temas de bacteriologia y virologia medica

Sumario Temas de Bacteriologa y Virologa Mdica

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Universidad de la Repblica | Facultad de Medicina

Departamento de Bacteriologa y Virologa

Instituto de Higiene

2006

Seccin I. Aspectos generalesBiologa viral Morfologa y estructura bacteriana Fisiologa y metabolismo bacteriano Gentica bacteriana Mtodos de estudio de bacterias y virus. Mtodos diagnsticos Inmunidad contra los agentes infecciosos Interacciones husped-parsito. Flora normal

Seccin II. Principales procesos infecciososInfecciones de piel y tejidos blandos Infecciones respiratorias Gastroenteritis Infeccin urinaria Bacteriemias, sepsis y endocarditis Infecciones del sistema nervioso central Infecciones de transmisin sexual Infecciones hospitalarias

Seccin III. Etiopatogenia microbiolgicaGnero Staphylococcus Gneros Streptococcus y Enterococcus Principales grupos de bacilos y cocos gramnegativos exigentes Principales grupos de bacilos gramnegativos no exigentes Principales grupos de bacilos grampositivos aerobios Bacterias anaerobiasMycobacterias Chlamydia, Mycoplasma y Rickettsia Leptospira Virus respiratorios Retrovirus y VIH Virus de las hepatitis Enterovirus Agentes virales de gastroenteritis. Rotavirus Herpesvirus Agentes de infecciones emergentes, Hantavirus, dengue, BSE

Seccin IV. Control de poblaciones microbianasInmunoprolaxis Vacunas Esterilizacin, desinfeccin y antisepsia Principales grupos de antibiticos Principales mecanismos de resistencia antibitica Mtodos de estudio de la sensibilidad antibitica Antivirales Universidad de la Repblica

Facultad de Medicina

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N 9

974-

31-1

94-2

2da edicin corregida

TEMAS DE BACTERIOLOGA Y VIROLOGA MDICA 9

Aspectos generalesSECCIN I

1. Biologa viral

2. Morfologa y estructura bacteriana

3. Fisiologa y metabolismo bacteriano

4. Gentica bacteriana

5. Mtodos de estudio de bacterias y virus. Mtodos diagnsticos

6. Mecanismos defensivos del husped contra los agentes infecciosos

7. Interacciones husped parsito. Flora normal

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TEMAS DE BACTERIOLOGA Y VIROLOGA MDICA10


Biologa viralJuan R. Arbiza

IntroduccinHasta fines del siglo XIX se haba avanzado en la etiologa de muchas enfermedades infecciosas, sin embargo, quedaban muchas enfermedades en el hombre, animales y plantas en las cuales no se identificaba un microorganismo causal. En el siglo XX se descubrieron los virus como causantes de enfermedades infecciosas para las cuales no se haba encontrado una bacteria, un hongo o un protozoario como responsable. Fue el desarrollo de nuevas tcnicas como los cul-tivos celulares, el avance en la microscopa y el advenimiento, a fines del siglo XX, de tcnicas de biologa molecular que han permitido aislar e identificar los virus; adems han permitido un avance extraordinario en el conocimiento molecular de la biologa de los mismos.

Sin embargo, los virlogos tienen un doble desafo para el futuro: controlar los virus que ya se conocen, para los cuales no existen frmacos o vacunas efectivas hasta el momento y; aislar, identificar, caracterizar y controlar los virus emergentes o reemergentes (virus de la inmunodeficiencia humana, Ebola, Hantavirus, etc.).

Caractersticas generales

Las primeras caractersticas que diferenciaron a los virus de otros microorganismos fueron: el tamao, estimado por su capacidad de atravesar filtros que retienen a las bacterias y la incapacidad para reproducirse en medios biolgicos inertes como medios de cultivo para bacterias, requiriendo para su propagacin de animales o cultivos celulares. Hoy se sabe que estas caractersticas no alcanzan para diferenciar a los virus de otros agentes biolgicos, dado que existen bacterias cuyo tamao puede ser similar al de los virus ms grandes y algunas bacterias como Chlamydias y Rickettsias, son parsitos intracelulares obligatorios.

La organizacin y composicin de las partculas virales ofrecen caractersticas que los diferencia de otros microorganismos. Los virus poseen un solo tipo de cido nucleico de pequeo tamao con respecto a otros agentes biolgicos, rodeado por una cscara o cpside formada por numerosas copias de una protena o de un nmero limitado de ellas. Algunos grupos de virus presentan por fuera de la cpside una envoltura lipdica de origen celular en la que se insertan glicoprotenas. No presentan sistemas enzimticos propios, por lo tanto no son capaces de replicarse por s solos y requieren de clulas animales, vegetales o bacterias para cumplir su ciclo de reproduccin; esto define su parasitismo celular obligatorio.

Este tipo de reproduccin particular que tienen los virus, es la caracterstica que justifica su lugar en la escala biolgica. A diferencia de las clulas, en el momento de su multiplicacin,

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los virus no aumentan de tamao para su posterior divisin, por el contrario, ls partcula viral se desintegra y luego se sintetizan cada uno de sus componentes que se renen por ensamblaje. Esta forma de multiplicacin en la cual se producen rplicas del virus progenitor, es conocida con el nombre de replicacin viral y se diferencia del proceso de divisin celular usado por clulas procariotas y eucariotas.

Se pueden citar dos definiciones de virus. La primera propuesta por Lwoff (1957): en-tidad estrictamente celular y potencialmente patognica con una fase infecciosa. Posee un solo tipo de cido nucleico, es incapaz de crecer y reproducirse por fisin binaria y carecen de enzimas para producir energa. La segunda, pertenece a Luria y Darnell (1967): los virus son entidades cuyo genoma se replica dentro de clulas vivas usando su maquinaria de sntesis. Esto determina la formacin de elementos especializados que permiten la transferencia del genoma viral a otras clulas.

VIROIDESSon virus simples constituidos por cido ribonucleico (ARN) circular de muy bajo peso molecular, sin cpside protectora. Producen enfermedades hasta el momento conocidos exclusivamente en plantas.

PROVIRUSEl genoma viral se puede integrar al genoma celular por un proceso de recombinacin gentica, directamente en los virus cido desoxirribonucleico (ADN) o previa transcripcin inversa en los virus ARN. El genoma viral integrado al celular recibe el nombre de provirus.

PRIONESCiertos agentes causantes de afecciones degenerativas del sistema nervioso central del hombre, han sido clasificados como virus no convencionales, dado que no ha sido posible determinar una estructura similar a virus en el material infectante, ni el tipo de cido nucleico de dichos agentes. Son extremadamente resistentes a sustancias que inactivan los virus comunes. Al-gunos han propuesto que corresponderan a viroides patgenos del hombre.

Los priones han sido descritos en los ltimos aos como causantes de muchas enfermedades del sistema nervioso comentadas anteriormente, principalmente el scrapie en el ganado ovino y la encefalopata espongiforme bovina (BSE) o comnmente conocida como sndrome de la vaca loca. En el hombre seran los agentes relacionados con la enfermedad de Creutzfeld-Jacob y Kuru. Son estructuralmente ms simples que los virus y estn formados solo por protenas. Cuando se descubrieron, pareca que se poda producir una gran revolucin en el conocimiento de la biologa, porque la idea de que una protena pudiera autorreplicarse sera opuesta al dogma central de que la informacin gentica es transmitida desde el cido nucleico a la protena. El hallazgo de los priones y el avance en el conocimiento de su biologa podrn dilucidar muchas enfermedades an sin resolver. Muchas son las investigaciones que se realizan en estos momentos y las hiptesis propuestas para explicar la biologa y permanencia de estas protenas extremadamente resistentes a sustancias que inactivan a los virus comunes.

Morfologa y estructura de los virus

TAMAO Y FORMA

Existe gran variedad de tamao y forma de los virus hasta hoy estudiados. Se puede obser-


var un tamao entre 28 nm en los virus ms pequeos denominados picornavirus (pico de pequeo) hasta 300 nm en los virus ms grandes que se conocen como son los poxvirus (ver figura 1).

La forma tambin es muy variada, pudindose observar formas icosahdricas o helicoidales en virus que no tiene envoltura por fuera de la cpside, hasta formas esfricas, filamentosa o pleomrficas en los virus con envoltura o muy complejos como el virus de la rabia (ver figuras 2 y 6).

ESTRUCTURAComo ya se mencion la estructura de un virus est basada en su simplicidad, a pesar de esto existe cierta diversidad que es usada para la clasificacin de estos microorganismos.

Virus desnudos La estructura de los virus ms simples est compuesta por un solo tipo de cido nucleico (ADN o ARN) rodeado de una cscara proteica que se denomina cpside (del griego capsa que significa caja). De la reunin de las subunidades proteicas codificadas por el genoma viral, que se ensamblan segn principios geomtricos, se forman diferentes tipos de simetras (icosahdrica o helicoidal). (Ver figura 2 y 3b) Esta estructura bsica de cido nucleico y cpside recibe el nombre de nucleocpside y constituye en los virus desnudos la partcula viral completa o virus. Esta se diferencia del trmino virin que es usado para las partculas virales o virus potencialmente infecciosas.

Cuando se observa al microscopio electrnico una cpside viral, pueden observarse es-

1000 nm

E. coli Poxvirus

Rhabdovirus

Herpesvirus

Adenovirus

Parvovirus

Fig. 1

Figura 1.


tructuras morfolgicas denominadas capsmeros que resultan de la unin por enlaces de las subunidades proteicas. La forma de distribucin de los capsmeros as como el nmero de ellos depende de cada tipo de virus.

Virus envueltosLa estructura de las partculas virales de los virus denominados envueltos, est formada adems de la nucleocpside por una envoltura de origen celular que la rodea (ver figuras 2 y 3a). Dicha envoltura se obtiene en el proceso de liberacin por gemacin (brotamiento) como se esquematiza en la figura 4. En sta se insertan glicoprotenas de origen viral que reciben el nombre de espculas o glicoprotenas de superficie y que tienen un papel importante de reconocimiento de receptores especficos de la superficie celular, en el paso inicial de relacin con la clula husped para la multiplicacin viral.

cidos nucleicosEl cido nucleico que lleva la informacin gentica y que constituye el genoma viral puede tener varias formas. Como ya se mencion, una partcula viral tiene en su estructura un solo tipo de cido nucleico (ADN o ARN), pero la forma de estos puede ser de doble o simple

protmeros capsmeros (protena)

(protena)

cido nucleico

espculas (glicoprotenas) envoltorio (protenas y lpidos)

A- Icosahedro desnudo

B. Helicoidal desnudo

C. Icosahedro envuelto

nucleocpside

nucleocpside

D. Helicoidal envuelto

Figura 2.


cadena, segmentado o no, circular o lineal, determinando una gran diversidad de utilidad en la taxonoma viral (ver figura 5).

