina F-. Durante la conjugación, el plásmido F se replica en la bacteria donante y una copia pasas a la bacteria F-, que al terminar el proceso habrá pasado a ser F+. Muchos plásmidos aprovechan que la bacteria tiene ese plásmido F para, una vez replicados se incorporan a la célula receptora. Pueden ser capaces de transmitir resistencias múltiples a antimicrobianos, actividades metabólicas,….

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En algunas ocasiones el plásmido F, se encuentra integrado al cromosoma bacteriano. A estas células se las reconoce como Hfr y su posible transferencia a la célula receptora, suele llevar consigo la transferencia de parte del cromosoma de la célula donadora.

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