¡Descarga Microbiología de 2º y más Apuntes en PDF de Microbiología solo en Docsity!
La 1ª alusión a los microorganismos la hacen Varro y Columella en el s. II a.C., asegurando que las enfermedades infecciosas se deben a que un animal muy pequeño entra en un organismo sano. Los llaman animalia minuta. Ya no hay más alusiones hasta el s. XVI, cuando Fracastoreo de Verona dice que en el aire existen semillas de la enfermedad o seminaria morbi que invaden el cuerpo y pueden pasar de un individuo enfermo a otro sano, produciéndose el contagio. Estas alusiones no tenían base científica, pues nadie había observado estos microorganismos (no había microscopios).
El 1 er^ estudio científico tiene lugar a finales del s. XVII por Leeuwenhoek, traficante de tejidos en Delfe (Bélgica), quien creó un microscopio para observar los tejidos. Su curiosidad le llevó a observar otras cosas, como gotas de vino, agua de lluvia, sarro dental… En ellos vio seres vivos móviles muy pequeños, a los que llamó animalillos. Entre 1675-1683 envió cartas a la Real Sociedad de Londres en los que los describía. Se le considera el fundador de la Microbiología. Como había dudas sobre dónde incluirlos, si en vegetales o animales, Linneo creó una nueva categoría llamada Chaos infusorium, incluida en la clase Vermes, pues eran alargados.
Teoría de la Generación Espontánea o Abiogénesis: hasta el Renacimiento se pensaba que los seres vivos surgen por generación espontánea. Esto lo defendía Aristóteles. Esta teoría empezó a ser descartada gracias a los experimentos de Redi entre 1626-1679. Siguió la receta para crear gusanos (dejar carne en un plato bajo la luna llena), pero tapó el plato, y no aparecieron gusanos; lo que hizo fue evitar que las moscas depositaran sus huevos en la carne, y por tanto las larvas. Spallandoni también ayudó a descartar la teoría. Pero los experimentos de Leeuwenhoek avivaron la teoría, porque los animalillos sí que debían surgir por generación espontánea. Pero a finales del s. XIX, y gracias a Louis Pasteur, químico, se desterró. Pasteur está considerado el padre de la Ciencia de la Microbiología. Introdujo métodos para evitar infecciones, sentó las bases inmunológicas… Su primer descubrimiento fue la asimetría de los átomos de C. En 1861 hizo trabajos que descartaron la teoría de la generación espontánea; demostró que la atmósfera está llena de microorganismos succionando aire con una bomba, quedando las partículas atrapadas en un algodón, en el que vio animalillos. La distribución de animalillos no es uniforme, hay ambientes con más densidad que otros. Si esos animales aparecían en las infusiones, es porque se depositaban desde el aire y en la infusión proliferaban. Tapó un matraz, pero los animalillos seguían desarrollándose (habían caído al preparar la infusión). Hirvió una infusión, la tapó y no se desarrollaban. Alguien se lo rebatió diciendo que, tapando el matraz, impedía entrar al impulso vital necesario para la creación de la vida ; entonces Pasteur ideó un matraz con cuello de cisne, que permitía la entrada del ‘impulso vital’, pero no de los microorganismos. No se desarrolló ningún microorganismo. Todavía permanecen matraces preparados por Pasteur, y están limpios.
En 2 condiciones aparecen microorganismos: al depositar el algodón en la infusión, o al inclinar el matraz, favoreciendo la entrada de los microorganismos que están en el codo del cuello del matraz. Así desterró la Teoría de la Abiogénesis y, además, sentó las bases de los trabajos en Microbiología:
• esterilización: procedimiento por el que un material queda libre de todo microorganismo F 0 E 0pasteurización,
someter a ebullición a 100ºC durante 10 minutos
• asepsia: conjunto de procedimientos a seguir para que un material estéril permanezca así indefinidamente
(para evitar que un microorganismo lo invada)
En Microbiología hay que trabajar sobre cultivos, no sobre individuos. Cultivos puros cultivados en material estéril y de forma aséptica.
Aún había defensores de la generación espontánea, pues a veces surgía algún microorganismo en los matraces de Pasteur.
Tyndell retomó estos experimentos, y observó que algunos microorganismos pasaban por una forma de vida resistente al calor: las esporas. Vio que las esporas se desarrollaban y producían una bacteria que desarrollaba una espora en su interior, que libera después de morir; cuando Pasteur calentaba las infusiones, mataba microorganismos, pero no a las esporas termoresistentes. Por tanto, Tyndell volvió a hervir tras 12 horas (que es lo que dura el ciclo), y una 3ª vez para matar los que quedan. Eran 3 tratamientos de 60ºC separados por 6-12 horas F 0 E 0tindalización, más usado que la pasteurización porque a 60ºC se altera menos el material.
Así, la abiogénesis fue definitivamente descartada.