En la figura 6 se representa un cuadro con los principales virus animales, con sus diferentes estructuras (con envoltura o sin ella, con simetra helicoidal o icosahdrica) y la composicin del cido nucleico. Estas dos caractersticas se combinan de diferentes maneras para deter-minar varios grupos de virus.

Multiplicacin viral

Una partcula viral puede encontrarse en dos estados: activa o inactiva. Para demostrar el estado inactivo basta incluir una suspensin de virus en un medio de cultivo y observar que son incapaces de cumplir actividades metablicas necesarias para su multiplicacin. Se deduce de ello, que los virus carecen como ya se mencion anteriormente de maquinaria enzimtica que les permita autorreplicarse, an cuando se les brinde nutrientes que seran adecuados para la propagacin de las bacterias ms exigentes.

Pero si una partcula viral es incorporada a clulas vivas sensibles, se comporta en forma activa y por lo tanto tomar el comando de la maquinaria enzimtica de la clula husped, logrando as su replicacin.

a)

b)

Figura 3.


La multiplicacin de los virus animales, vegetales y bacterifagos es similar en sus prin-cipios pero, cada una de ellas tiene sus particularidades. Esto se basa principalmente en las diferencias entre las clulas que infectan.

El desarrollo del conocimiento sobre la multiplicacin de los virus animales ha sido posible por el uso (en el laboratorio) de muchos sistemas de aislamiento de virus en los cuales se puede estudiar el proceso de multiplicacin viral. En un principio fueron animales y huevos embrionados los sistemas ms usados, pero actualmente se han sustituido por cultivos celu-lares que ha favorecido el conocimiento de las etapas de la multiplicacin viral. Existe gran variedad de cultivos de clulas, cultivos primarios o lneas celulares que pueden ser subculti-vadas indefinidamente. Dichas lneas se asemejan mucho a las clulas transformadas debido a su gran potencial de crecimiento y a su aneuploida. Habitualmente se las usa para aislar virus, pero no se recomiendan para la produccin de vacunas virales humanas, dado que los virus propagados en esas lneas pueden adquirir caractersticas genticas oncognicas. Los cultivos primarios resultan de la dispersin de clulas diploides de un tejido, por digestin enzimtica de la sustancia intercelular; tambin son poco recomendadas para la produccin de vacunas, ya que pueden tener virus latentes propios de la especie de la que provienen. Los embriones de gallina y sus anexos siguen siendo muy usados porque ofrecen diferentes

Virion

Protena vrica Membrana

Plasmtica

Nucleocpside

Figura 4.

RNA DNA

a)

a)

b)

b)

c) c)

Simple cadena

Doble cadena

Doble cadena fragmentado

Simple cadena

Doble cadena

Circular (simple y doble cadena)

Figura 5.


tipos celulares a los que se puede llegar por diferentes vas (intraamnitica, intraalantoidea, en saco de yema, etc.).

INFECCIN VIRALLa infeccin viral puede ser productiva o, en oposicin abortiva. Esta ltima cumple un ciclo incompleto en el que no se forman partculas virales infecciosas.

Una infeccin productiva culmina con la generacin de una progenie viral infecciosa; este proceso requiere una serie de pasos o etapas que son diferentes en los distintos tipos de virus. Las etapas fundamentales de la infeccin viral son: adsorcin, penetracin, denudacin, eclipse, replicacin, maduracin y liberacin.

AdsorcinIntervienen muchos factores. En principio existe una atraccin por fuerzas inicas. A pH neu-tro, los virus y las clulas tienen cargas negativas, por lo tanto son necesarios iones positivos;

DES

NU

DO

SEN

VU

ELTO

S

ssDNA ssRNA dsDNA dsDNA dsRNA

Parvovirus Picornavirus Papovavirus Adenovirus Reovirus

Togavirus Retrovirus Coronavirus

ARN +

Paramyxovirus Rabdovirus Orthomyxovirus

ARN -

Herpesvirus Poxivirus

dsDNA

Figura 6.


dicho requerimiento lo cumple los iones de magnesio. Otro factor importante en esta etapa es la interaccin de sitios especficos de la partcula viral con receptores celulares especficos. Esto determina la especificidad de algunos virus para crecer en clulas de origen especfico; por ejemplo: el virus de la poliomielitis solo puede crecer en clulas humanas y de primates. Otros virus presentan estructuras en su superficie que les permiten cumplir con esta etapa de forma muy especializada. Estas son glicoprotenas que reconocen receptores celulares especficos. Hoy se pueden aislar esos elementos como complejos virus y clula.

Luego de adsorbidos a una clula, los virus pueden ser recuperados conservando sus caracteres de partcula libre potencialmente infectante. Los poliovirus pueden ser separados de las clulas con soluciones salinas a altas concentraciones o con detergentes; los mixovirus (virus de la gripe) que usan tambin una estructura especializada, se separan de las clulas huspedes por accin de la neuraminidasa.

PenetracinLa penetracin de los virus una vez adsorbidos, puede realizarse de diferentes maneras, por: viropexis, penetracin o fusin (ver figura 7).

ViropexisEs un proceso de fagocitosis, en el que se produce una invaginacin de la membrana plasmtica; as el virus queda englobado en una vescula dentro del citoplasma celular. Es el mecanismo ms comn de penetracin de los virus.

Penetracin En algunos virus, la penetracin acontece por simple cruce de la membrana plasmtica; as la partcula viral queda directamente incluida en el citoplasma.

Cell Cell

a) Fusin b) Viropexis

Figura 7.


FusinOtro tipo de penetracin se da por fusin de la envoltura viral con la membrana plasmtica. Tambin en este caso el virus es directamente incorporado al citoplasma.

Denudacin y eclipseEn esta etapa el virus se desintegra, dejando libre su cido nucleico que comanda su propia replicacin, adems de la sntesis de las protenas necesarias para integrar nuevas partculas. La manera en la que un virus pierde la cpside y su envoltura (si la tiene), es caracterstico de cada grupo viral. En los poliovirus parece existir una integracin con los constituyentes celulares tales como los receptores. En otros virus como los poxvirus y los reovirus el proceso es ms complejo. Los poxvirus pierden parte de su envoltura en las vacuolas fagocticas, mientras que un ARN mensajero (ARNm) es sintetizado por una transcriptasa que termina con la produccin de una enzima nueva que completa la denudacin. Los reovirus penetran en los lisosomas donde las enzimas proteolticas eliminan la cpside y promueven la trans-cripcin del genoma.

Los fenmenos descritos (adsorcin, penetracin y denudacin) finalizan con la desin-tegracin de las partculas virales, pero no siempre el proceso progresa hasta la replicacin viral. Si interrumpimos el ciclo en esta etapa llamada eclipse, el cido nucleico liberado de sus envolturas puede recobrarse por disrupcin de la clula husped, pero habra perdido su capacidad de infectar (algunos autores opinan que an puede recobrarse intacto). Si el pro-ceso normal contina, comienza la replicacin del cido nucleico y la sntesis de las protenas estructurales y no estructurales necesarias para la produccin de virus.

Replicacin del cido nucleicoLa replicacin es un fenmeno muy heterogneo porque existe mucha variedad de cidos nucleicos de origen viral; se recordar que los hay de ADN y de ARN de una o dos hebras, segmentados o no, etc. Siempre el genoma viral es el elemento capaz de gobernar su auto-rreplicacin y de trasmitir la informacin estructural y funcional a la progenie resultante de una infeccin. No obstante la diversidad sealada, en la replicacin intervienen elementos comunes que vale la pena destacar tales como la formacin de un ARNm capaz de traducir en el ribosoma celular las protenas codificadas por el genoma viral. Adems, sea cual sea el cido nucleico, siempre se diferencian dos conjuntos de genes, los precoces y los tardos. Los primeros seran los encargados de codificar protenas necesarias para la copia de la molcula de cido nucleico y, los tardos seran los encargados de codificar las protenas estructurales y las protenas para el ensamblaje.

La replicacin puede producirse en el ncleo o en el citoplasma de la clula, eso depender del tipo de cido nucleico que constituye el genoma viral. Los virus que contienen ARN se replican en el citoplasma, mientras que los que tienen ADN se replican en el ncleo; excepto el virus de la viruela que, aunque son virus ADN, su replicacin se realiza en el citoplasma.

Los virus ADN sintetizan por medio de una polimerasa, ARNm que pasa al citoplasma donde se producir la sntesis proteica; de estas protenas algunas tienen funciones estruc-turales y formarn los capsmeros que al unirse entre s constituirn la cpside. Otras pro-tenas tendrn funciones enzimticas, de polmeros y se introducirn en el cido nucleico promoviendo la replicacin del ADN viral. El tipo de replicacin es semiconservadora y los intermediarios replicativos, sern lineales o cclicos dependiendo si la molcula de ADN es lineal o cclica respectivamente.

Como ejemplo de virus ADN podemos citar al grupo de los herpesvirus, quienes pierden la


cpside en el citoplasma y penetran al ncleo iniciando la replicacin del cido nucleico. Hay sntesis de ARNm inducidos por el virus, enzimas relacionadas a la sntesis y fragmentacin del ADN. Los pasos biosintticos descritos pueden relacionarse con el desarrollo de cuerpos de inclusin nucleares y la formacin de partculas virales.

Los virus ARN tienen un inters especial por la diversidad de formas de replicacin que presentan; esto depende de que el ARN pueda actuar como mensajero, denominado de po-laridad positiva. De lo contrario, al ARN que posea la secuencia de bases complementarias a las del ARNm se le denomina de polaridad negativa.

Cuando consideramos un ARN con polaridad positiva, ste acta como mensajero entrando en el ribosoma celular e iniciando una traduccin de polimerasas, necesarias para iniciar la replicacin del cido nucleico. Luego actuar la parte tarda del ARN traduciendo protenas para la formacin de la cpside y ensamblaje de la partcula viral. Un ejemplo de este tipo de replicacin son los poliovirus, que tienen como genoma un ARN de hebra nica con cido poliadenlico en un extremo. Dicho cido sirve inicialmente como molcula de ARNm para la sntesis de replicasa de ARN, producindose el intermediario replicativo de ARN, til para la sntesis de molculas de ARN virales de los descendientes. La replicacin del ARN viral es independiente de las sntesis de ADN de la clula husped.

Por el contrario, si el ARN es de polaridad negativa, la molcula no tiene funcin mensajera y por lo tanto sintetiza una molcula complementaria a la original con funcin mensajera, que entra al ribosoma. En este grupo de virus aparece un nuevo concepto en la estructura viral porque, para sintetizar una copia se necesita una transcriptasa ARN dependiente que no se encuentra en las clulas. Por consiguiente, en estos virus adems del genoma y las protenas estructurales, son sintetizadas otras protenas que luego sern incorporadas a la partcula viral.

Maduracin y liberacinHay virus cuya nica cubierta es la cpside, virus desnudos, en oposicin a los que poseen envoltura por fuera de la cpside, virus envueltos. Es conveniente considerarlos por separado en esta etapa, que es la finalizacin de la formacin de una progenie viral.

Para los virus desnudos, el fenmeno de maduracin consiste en la unin de los caps-meros para formar la cpside y la posterior unin de esta con el genoma. Parece existir una diferencia en la maduracin de este grupo de virus dependiendo si el cido nucleico del genoma es ADN o ARN. Para los primeros, la sntesis del ADN se realiza con antici pacin a la aparicin de los elementos estructurales, mientras que para los segundos, se ha demos-trado con aminocidos radioactivos que las cadenas polipeptdicas se renen rpidamente en capsmeros y stos en cpside. Adems se destaca que existe concordancia con la sntesis de la molcula de ARN.

La liberacin en este grupo de virus depende mucho del tipo de virus y de las caracte-rsticas de la clula husped. Los poliovirus son liberados rpidamente de las clulas HeLa o HEp-2; dicha liberacin se realiza por rotura de vacuolas superficiales. En los virus ADN que maduran en el ncleo, el tiempo de liberacin es mayor que en el ejemplo anterior, porque la liberacin se produce por autolisis celular.

En los virus con envoltura, la maduracin es ms compleja (ver figura 4). Adems de la unin del cido nucleico con la cpside, el virus debe rodearse de la envoltura. Luego de haberse formado la cspide, la partcula se aproxima a la membrana plasmtica y se produce la evaginacin de la membrana y luego el desprendimiento del brote. El brotamiento puede ser explicado por relacin entre las protenas de la membrana plasmtica y la nucleocpsi-


de. Generalmente, la liberacin de la partcula se produce al finalizar el brotamiento de la membrana celular.

ALTERACIONES CELULARES PRODUCIDAS POR INFECCIN VIRAL Las clulas pueden responder de diferentes formas ante una infeccin viral: sin alteracin aparente; con efecto citoptico, es decir muerte de la clula por lisis celular e hiperplasia, como en los poxvirus o; solo con hiperplasia, como en la transformacin viral en clulas malignas.

Efecto citopticoEl efecto citoptico consiste en alteraciones morfolgicas de las clulas, que resultan en la muerte celular. Este efecto es diferente dependiendo el tipo de virus. En cultivos infectados con adenovirus, las clulas se redondean y se agrupan como un racimo de uvas. En cambio, las clulas infectadas con poliovirus tambin se redondean pero se retraen y se lisan liberan-do muchos virus. El virus sincicial respiratorio, produce fusin de las membranas celulares, originando grandes sincicios.

Cuerpos de inclusinLos cuerpos de inclusin son acmulos intracelualres de material nuevo. Algunos se producen por acumulacin de viriones o de subunidades virales no reunidas. Estos cuerpos de inclusin pueden romper la estructura celular o cambiar la funcin y producir la muerte celular. Otros corpsculos pueden desarrollarse en lugares donde existe sntesis viral, pero no tienen viriones detectables; por ejemplo los corpsculos eosinfilos intranucleares en las clulas infectadas por virus del herpes simple.

Transformacin celularAlgunos virus son productores de tumores o de leucemia. Pueden presentar muchos efectos en las clulas: estimulacin de la sntesis de ADN celular (virus del polioma); alteraciones de la superficie evidenciadas por especificidades antignicas nuevas (distintas de aquellas pertenecientes a las subunidades de los viriones); aberraciones cromosmicas y alteraciones del crecimiento celular. Este cambio de una clula normal a una maligna, ha sido llamado transformacin.

Bibliografa

Davis B, Dulbecco R, Ginsberg H. Microbiologia. San Pablo, Brasil Harper and Row, 3ra ed. 1985.

Fields B, Knipe D. Virology. New York. Raven Press,2nd ed.. 1990.

Joklik WK, Willett HP, Amos DB, Wilgert CM. editores, Zinsser Microbiologa. 20 ed. BsAs. Panamericana;

1994.


Morfologa y estructura bacterianaM. Prez, M. Mota

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Introduccin e importancia del tema

En las ltimas dcadas se han hecho importantes avances en el estudio de la ultraestructura bacteriana, logrndose una identificacin bioqumica de muchas fracciones subcelulares; estos avances han permitido ubicar a las bacterias en el reino Procaryotae.

El conocimiento de las diferentes estructuras y composicin ha permitido comprender como muchas bacterias se relacionan con el hombre, ya sea como integrantes de la flora normal o como agresoras para el mismo.

El descubrimiento de que muchas estructuras bacterianas bien identificadas son inmu-ngenos importantes, permiti el desarrollo de vacunas que han sido verdaderos avances en la medicina de los ltimos aos. Ejemplo de ello son las vacunas contra microorganismos causantes de meningoencefalitis supurada como Haemophilus influenzae tipo b y Neisseria meningitidis (meningococo) A, B y C.

El conocimiento de la composicin bioqumica de las diferentes estructuras bacterianas, junto al conocimiento del metabolismo bacteriano, permite hoy la comprensin del mecanismo de accin de los diferentes antibiticos.

Recientemente, los avances de la gentica bacteriana hicieron posible el desarrollo de tcnicas de biologa molecular con aplicaciones a nivel de la investigacin cientfica y el diagnstico.

La observacin al microscopio ptico con distintas coloraciones y de los cultivos bacte-rianos, tienen un rol importante en la identificacin de las bacterias y su ubicacin taxon-mica.

Definicin y ubicacin taxonmica

Las bacterias son microorganismos unicelulares que se reproducen por fisin binaria. La ma-yora son de vida libre, a excepcin de algunas que son de vida intracelular obligada, como Chlamydias y Rickettsias. Tienen los mecanismos productores de energa y el material gentico necesarios para su desarrollo y crecimiento.

Las bacterias integran el reino procariota (pro de primitivo y cariota de ncleo). Todos los organismos vivos se pueden dividir en dos tipos celulares: eucariotas y procario-

tas. Tienen estructuras en comn como la membrana celular, los ribosomas encargados de la sntesis proteica y el cido desoxirribonucleico (ADN) portador de la informacin gentica.


Los organismos multicelulares, animales y plantas, estn constituidos por clulas eucariotas (eu de verdadero). Los protistas, los hongos y las algas que se organizan de forma unicelular, multicelular o en colonias (como los protistas), tambin poseen clulas eucariotas.

Dentro de este esquema, las bacterias son microorganismos unicelulares procariotas. En este reino, segn criterios evolutivos, diferenciamos el grupo de las eubacterias y el de las arqueobacterias. Este ltimo comprende bacterias sin peptidoglicano como las anaerobias que viven en condiciones cidas calientes, las que viven en condiciones salinas y las que reducen el anhdrido carbnico (CO2) a metano. Por lo tanto stas viven en las profundidades del mar, en las aguas saladas y en las fuentes cidas. Las eubacterias, en cambio, viven en el sue-lo, el agua y los organismos vivos; entre ellas se encuentran las bacterias de inters mdico, las bacterias verdes fotosintetizadoras, las cianobacterias o algas verdeazules y las bacterias prpuras fotosintetizadoras. A continuacin nos referiremos a las eubacterias simplemente como bacterias.

Como caracterstica principal, los procariotas no poseen compartimientos intracelulares delimitados por membranas, por lo que carecen de membrana nuclear, a diferencia de los eucariotas. Tambin es importante destacar que el ADN procariota es circular y cerrado, mientras que el eucariota se organiza en cromosomas individuales y se asocia a protenas de tipo histonas. Las bacterias poseen una pared celular compuesta por peptidoglicano (a ex-cepcin de los Mycoplasmas) mientras que las clulas eucariotas no tienen este tipo de pared (la pared celular de los vegetales es de celulosa). La reproduccin en los eucariotas puede ser tanto sexuada como asexuada, mientras que los procariotas se reproducen por divisin simple (forma asexuada). El tamao de la clula eucariota es mayor que el de la procariota. Los procariotas no poseen citoesqueleto, a diferencia de los eucariotas. Otra diferencia es la presencia de fimbrias o pilis en las bacterias. Los procariotas pueden poseer flagelos, mien-tras que los de los eucariotas si los poseen, stos tienen una estructura ms compleja. Por ltimo mencionar que mientras las clulas eucariotas se reproducen por mitosis, las clulas procariotas lo hacen por fisin binaria. En dicho proceso la clula crece, se forma un tabique y finalmente se desprenden dos clulas nuevas. En este proceso se produce tambin la repli-cacin del ADN, de forma que las clulas hijas contienen cada una un duplicado idntico del genoma de la progenitora.

TAMAOEl tamao de las bacterias oscila entre las 0.5 y 3 m, pudiendo llegar en algunos tipos a 10 m. Las bacterias de inters mdico tienen un tamao entre 0.4 y 2 m. Solo son visibles entonces, al microscopio ptico o microscopio electrnico. Para observarlas con el microscopio ptico se usa el objetivo de inmersin (100X), sumergiendo esta lente en una gota de aceite (aceite de inmersin) en el preparado a observar. A modo comparativo, una clula eucariota mide ms de 5 m (un eritrocito tiene un dimetro de 7m), mientras que un reovirus mide menos de 0.1m. Su tamao pequeo determina una relacin entre la superficie y el volumen elevada, con alta tasa metablica.

MORFOLOGA

Microscpica La forma de las bacterias al microscopio est determinada por la rigidez de su pared celular. Bsicamente, se diferencian segn su forma en cocos (esfricas u ovaladas), bacilos (cilndrica o de bastones; rectos o curvos) y espirilos (espiral); dentro de estas ltimas se encuentran: Treponema, Borrelia y Leptospira (ver figura 1). Las espirilos varan en el nmero de vueltas,


desde pocas (Borrelia) a muchas (Treponema). Las bacterias pueden mantenerse unidas unas con otras despus de la divisin celular, pero conservando siempre la independencia celular. Si el plano de divisin es nico, podemos encontrar diplococos o cocos en cadena (microorganismos del gnero Streptococcus). Si los planos de divisin son muchos, los cocos pueden agruparse en ttradas o en racimos (Staphylococcus). Los bacilos pueden ser muy cortos (cocobacilos) o muy largos. Sus extremos pueden ser redondeados o rectos; pueden estar aislados, en cadenas, en filamentos o formando letras chinas (Corynebacterium). Los bacilos curvos pueden tener forma de coma (Vibrio cholerae).

La morfologa bacteriana debe ser observada con el microscopio ptico o el microscopio electrnico, dado el tamao pequeo de estos microorganismos. El ms usado en el laboratorio es el microscopio ptico de campo claro, pero existen otros como el microscopio ptico de campo oscuro en los que los organismos aparecen brillantes en fondo oscuro. Este micros-copio permite la visualizacin de bacterias difciles de colorear como el Treponema pallidum, agente de la sfilis.

Las bacterias pueden observarse sin tincin (examen en fresco) si se las coloca en glicerol o soluciones no acuosas que aumenten el ndice de refraccin o con tincin usando distintas coloraciones que mejoran su visualizacin ya que son clulas incoloras. Dichas tinciones se basan en la afinidad que presentan los colorantes por las estructuras bacterianas. Los colo-rantes catinicos por ejemplo, son atrados por los componentes de carga negativa como los cidos nucleicos y los polisacridos. Ejemplo de este tipo son: el azul de metileno, el cristal violeta y la safranina.

Figura 2. Morfologa: 1. cocos; 2. diplococo; 3. cocos en cadenas; 4. cocos en racimos; 5. cocos en tetradas; 6. cocobacilos; 7. bacilos; 8. bacilos bordes redondeados; 9. bacilos bordes rectos; 10. bacilos fusiformes; 11, 12. bacilos curvos; 13 al 15. espiroquetas


El examen en fresco no es el ms usado para observar la morfologa bacteriana porque las bacterias tienen citoplasma incoloro y su ndice de refraccin no difiere mucho del vidrio y del agua. Con esta tcnica se puede verificar la existencia de bacterias y evidenciar su capacidad para moverse. El examen en fresco tambin puede ser usado con tcnicas especiales como la tincin con tinta china que nos permite determinar la presencia de cpsula rodeando la bacteria. Tambin puede usarse en el microscopio de campo oscuro por ejemplo para observar Treponemas o Leptospiras con su movimiento caracterstico.

Las coloraciones que se usan para teir los preparados de bacterias, se pueden dividir en: simples, diferenciales y especiales. Las primeras, por ejemplo el azul de metileno, nos permiten observar la existencia de bacterias, su morfologa, su agrupacin, la presencia de esporos y la existencia de otros tipos celulares. Las diferenciales (por ejemplo la coloracin de Gram y la de Ziehl Nielseen) adems de lo anterior, permiten la diferenciacin de las bacterias porque usan diferentes colorantes que se comportan distinto segn el microorganismo en cuestin. Las tinciones especiales se usan para objetivar distintas estructuras como la cpsula, el ncleo, los flagelos, los esporos, etc.

Antes de la coloracin hay que realizar la preparacin y la fijacin del frotis. La prepa-racin del frotis consiste en extender homogneamente la muestra (por ejemplo un cultivo bacteriano) o una suspensin de la misma sobre una lmina. Una vez preparado el frotis debe secarse y fijarse (por ejemplo con calor).

Con la fijacin del frotis se pretende obtener la muerte de los microorganismos, la adhesin a la lmina y la conservacin de su morfologa. Despus de preparar y fijar el frotis, se puede realizar cualquier tipo de coloracin (simple o diferencial).

La coloracin de Gram es la ms usada en bacteriologa; debe su nombre a quin la des-cribi en 1884. Es una coloracin diferencial, dado que las bacterias pueden clasificarse segn su respuesta en grampositivas o gramnegativas. Las primeras se tien de color azul violeta y las segundas adquieren un color rosado o rojo. La diferente reaccin de las bacterias a la coloracin de Gram se relaciona con diferencias fundamentales de la envoltura celular de estas dos clases de clulas.

En el cuadro 1 se muestran los colorantes usados, su tiempo de aplicacin y la diferente coloracin que adoptan las bacterias grampositivas y gramnegativas en cada paso de la co-loracin de Gram.

Cuadro 1. Tincin de Gram

Solucin Tiempo de aplicacin

Bacterias grampositivas

Bacterias gramnegativas

Colorante: cristal violeta 30 s Violeta Violeta

Mordiente: lugol 1min Violeta Violeta

Decolorante: alcohol acetona

10-15 min Violeta Incolora

Colorante de contraste: safranina

1min Violeta Rosada

MacroscpicaLa mayora de las bacterias se multiplican rpidamente y son visibles como colonias cuando se las siembra en medios de cultivo slidos adecuados. Requieren una incubacin de aproximadamente 24 horas en una atmsfera que favorezca su desarrollo, a temperatura ptima. Existen excepciones como M. tuberculosis, que requiere para su desarrollo de dos a ocho semanas de incubacin.


Una colonia est constituida por los descendientes de una o unas pocas clulas. Las caractersticas de la colonia tambin dependen de la movilidad de la bacteria. El tamao puede variar desde 0.5 mm (Haemophilus sp. o N. gonorrhoeae) a ms grandes como las ente-robacterias. La forma de la colonia puede ser circular (Staphylococcus), irregular o filamentosa (Bacillus). Los bordes pueden ser ondulados (caractersticos de los bacilos largos como Bacillus anthracis), en sierra o dentados (Yersinia pestis) o lisos (por ejemplo Proteus vulgaris o Esche-richia coli). La superficie de la colonia tambin es orientadora y puede ser: plana, convexa, mamelonada, umbilicada (S. pneumoniae). En relacin al pigmento que adquieren, ste puede ser: verde (P. aeruginosa), amarillo (S. aureus), grisceo (N. meningitidis). Tambin es diferente el comportamiento frente a la luz: brillante (Streptococcus) u opaca (Staphylococcus). Pueden presentar olores particulares como el frutal de P. aeruginosa o el putrefacto de los anaerobios. Por ltimo hay que destacar la consistencia: mucoide (M), liso (S) o rugoso (R). Las colonias M tienen aspecto acuoso, brillante, propio de las bacterias capsuladas o que forman cubiertas polisacridas como Klebsiella pneumoniae, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae. Los polmeros capsulares pueden ser especficos de grupo y son generalmente antignicos. Entre las bacterias patgenas, las formas capsuladas suelen ser ms virulentas. Por otra parte, las colonias S son de aspecto homogneo, de textura uniforme y son caractersticas de microorganismos de tipo salvaje recientemente aislados de su hbitat natural como las enterobacterias. Las colonias R son de aspecto granulado, en general son cepas mutantes que carecen de protenas o polisacridos de superficie. Las formas R de enterobacterias, por ejemplo, generalmente no son virulentas, en oposicin a la mayor resistencia de las bacterias procedentes de colonias S de tipo salvaje. Un cuarto tipo de colonia es la L y se asocia a la ausencia de la pared celular como resultado de la exposicin a antibiticos; en general estas formas vuelven a sintetizar la pared celular una vez que el frmaco se extrae del medio.

Estructura bacteriana

Las diferentes estructuras bacterianas que observamos (ver figura 2) las podemos dividir, segn sean constantes en las clulas o no, en estructuras permanentes o variables. Dentro de las primeras se destaca: la pared celular, la membrana celular, los ribosomas y el material gentico. Las estructuras variables son: los flagelos, las fimbrias o pilis, la cpsula y los esporos.

Figura 2. Diagrama de la pared bacteriana. Grampositiva a la derecha y gramnegativa a la izquierda


Estructuras variables, son aquellos que existen en algunas bacterias pero no en todas; un mismo grupo bacteriano o una misma cepa bacteriana las puede presentar o no, dependiendo de las condiciones en donde se desarrolle. Las estructuras variables no resultan esenciales para la vida de la bacteria.

Adems podemos clasificar las estructuras bacterianas en internas o citoplsmicas y ex-ternas o de la envoltura celular. Dentro de las internas destacamos el material gentico, los ribosomas y los cuerpos de inclusin. La envoltura celular engloba la membrana plasmtica, la pared celular que la recubre, la cpsula y los apndices como fimbrias o pilis y flagelos. Contiene los sitios de transporte para nutrientes, interviene en la relacin husped parsito, es blanco de las reacciones del sistema inmune y puede contener estructuras txicas para el husped.

ESTRUCTURAS INTERNAS O CITOPLASMTICASEstn inmersas en el citoplasma, solucin acuosa y viscosa que contiene solutos orgnicos e inorgnicos y elementos especializados como los ribosomas y los cuerpos de inclusin.

Material genticocido desoxirribonucleico cromosmicoEl ADN tanto procariota como eucariota se compone de dos cadenas helicoidales de nu-cletidos de purina y de pirimidina, unidos entre s por enlaces de hidrgeno, formando una doble hlice segn el modelo de Watson y Crick.

Las bacterias no poseen membrana nuclear, nuclolo ni aparato mittico y nunca confi-guran una masa cromosmica definida. Esto las diferencia de las clulas eucariotas. Aunque no existe un ncleo delimitado, hay una zona nuclear o nucleoide.

Su material gentico est constituido por una molcula de ADN circular enrollado sobre s mismo, asociado a protenas bsicas que no constituyen verdaderas histonas.

PlsmidosConstituyen el material gentico extracromosmico. Estn constituidos por secuencias cortas de ADN circular bicatenario, que pueden existir y replicarse independientemente del ADN cromosmico y son heredados por las clulas hijas. Aunque no son esenciales para la vida de la bacteria, generalmente proveen a sta una ventaja selectiva, por ejemplo: resistencia a los antibiticos, nuevas capacidades metablicas, patognicas (cuando codifican para factores de virulencia como toxinas, etc.) u otras numerosas propiedades. Pueden transferirse de bacteria a bacteria mediante un proceso denominado conjugacin.

RibosomasLibres en el citoplasma, estn compuestos por protenas y cido ribonucleico (ARN); su coeficiente de sedimentacin es de 70S (a diferencia de la clula eucariota que es de 80S) con dos subunidades de 50S y de 30S. Pueden presentarse aislados o como polirribosomas, asociados a ARN mensajero (ARNm) y a ADN cromosmico. Un mismo ARNm puede ser traducido por varios ribosomas simultneamente durante la sntesis proteica. Los ARNm bacterianos difieren en el nmero de protenas para las que codifican. Algunos representan un nico gen (monocistrnicos), otros, la mayora, tienen secuencias que codifican para ms de una protena (policistrnicos).

Su funcin es la sntesis proteica y su cantidad aumenta cuando la bacteria crece en medios


ricos. Su alto contenido de sustancias cidas los hace sensibles a la tincin con colorantes positivos o bsicos como el cristal violeta y el azul de metileno.

Cuerpos de inclusinSon grnulos de material orgnico o inorgnico, algunas veces rodeados de membrana. En general funcionan como almacenamiento de compuestos energticos que son usados como fuente de energa (polisacridos, lpidos, polifosfatos). El glucgeno constituye el principal elemento almacenado por las enterobacterias (40% de su peso). Algunas pseudomonas acu-mulan carbono como cido poli--hidroxibutirato y las micobacterias contienen grnulos de polifosfato. Con frecuencia las inclusiones pueden verse directamente con el microscopio de luz sin tinciones especiales.

ESTRUCTURAS EXTERNAS O DE LA ENVOLTURA CELULAR

Membrana celular Es una estructura vital para la bacteria. Representa una barrera que separa el interior del exterior celular.

Consiste en una bicapa lipdica similar a otras membranas biolgicas, compuesta por fosfolpidos anfipticos; no posee esteroles a diferencia de las eucariotas (con la excepcin de los mycoplasmas). La membrana se halla estabilizada por puentes de hidrgeno, interacciones hidrofbicas y cationes como el calcio y el magnesio que se combinan con los fosfolpidos car-gados negativamente. Insertas en ella se encuentran mltiples protenas transmembrana, que facilitan el transporte de sustancias hidroflicas a travs de sta. Como las bacterias no poseen membranas internas todos los sistemas de fosforilacin, oxidacin y transporte de electrones (citocromos) para la produccin de energa se encuentran a nivel de la membrana celular.

Los mesosomas son invaginaciones de la membrana plasmtica que forma vesculas, tbulos o lamelas. Aunque se han investigado durante aos, su funcin exacta an se desconoce; pueden estar involucrados en la formacin de la pared celular durante la divisin celular o en la replicacin del cromosoma y su distribucin a las clulas hijas. Algunos autores consideran que los mesosomas son artefactos generados durante la fijacin qumica de las bacterias para su observacin en el microscopio electrnico. Es necesario realizar ms investigaciones para solucionar esta polmica.

La membrana celular cumple la funcin de barrera osmtica, tiene permeabilidad selec-tiva y permite el ingreso de nutrientes y la salida de desechos por mecanismos de transporte activo y pasivo. En ella se encuentran los sistemas de fosforilacin oxidacin y el transporte de electrones para la produccin de energa; adems tiene las enzimas necesarias para la sntesis de lpidos, de la pared celular (por ejemplo, el bactoprenol), de la cpsula, etc. Finalmente la membrana contiene molculas receptoras especiales que ayudan a las bacterias a detectar y responder a sustancias qumicas del medio externo.

Pared celular Ubicada por fuera de la membrana plasmtica, es una estructura vital para las bacterias que la poseen. Los frmacos que bloquean su formacin producen la lisis y muerte de las bacterias susceptibles. Excepto los mycoplasmas todas las bacterias tienen una pared celular que les da forma y las protege de la lisis osmtica. La pared celular de muchos microorganismos patgenos tiene componentes que contribuyen a su patogenicidad. La pared puede proteger a la clula de las sustancias txicas y es el sitio de accin de algunos antibiticos.

Despus de que Christian Gram en 1884 desarrollase la tincin que lleva su nombre, se


comprob que las bacterias podan clasificarse en dos grupos principales, segn su respuesta a esta coloracin. Las bacterias grampositivas se tien de color azul violeta y las gramnega-tivas adquieren un color rosa o rojo. La diferencia estructural verdadera entre ambos grupos se puso de manifiesto con el desarrollo del microscopio electrnico. La pared de una clula grampositiva est formada por una nica capa homognea de 20 a 80 nm de grosor de pepti-doglicano o murena, situada por fuera de la membrana celular. Por el contrario, la pared de la clula gramnegativa es ms compleja; posee una capa de 2 a 7 nm de grosor de peptidoglicano rodeada por una membrana externa.

En las microfotografas electrnicas se observa un espacio entre la membrana plasmtica y la externa de las bacterias gramnegativas y, a menudo entre la membrana plasmtica y la pared celular en las grampositivas. Dicho espacio se denomina espacio periplsmico y est ocupado por un gel, el periplasma. El espacio periplsmico de las bacterias gramnegativas contiene muchas protenas que participan en la captacin de nutrientes, por ejemplo enzimas hidrolticas (proteasas, lipasas, fosfatasas, -lactamasas) que convierten las macromolculas en productos ms pequeos que pueden ser metabolizados por la bacteria. El espacio peri-plsmico contiene tambin enzimas que participan en la sntesis del peptidoglicano y en la modificacin de compuestos txicos que podran lesionar la clula. En especies patgenas, tambin encontramos a ese nivel factores de virulencia como colagenasas, hialuronidasas y proteasas. Es posible que las bacterias grampositivas no tengan un espacio periplsmico visible y secretan enzimas denominadas exoenzimas, que corresponderan a las periplsmicas de las bacterias gramnegativas.

El peptidoglicano o murena es un gran polmero compuesto por muchas subunidades idnticas. (Ver figuras 3 Y 4). El polmero contiene dos aminoazcares: N-acetilglucosamina y cido N-acetilmurmico; unidos entre s en la posicin 1-4. El esqueleto de este polmero est formado por residuos alternantes de N-acetilglucosamina y cido N-acetilmurmico. Una cadena peptdica de cuatro aminocidos D- y L- alternantes est conectada a un grupo carboxilo del cido N-acetilmurmico. Los tetrapptidos de una y otra cadena de peptidogli-cano se unen entre s por puentes peptdicos.

Existen diferencias en el espesor de esta capa de peptidoglicano. Las bacterias gramposi-tivas tienen una capa gruesa de 0,02 a 0,06m en forma de capas mltiples, mientras que las bacterias gramnegativas y las cido alcohol resistentes tienen una capa fina de peptidoglicano, de 0,01 m aproximadamente.

En el momento de la divisin celular se debe formar una nueva pared celular. En la pared de la clula en divisin, enzimas producidas por la misma bacteria (autolisinas), forman como brechas en la vieja pared. (Ver figura 5). Es en esas brechas o aberturas donde se agrega el peptidoglicano de la nueva pared en formacin.

A nivel del citoplasma, se forma un precursor o unidad monomrica con uridin-difosfato cido N-acetilmurmico (UDP-N-AcM). Los aminocidos son adheridos secuencialmente al UDP-N-AcM hasta formar una cadena de pentapptidos con dos D-alanina terminales.

La segunda etapa en la sntesis de la pared celular se produce en la membrana plasmtica, donde se encuentra el transportador lipdico: bactoprenol. El pentapptido N-acetilmurmico se transfiere desde el UDP al bactoprenol y luego una molcula de N-acetilglucosamina se une al complejo pentapptido N-AcM a travs de este ltimo. El bactoprenol transporta el bloque formado a travs de la membrana plasmtica.

Cuando llega al espacio periplsmico estos bloques de disacridos son colocados en las brechas ya formadas y unas enzimas denominadas ligasas unen los monmeros a una cadena de peptigoglicano en crecimiento. El paso final y fundamental para una correcta funcin de


Figura 3. Estructura del peptidoglicano. Diagrama esquemtico de un segmento de peptidoglicano que muestra las cadenas de polisacridos, cadenas laterales tetrapeptdicas y puentes peptdicos

Figura 4. Entrecruzamientos en el peptidoglucano. Arriba: peptidoglucano de E. coli con enlace directo, tpico de muchas bacterias gramnegativas. Abajo: ppetidoglucano de S. aureus. NAM: N-acetilmurmico; NAG: N-acetilglusamina; Gly: glicina


la pared es la unin de las cadenas de peptidoglicano entre s. Dicho paso se conoce como transpeptidacin y consiste en la unin de cadenas peptdicas adyacentes, mediante la for-macin de una unin peptdica entre una D-alanina de una cadena y una L-lisina o cido diaminopimlico (DAP) de otra cadena. Esta reaccin de entrecruzamiento se hace con la participacin de transpeptidasas tambin denominadas penicilin binding proteins (PBP), ya que son el sitio blanco de accin de la penicilina y otros antibiticos -lactmicos. stos se unen a las PBP impidiendo la transpeptidacin, provocando la lisis osmtica de las bacte-rias. Esto se producira aparentemente por la semejanza estructural entre la penicilina y el dmero D-ala-ala reconocido por las PBP que hace que en presencia de penicilina, las PBP se confundan y elaboren un complejo penicilina-enzima que resulta letal para la bacteria (en lugar del complejo D-ala-enzima).

Figura 5. Diagrama de la biosntesis del peptidoglucano. PEP, fosfoenolpiruvato; MurNAc y MN, cido N-acetilmurmico; GlcNAc y GN, N-acetilglucosamina; C55, bactoprenol.


Estructura de la pared celular de las bacterias grampositivasLa gruesa pared celular de las bacterias grampositivas est constituida principalmente por peptidoglicano. Se cree que sta gruesa capa de peptidoglicano es la determinante de que estas bacterias retengan el cristal violeta de la coloracin de Gram.

Sin embargo, estas clulas contienen tambin una gran cantidad de cido teicoico: poli-sacridos que se unen al cido N-acetilmurmico o a los lpidos de la membrana plasmtica. En este ltimo caso se denomina cido lipoteicoico. Tanto los cidos teicoicos como los lipoteicoicos, tienen la funcin de estabilizar la pared celular. Adems los cidos teicoicos tienen un rol en la virulencia de estos microorganismos, porque actan como antgenos de superficie que se unen a receptores especficos en las clulas del husped.

La superficie externa del peptidoglicano de las bacterias grampositivas est generalmente cubierta de protenas. Los diferentes grupos de bacterias grampositivas y las diferentes es-pecies difieren en la composicin de sus protenas y de cidos teicoicos; sto es til para la clasificacin serolgica y la identificacin bacteriana.

Estructura de la pared celular de las bacterias gramnegativasSi observamos la pared de las bacterias gramnegativas al microscopio electrnico podemos observar tres zonas: la membrana plasmtica, el espacio periplsmico que incluye una fina capa de peptigolicano y la membrana externa. Esta ltima, exclusiva de las bacterias gramne-gativas, es una bicapa lipdica que difiere de otras membranas por su capa externa, que est constituida por una molcula anfiptica: el lipopolisacrido (LPS) o endotoxina. Adems del LPS, la membrana externa contiene fosfolpidos y protenas que la unen al peptidoglicano.

El LPS est constituido por tres partes: el lpido A, el polisacrido central o del core y la cadena lateral O. (Ver figura 6). La regin del lpido A est inmersa en la membrana externa y el resto de la molcula del LPS sobresale de la superficie celular. El core o polisacrido central est unido al lpido A. La cadena O u antgeno O, consiste en unidades repetidas de una subu-nidad tetrasacrida y es muy variable en su composicin entre las diferentes familias, especies y an dentro de la misma especie de bacterias gramnegativas; en cambio, el polisacrido del core es constante para un mismo gnero bacteriano. El polisacrido O por su variabilidad es usado frecuentemente para la clasificacin serolgica de las bacterias.

La mayora de las bacterias sintetizan molculas de LPS con un antgeno O de longitud completa, algunas especies fabrican molculas cortas de antgeno O y otras casi no lo sintetizan. Las formas con poco o ningn antgeno O se conocen como rugosas, en oposicin a las formas lisas productoras de antgeno O de tamao completo. Macroscpicamente se observan como colonias de bordes rugosos (LPS truncado) o colonias lisas (LPS completo).

Una de las funciones ms importantes de la membrana externa es servir como barrera protectora. Evita o disminuye la entrada de sales biliares, antibiticos y otras sustancias txicas que podran destruir o lesionar la bacteria. La membrana externa es ms permeable que la plasmtica y permite el pasaje de pequeas molculas como glucosa y otros monosac-ridos. Dicho pasaje se debe a la presencia de porinas, protenas integrales o transmembrana que forman canales estrechos por los cuales pasar molculas menores de 600 a 700 dalton. Molculas mayores como la vitamina B12 pueden atravesar la membrana externa por trans-portadores especficos. Esta membrana externa previene la prdida de constituyentes como las enzimas periplsmicas.

En la figura 7 se esquematiza la estructura de la envoltura de una bacteria grampositiva y de una gramnegativa.


Fundamento de la coloracin de GramEs probable que la diferencia entre las bacterias grampositivas y gramnegativas se deba a la naturaleza fsica de sus paredes celulares. El peptidoglicano no se tie por s mismo, ms bien parece actuar como barrera de permeabilidad para evitar la prdida de cristal violeta. Durante el proceso de coloracin las bacterias se tien primero con cristal violeta y luego se tratan con yoduro para favorecer la retencin del colorante. En la decoloracin con etanol, se cree que el alcohol contrae los poros de la capa gruesa de peptidoglicano y se retiene el complejo colorante yoduro; as las bacterias adquieren color violeta. Por el contrario, la capa de pepti-doglicano de las bacterias gramnegativas es muy fina, con menos enlaces y con poros de mayor tamao. Adems, es posible que le tratamiento con alcohol extraiga suficientes lpidos de la membrana externa como para aumentar su porosidad. Por estos motivos el alcohol elimina ms fcilmente el complejo cristal violeta yoduro en las bacterias gramnegativas.

Funciones de la pared celularOtorga rigidez y da forma a las bacterias y las protege de la lisis osmtica. Su importancia clnica deriva de su susceptibilidad a la accin de los antibiticos, dado que stos actan

Figura 6. Estructura del LPS de Salmo-nella. Abe, abecuo-sa; Gal, galactosa; Glc, glucosa; GlcN, glucosamina; Hep, heptu losa; KDO, 2-ceto-3-desoxioc-tonato; Man, mano-sa; NAG, N-acetilglu-cosamina; P, fosfato; Ra, L-ramnosa.


sobre un blanco que no es propio del hombre y que es vital para la vida bacteriana (poseen toxicidad selectiva). Tambin acta como filtro, impidiendo el ingreso de algunas molculas y permitiendo la entrada de metabolitos imprescindibles y agua. Contiene determinantes patognicos, como el lpido A del LPS y estructuras antignicas que sirven para identificar y clasificar a la bacteria (antgeno O de las enterobacterias o polisacrido C del Streptococcus sp.). Podramos decir entonces, que la pared bacteriana es un gran mosaico de antgenos que son usados en la clasificacin y en la identificacin bacteriana.

Tambin antgenos de la pared celular (antgeno O del LPS y protenas de la membrana externa), han sido ensayados como inmungenos en la produccin de vacunas; por ejemplo la vacuna antimeningoccica para el grupo B. La porcin central del LPS o core, que es invaria-ble entre las diferentes bacterias y no es txica, tambin se ha ensayado como inmungeno.

Principales efectos del lipopolisacrido o endotoxinaEl LPS es termoestable, resistente incluso a la esterilizacin con autoclave. Su actividad endotxica se asocia al componente lipdico A, liberado cuando la clula se lisa como con-secuencia de la fagocitosis o de la accin antibiticos (de ah el nombre de endotoxina). Hoy se sabe que la gravedad del cuadro clnico depende de la cantidad de endotoxina circulante, pudiendo determinar desde un simple cuadro infeccioso con fiebre hasta sepsis, falla mul-tiorgnica y muerte.

Pequeas cantidades de endotoxina provocan reacciones de alarma: fiebre, activacin del complemento por la va alternativa, activacin de los macrfagos y estimulacin de linfocitos B. En grandes dosis produce shock e incluso la muerte.

Cuatro tipos de clulas constituyen el blanco primario de la endotoxina: los fagocitos

Figura 7. La estructura de envoltura de un microorganismo grampositivo (izquierda) y un microorganismo gramnegativo (derecha). No se muestran las cpsulas y los apndices ni las protenas de superficie, como la protena M de los etreptococos. Obsrvese la cantidad 20 veces mayor peptidoglicano en el microorganismo grampositivo. La membrana externa de la envoltura del microorganismo gramnegativo muestra molculas de polisacridos del antgeno O cubriendo la capa externa


mononucleares (macrfagos del bazo, de la mdula sea, de los alvolos pulmonares y de la cavidad peritoneal, monocitos de la sangre perifrica y clulas de Kupffer), los neutrfilos, las plaquetas y los linfocitos B. Es probable que stas clulas tengan receptores de endotoxina especficos.

La endotoxina tambin acta como pirgeno, por lo tanto causa fiebre cuando se acumula suficiente cantidad de bacterias gramnegativas en los tejidos como para hacer contacto con la circulacin. La fiebre se produce porque la endotoxina induce la liberacin de ciertas pro-tenas conocidas como pirgenos endgenos desde los fagocitos mononucleares. Los mejor conocidos son la interleuquina-1 (IL-1) y el factor de necrosis tumoral (TNF). Las bacterias grampositivas tambin inducen fiebre, pero como carecen de endotoxina, son los componentes de la pared celular los que causan liberacin de la IL-1 y del TNF.

La endotoxina activa el complemento por la va alternativa. Esto trae como consecuencia la produccin del complejo de ataque a la membrana, la quimiotaxis de los fagocitos (C5a fundamentalmente) y la opsonizacin (C3b). La activacin del complemento conduce tambin a un aumento de la permeabilidad vascular (mediado por las anafilotoxinas C3a y C5a) y a la liberacin de enzimas lisosmicas desde los neutrfilos (desgranulacin). Todos estos efectos producen la respuesta inflamatoria.

La endotoxina activa los macrfagos, es decir los estimula para que aumenten la produccin de enzimas lisosmicas, aceleren la velocidad de la fagocitosis y secreten algunas hidrolasas hacia el medio. La accin de los macrfagos activados incluye la destruccin de ciertas clulas cancerosas, por lo que el estudio de los derivados de endotoxina como potenciales agentes antitumorales es un tema de muchas investigaciones.

Cuando se libera la IL-1, la endotoxina induce la divisin de los linfocitos B. Estos ma-duran a clulas productoras de anticuerpos y aumentan la resistencia a las infecciones por aumento del nivel de anticuerpos.

Cuando se administran grandes cantidades de endotoxina, se produce un shock endo-txico, con frecuencia letal, que se manifiesta por cada severa de la presin arterial y un fenmeno denominado coagulacin intravascular diseminada (CID), entre otros. El CID es el resultado del depsito de trombos en los vasos de pequeo calibre, con el consiguiente dao en las reas privadas de irrigacin sangunea; el consumo de plaquetas, as como de factores de la coagulacin (II, V y VII) excede la velocidad de produccin la que conduce a hemorra-gias internas y falla orgnica (fundamentalmente en pulmn, rin e hgado). La endotoxina contribuye a la coagulacin de la sangre de tres formas: activa el factor de Hageman o factor XII de la coagulacin, quien activa la va intrnseca de la coagulacin; provoca la liberacin de grnulos de las plaquetas que estn involucrados en la coagulacin y provoca la liberacin de protenas bsicas de los neutrfilos que estabilizan los cogulos de fibrina.

Hoy se cree que los mediadores claves de la hipotensin inducida por la endotoxina son el TNF y la IL-1. Un punto de vista previo sostiene que la cada de la resistencia de los vasos perifricos se debe a la acumulacin de aminas vasoactivas (histamina y quinina).

Las bacterias grampositivas no poseen endotoxina, pero pueden producir un cuadro similar al del shock endotxico de las bacterias gramnegativas. Las mismas citoquinas que se liberan ante la presencia del LPS, son liberadas ante la presencia de la pared de las bacterias grampositivas, produciendo los mismos efectos. A la luz de las investigaciones actuales, los fragmentos de peptidoglicano y de cidos teicoicos, juegan un papel semejante al del LPS. Si se inyectan a animales tienen efectos similares a los producidos por la endotoxina de los microorganismos gramnegativos.


Estructura de la pared celular de las bacterias cido-alcohol resistentesNos referiremos como modelo de este grupo al gnero Mycobacterium. Adems del peptido-glicano, la pared celular de las micobacterias tiene muchos glicolpidos como el complejo lipdico arabinogalactano y los cidos miclicos, stos ltimos solo son encontrados en las Mycobacterium y las Corynebacterium spp. Esta gran cantidad de lpidos hace que las bacterias cido alcohol resistentes no se tian o lo hagan mal con la coloracin de Gram. Para teirla, se recurre a coloraciones con fucsina (colorante rojo), con calentamiento del colorante y luego de este procedimiento resisten la decoloracin de una mezcla de alcohol y cido, que consti-tuye la tincin de Ziehl Nielseen. Esta gran cantidad de lpidos de la pared, 10% del total del peso de la micobacteria, la protege de la accin deletrea de los componentes del fagolisoma y, probablemente, sea la razn por la que las micobacterias pueden sobrevivir dentro de los macrfagos. Los componentes de la pared de las micobacterias tambin tienen la capacidad de estimular al sistema inmune, tanto es as que se usa para aumentar la produccin de anti-cuerpos cuando se inyecta antgenos proteicos, o sea, se usa como adyuvante. El adyuvante de Freund tiene como componente bsico pared de micobacterias.

De todo lo expuesto se desprende la importancia del conocimiento de las diferentes paredes celulares de las bacterias (grampositivas, gramnegativas y cido alcohol resistentes) a la hora de estudiar mecanismos de agresin, sensibilidad a los antibiticos, taxonoma, clasificacin bacteriana, identificacin, etc.

CpsulaCuando existe est ubicada por fuera de la pared celular. Las bacterias producen material capsular que, cuando se asocia ntimamente a la superficie celular recibe el nombre de cpsula. Si su adherencia es dbil y de grosor variable, se conoce como limo.

Generalmente es de naturaleza polisacrida (a excepcin de la cpsula del Bacillus anthracis que es peptdica).

No es una estructura vital para la clula, su prdida no se relaciona con la prdida de viabilidad celular, pero s con cambios de la morfologa colonial y con la prdida de la viru-lencia bacteriana.

La virulencia de algunos patgenos se correlaciona con la presencia de cpsula, como por ejemplo: Streptococcus pneumoniae y Haemophilus influenzae tipo b. La cpsula protege a la bacteria de la fagocitosis, principal mecanismo de defensa que pone en juego el husped ante la presencia de bacterias capsuladas. Una respuesta efectiva para defenderse de este tipo de bacterias implica la produccin de anticuerpos que se unan especficamente a la cpsula facilitando la opsonizacin y la fagocitosis.

De su capacidad antignica se desprende el uso de la cpsula para la produccin de diferentes vacunas que estimulan la formacin de anticuerpos especficos. Ejemplos de ellas son las vacunas: anti neumoccica, anti Haemophilus influenzae tipo b y anti meningoccica A, B y C.

Las bacterias que producen cpsula forman en los medios slidos colonias acuosas, mucoide (M) o lisas (S), en cambio, las cepas rugosas (R) no producen cpsula. La prdida de la capacidad de formar cpsula por mutacin S a R se correlaciona con la prdida de la virulencia y el aumento de la susceptibilidad a la destruccin por los fagocitos; aunque no afecta la viabilidad. Muchas cepas bacterianas producen cpsula o limo cuando son aisladas en cultivo por primera vez a partir de un husped. Con los reaislamientos sucesivos, dejan de producirla, lo que indicara que la presencia de la cpsula no ofrece ventaja selectiva in


vitro. Su produccin est regulada genticamente, de forma que las bacterias la presentan cuando es necesaria para la supervivencia dentro del husped.

La presencia de cpsulas tambin se puede demostrar por tincin negativa con tinta china. La tinta china no penetra la cpsula pero delimita un contorno refringente alrededor del cuerpo bacteriano en un fondo oscuro.

Los antgenos capsulares son muy tiles en la clasificacin e identificacin de diferentes bacterias, por ejemplo: Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Neisseria meningitidis, etc.

Fimbrias o pilisSon estructuras filamentosas, proteicas, que se diferencian de los flagelos por su dimetro (menor a 8 nm) y por no poseer estructura helicoidal; no cumplen funciones de movilidad. Son estructuras variables, no vitales para las bacterias que las poseen.

Los pili comunes cumplen funciones de adherencia a receptores especficos y superficia-les, esto es importante en las especies de relevancia clnica porque median la adherencia de muchas bacterias a determinados epitelios, jugando un papel fundamental en la coloniza cin. Por ejemplo, las cepas de Neisseria gonorrohoeae patgenas son aquellas que poseen fimbrias que se adhieren especficamente al epitelio uretral del hombre o al epitelio del crvix uterino de la mujer. Las cepas de E. coli capaces de causar infeccin urinaria tienen fimbrias que les permiten adherirse especficamente al epitelio del aparato urinario. Tambin la E. coli ente-ropatgena (EPEC) tiene fimbrias que le permiten adherirse al epitelio intestinal para luego producir los cambios que determinarn la diarrea.

Existen otras estructuras llamadas pilis sexuales que son ms largos y poca cantidad (dos o tres por clula). Estos intervienen en el intercambio gentico entre bacterias, de all su nombre. El apareamiento de dos bacterias y la transferencia de ADN a travs del pili sexual se conoce como conjugacin. Se transfiere material gentico de una clula donadora (que posee un plsmido F que codifica el pili sexual, entre otras cosas) a una receptora. En general el material transferido es un plsmido o una porcin de cromosoma movilizada por un plsmido. Una vez unidas las bacterias los pilis sexuales se retraen, permitiendo que las clulas se unan y pase el ADN de la donadora a la receptora, formndose una verdadera unin (puente) entre las membranas de las clulas para el pasaje del ADN. La clula receptora est estrechamente emparentada con la donadora y posee un receptor especfico para los pilis sexuales.

Flagelos y filamentos axiales Los flagelos son filamentos proteicos, helicoidales, delgados y rgidos, de longitud y dimetro uniforme, responsables de la movilidad de la bacteria. Los flagelos son tan delgados que no pueden observarse directamente con un microscopio de campo claro, deben teirse con tc-nicas especiales para aumentar su grosor. La estructura detallada de un flagelo puede verse solo con el microscopio electrnico; as es que se ha demostrado que el flagelo bacteriano est compuesto de tres partes: el filamento, el gancho y el cuerpo basal. El primero sobresale de la superficie de la bacteria y se une a ese nivel con el gancho, que est fijo al cuerpo basal. ste ltimo est anclado en la membrana plasmtica y est compuesto por un cilindro y dos o ms juegos de anillos contiguos a la membrana plasmtica, el peptidoglicano y, en las bacterias gramnegativas, a la membrana externa (ver figura 8).

El filamento tiene forma de hlice rgida y la bacteria se mueve cuando sta gira, como las hlices de un barco. La direccin de la rotacin flagelar determina la naturaleza del mo-vimiento bacteriano: la rotacin de los flagelos en direccin contraria a las agujas del reloj


permite el movimiento de avance, mientras que la rotacin en el sentido de las agujas del reloj hace que las clulas den vueltas.

Los flagelos pueden variar en nmero, desde uno a cientos. Las especies bacterianas difieren por sus modelos de distribucin de flagelos. Las monotricas (trichous: pelo) tienen un solo flagelo que si se sita en un extremo de la bacteria y se denomina polar. Las bacterias anfitricas (amphi: en ambos lados) tienen un flagelo en cada polo bacteriano. En cambio, las lofotricas (lopho: mechn) poseen un grupo o penacho de flagelos en uno o ambos extremos. Por ltimo, en las bacterias peritricas (peri: alrededor), los flagelos se distribuyen uniforme-mente en toda la superficie bacteriana. Los modelos de distribucin de los flagelos son tiles para identificar a las bacterias.

Los flagelos no son necesarios para la vida bacteriana. Su sntesis est regulada por las necesidades nutricionales o el estado energtico y ocurre por la adicin de monmeros de flagelina al extremo distal de los flagelos en crecimiento. La sntesis del filamento es un ejemplo excelente de autoensamblaje, es decir que la informacin necesaria para construir el filamento est en la propia estructura de la subunidad de flagelina; no colaboran enzimas especiales u otros factores. Las bacterias flageladas pueden buscar nutrientes o evitar los txicos siguiendo los gradientes; la funcin flagelar se debe a respuestas quimiotcticas y la energa para el movimiento proviene de una corriente de protones.

La movilidad y, por lo tanto, la presencia de flagelos, constituye un factor de virulencia.El antgeno flagelar recibe el nombre de antgeno H. Las bacterias flageladas reaccionan

con antisueros especficos para flagelos, provocando una aglutinacin tpica.Las espiroquetas (Treponemas, Leptospiras y Borrelias) se mueven en onda helicoidal; dicho

movimiento les permite penetrar en medios viscosos. Estas bacterias tienen filamentos axiales que no se extienden de un polo a otro de la clula, sino que se originan en polos opuestos y se superponen en el centro de la clula, sin presentar conexiones entre s.

Figura 8. Esquema comparativo de la estructura del flagelo en gramnegativas


ESPOROSAlgunas bacterias grampositivas pueden formar una estructura especial inactiva de resistencia, denominada endospora o espora. Se desarrollan dentro de clulas bacterianas vegetativas (por eso la denominacin de endospora) de los gneros Bacillus y Clostridum entre otros. Estas estructuras son resistentes a situaciones vitales estresantes como el calor, la desecacin, la radiacin ultravioleta, los cidos y los desinfectantes qumicos. Debido a su resistencia y al hecho de que varias especies de bacterias formadoras de esporas son agentes patgenos peligrosos, las esporas tienen gran importancia en microbiologa alimentaria, industrial y mdica. El conocimiento de estas formas altamente resistentes al calor (pueden sobrevivir a la coccin durante una o ms horas) fue esencial para el desarrollo de mtodos adecuados de esterilizacin para medicamentos, alimentos, medios de cultivo microbiolgicos, etc. En el ambiente las endosporas permiten la supervivencia de las bacterias cuando la humedad o los nutrientes son escasos.

Se pueden observar con el microscopio ptico y electrnico. Como las esporas son im-permeables a la mayora de los colorantes, se observan como reas incoloras dentro de las clulas coloreadas. Existen adems coloraciones especiales para teir los esporos. La situacin de la espora en la clula madre o esporangio, es caracterstica para una especie bacteriana determinada, siendo esto importante para la identificacin de la bacteria. Las esporas pue-den estar en el centro de la bacteria (C. perfringens), prxima a un extremo o subterminal (C. botulinum) o en el extremo, terminales (C. tetani). A veces la espora es tan grande que deforma el esporangio (C. botulinum).

Dentro de una clula vegetativa se produce una espora nica, que se diferencia de la clula madre en su morfologa y composicin, en el aumento de la resistencia a los ambientes adversos y en la ausencia de actividad metablica evidente. El proceso incluye la formacin de numerosas cubiertas y la captacin de calcio con sntesis de cido dipicolnico. Al final de la esporulacin queda una partcula deshidratada que contiene ADN genmico. Ese ADN se vuelve resistente a la desecacin, al calor extremo, a la radiacin y al ataque por la mayora de las enzimas y agentes qumicos. Pueden permanecer en esta forma por aos o convertirse nuevamente en la forma vegetativa idntica a la que les dio origen; este proceso recibe el nombre de germinacin de la espora. La germinacin se produce por el calentamiento suave o la presencia de nutrientes determinados; la espora capta agua, se hincha, se desprenden sus cubiertas y se forma la clula vegetativa idntica a la original. El ciclo vital de una bacteria productora de esporos se ilustra en la figura 9.

La estructura de la espora es compleja y se distinguen de afuera hacia adentro: el exosporio, capa delicada y delgada; la cubierta, compuesta por muchas capas de protenas, puede ser gruesa; la corteza, constituida por peptidoglicano modificado, con menos enlaces que en la clula vegetativa, puede ocupar la mitad del volumen celular; la pared celular de la espora rodeando al protoplasto y el protoplasto, conteniendo las estructuras celulares normales como ribosomas y un nucleoide.

An no se ha determinado por que la espora es tan resistente al calor y otros agentes letales. El 15% del peso seco de la espora consiste en cido dipicolnico que forma complejos con iones de calcio. Quiz el complejo dipicolinato clcico estabilice los cidos nucleicos de las esporas. Recientemente se han descubierto en endosporas, protenas pequeas, solubles en cido que se unen especficamente al ADN, lo saturan y lo protegen del calor, la radia-cin, la desecacin y las sustancias qumicas. La deshidratacin del protoplasto parece ser muy importante en la resistencia al calor. La corteza puede eliminar osmticamente el agua del protoplasto y proteger as a la clula del calor y la radiacin. En resumen, la resistencia


al calor de las endosporas se produce por: estabilizacin del ADN por dipicolinato clcico y protenas solubles en cido, deshidratacin del protoplasto y mayor estabilidad de las protenas celulares en bacterias adaptadas a crecer a temperaturas elevadas, entre otras.

La formacin de esporas, esporognesis o esporulacin, comienza cuando cesa el creci-miento debido a una falta de nutrientes. Los cambios que ocurren durante la esporulacin son el resultado del cese de la funcin de ciertos genes vegetativos y de la expresin de nuevos genes. La formacin de esporos se regula negativamente: la clula elabora un represor; a partir de algn componente del medio, que impide la iniciacin de la esporulacin. Cuando este compuesto se agota, se libera la inhibicin y se inicia la esporulacin. El factor especfico que regula la iniciacin de la esporulacin es el trifosfato de guanosina (GTP). La disminucin del pool de GTP es suficiente para iniciar la esporulacin en algunas especies bacterianas estudiadas.

La transformacin de esporas inactivas en clulas vegetativas es casi tan compleja como la esporulacin. Se producen tres fases: activacin, germinacin y crecimiento. La primera es un proceso reversible que se produce generalmente por calentamiento o por sustancias qumicas. Una endospora no germinar satisfactoriamente, incluso en un medio rico en nutrientes, si no ha sido activada. En la germinacin termina el estado de reposo de la espora. Es un proceso irreversible desencadenado por la exposicin del esporo activado a algunos nutrientes y otros estimulantes (alanina, otros aminocidos, nuclesidos y glucosa). Se caracteriza por hincha-zn de la espora, rotura o absorcin de la cubierta de sta, prdida de la resistencia al calor y otros factores estresantes, prdida de la refractariedad, liberacin de los componentes de la espora y aumento de la actividad metablica. Por ltimo, en el crecimiento, el protoplasto de la espora sintetiza nuevos componentes, emerge a partir de los restos de la cubierta de la espora y se transforma nuevamente en una bacteria activa.

Figura 9. Esquema del proceso de esporulacin


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Fisiologa y metabolismo bacterianoG. Varela, G. Grotiuz

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Las bacterias son los organismos ms pequeos que tienen la maquinaria requerida para el crecimiento y la replicacin. Estn compuestas, como las clulas eucariotas, por protenas, polisacridos, lpidos, cidos nucleicos, entre otros. Estas macro-molculas pueden formar parte de estructuras celulares ms complejas, como la pared celular y la membrana plasmtica. El crecimiento bacteriano se define como el aumento ordenado de todos los constituyentes qumicos de la clula. Es un proceso complejo que supone la replicacin de todas las estruc-turas y componentes celulares a partir de nutrientes exgenos.

El conocimiento de la fisiologa y del metabolismo bacteriano tiene algunas aplicaciones prcticas. En principio permite conocer el modo de vida y el hbitat de diferentes especies bacterianas. El ser humano actuando como husped, ofrece una variedad de nichos ecolgicos que se diferencian entre s por aspectos fsicos y qumicos (temperatura, concentracin de oxgeno, pH, presin osmtica, etc.), en los cuales pueden crecer y multiplicarse distintas especies bacterianas segn sus requerimientos nutricionales, ambientales y atmosfricos. Adems, permite formular medios de cultivo para el aislamiento e identificacin de los pat-genos participantes. Desde un enfoque teraputico, nos permite conocer y entender el modo de accin de algunos antibiticos que bloquean una va metablica o la sntesis de alguna macromolcula esencial para la bacteria.

El trmino metabolismo se refiere al conjunto de reacciones qumicas que se producen en la clula y tiene tres funciones especficas. La primera es obtener energa qumica del entorno y almacenarla, para luego usarla en diferentes funciones celulares. La segunda es convertir los nutrientes exgenos en unidades precursoras de los componentes macromoleculares de la clula bacteriana. Y la tercer funcin es formar y degradar molculas necesarias para cumplir funciones celulares especficas, por ejemplo: movilidad y captacin de nutrientes.

El metabolismo se produce por secuencias de reacciones catalizadas enzimticamente y se divide en anabolismo y catabolismo. El proceso por el cual la clula bacteriana sintetiza sus propios componentes se conoce como anabolismo y resulta en la produccin de nuevo material celular; tambin se denomina biosntesis. La biosntesis es un proceso que requiere energa, por lo tanto las bacterias deben ser capaces de obtenerla de su entorno para crecer y, eventualmente, multiplicarse. El conjunto de reacciones degradativas de los nutrientes para obtener energa o para convertirlos en unidades precursoras de la biosntesis, se conoce como catabolismo.

As, hemos visto dos tipos de transformaciones qumicas que ocurren simultneamente en la bacteria, por lo tanto el metabolismo es el resultado colectivo de ambas reacciones.


Las catablicas resultan en la liberacin de la energa qumica contenida en los nutrientes, mientras que las anablicas la consumen. Por lo tanto, la energa liberada como resultado de las reacciones de oxidacin reduccin del catabolismo, debe ser almacenada y transportada de alguna manera. Una de ellas es como compuestos con uniones fosfato de alta energa; dichos compuestos luego se usan como intermediarios en la conversin de la energa conser-vada en trabajo til. El compuesto fosfato de alta energa ms importante en los seres vivos es el trifosfato de adenosina (ATP). ste se genera en la clula bacteriana por dos procesos diferentes: fosforilacin a nivel del substrato y fosforilacin oxidativa.

Metabolismo productor de energa

En los seres vivos, la utilizacin de la energa potencial contenida en los nutrientes se pro-duce por reacciones de oxidacin reduccin. Qumicamente la oxidacin esta definida por la prdida de electrones y, la reduccin por la ganancia de los mismos. En bioqumica, estas reacciones frecuentemente incluyen tambin la transferencia de tomos enteros de hidrgeno, por lo tanto se conocen con el nombre de reacciones de deshidrogenacin. En las reacciones de este tipo hay sustancias que ceden electrones (dadoras) y otras que los aceptan (acepto-ras). En las bacterias de inters mdico los sistemas de oxidacin reduccin transforman la energa qumica de los nutrientes en una forma biolgicamente til; dichos procesos incluyen la fermentacin y la respiracin. En la primera, tanto la molcula dadora como la aceptora de electrones, son compuestos orgnicos. En cambio, en la respiracin hay un aceptor final exgeno, que cuando es el oxgeno se denomina respiracin aerobia y cuando es un compuesto inorgnico, respiracin anaerobia.

FERMENTACIN En sta los electrones pasan del dador, un intermediario formado durante la degradacin del substrato, hacia un aceptor constituido por algn otro intermediario orgnico tambin generado durante el catabolismo del substrato inicial. Por lo tanto, este proceso de oxidacin reduccin no requiere el aporte exgeno de un aceptor final de electrones.

Aunque hay distintos tipos de fermentaciones, todas llevan a una oxidacin parcial de los tomos de carbono del substrato inicial y liberan, por lo tanto una pequea parte de la energa potencial contenida (Ver figura 1). El rendimiento energtico de este proceso es menor que el de la respiracin.

En las bacterias se encuentran las tres vas centrales del metabolismo intermediario de los hidratos de carbono: la glucoltica o de Embden Meyerhof Parnas, la de pentosa fosfato o shunt de las pentosas y la

temas de bacteriologia y virologia medica

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