Con los experimentos de Pasteur se demostró que la aparición de microorganismos no es consecuencia de la putrefacción, sino la causa; un material se pudre porque a él acceden microbios que hay en la atmósfera. Siguiendo este razonamiento, las bacterias no deben ser la consecuencia, sino la causa de la infección; bastaba proteger la herida con una gasa, y darle antes un tratamiento para eliminar los microorganismos que ya tiene (yodo). A partir de este razonamiento se desarrollan 2 escuelas:
• Escuela de Pasteur: busca métodos para evitar la enfermedad (métodos profilácticos)
• Escuela de Koch: busca los microorganismos causantes de enfermedades
Era difícil observar los microorganismos con los microscopios de la época debido al índice de refracción de las bacterias, casi igual al del agua, y al estar en un medio acuoso eran prácticamente invisibles. El microscopio de contraste de fase aparece a mitad del s. XX. Se valieron de las tinciones, usando colorantes de citología. Hoffmann (1869) empleó fucshina y logró colorear por primera vez un cultivo bacteriano. Pero era difícil teñirlas cuando estaban vivas,
• colorantes vitales (tiñen a las células vivas)
• colorantes supravitales (tiñen a las células muertas, ya fijadas)
Para las bacterias, la mayor parte de los colorantes son supravitales. Koch (1877) descubrió que, a diferencia de las células eucariotas, las bacterias se alteran muy poco al matarlas, lo que facilitó la tinción con supravitales. Pero sólo desecándolas, las bacterias no morían; era necesario fijarlas. Lo más fácil era fijarlas con calor, pasando el porta por la llama del mechero (fijación por calor). A partir de ahí surgen distintos métodos de tinción.
Koch quería demostrar la existencia de bacterias en el cuerpo de organismos enfermos. Necesitaba teñir de forma diferente las bacterias del tejido donde estaban F 0 E 0tinción diferencial. El método más notable lo diseñó Christian Gram (1844, discípulo de Koch); teñía las bacterias de la tuberculosis de color violeta, y los tejidos aparecían rosados. Este sistema usaba 3 sustancias:
• primero teñía la preparación con un cristal violeta durante 1’
• sometía la preparación a un mordiente que ayudaba a teñir (lugol) durante 30’’, quedando todo violeta
• lo sometía a decoloración con alcohol 20’’ (sólo decoloraba el tejido)
• añadía colorante rojo, ahora safranina, durante 1’
La bacteria aparecía violeta, el tejido rosa.
Esta tinción luego se aplicó a otras muchas bacterias que se comportan como las de la tuberculosis, adoptando el color violeta; otras adquirían el rojo pálido. A las que tomaban color violeta se las llamó Gram positivas (resisten la decoloración con alcohol); a las que se tornaban rosa, Gram negativas. Esta diferencia de color se debe a una diferencia en la pared de las bacterias; las Gram (-) son permeables a ciertas sustancias que no entran en las Gram (+). Tienen envolturas celulares organizadas de forma diferente.
Estas tinciones sirvieron a Koch y sus discípulos para observar bacterias responsables de enfermedades. Koch pensó que la mera existencia de una bacteria en un individuo enfermo no era motivo suficiente para considerarla causante de la enfermedad. Para demostrar que una bacteria es la cauda de una enfermedad, hay que inocularla en un individuo sano y ver si se produce la enfermedad; hay que inocular una población, un cultivo de bacterias, y debe ser puro. Buscó métodos para el cultivo de las bacterias basándose en los trabajos de Fernando Cohn. Vio que, al microscopio, en forma y tamaño se parecen mucho unas a otras, y sólo hay 4 formas diferentes (poca diversidad morfológica para 2000 géneros bacterianos):
Koch vio que, si bien tienen poca diversidad morfológica, tienen gran diversidad fisiológica (nutrientes requeridos, T de crecimiento, pH del medio…). Diseñó experimentos para obtener cultivos de una u otra bacteria, conociendo sus necesidades fisiológicas.
Los primeros medios de cultivo que se usaron eran líquidos. Loeffler las hizo crecer sobre caldo de carne, luego Liebig ideó un caldo común (caldo de carne con sal), aumentando la presión osmótica del medio e igualándola con la del citoplasma bacteriano, evitando su lisis. Liebig vio que ese medio también era un nutriente para la gente (cubos de sopa Liebig, antecesor actual Avecrem).Los medios líquidos no aseguran la pureza del cultivo, pues se parecen mucho al microscopio, a menos que sean G (+) y G (-). Koch buscó un procedimiento de cultivo en medio sólido para qe las bacterias crecieran en la superficie; usó un cacho de pan y vio que creían apelotonándose, dando lugar a acumulaciones de bacterias en la superficie F 0 E 0colonias. Cuando en la superficie de un medio sólido crecen bacterias diferentes, las colonias que se forman también son distintas, en forma, color, brillo, grado de elevación sobre el medio… Esto las hacía fácilmente observables, porque las colonias son visibles a simple vista. Pero había 2 dificultades: es difícil esterilizar el pan, y pocas bacterias usan el pan como nutriente. Lo intentó en un trozo de papa, esterilizándolo sin alterarla mucho, y crecían colonias, pero la papa no era un buen nutriente y las bacterias que ahí crecían digerían la
1. Salmon y Schmidt (1884): vieron que una preparación de bacterias muertas por cualquier procedimiento
(calor) tiene la misma facultad de protección que los cultivos atenuados. Esto demostró que los microorganismos muertos asumen la capacidad de proteger de la enfermedad, no s una capacidad vital; basta con que las estructuras del microorganismo se introduzcan en el individuo. Esto evitó los riesgos de introducir bacterias vivas en individuos sanos.
2. En 1882, Metchnikoff se aburría en una playa en Rusia e hizo un experimento algo cruel; se dedicó a clavar
espinitas de rosal en larvas de estrella de mar, que son transparentes, y observó al microscopio: al pinchar, un grupo numeroso de células de la larva iban adonde se había producido el pinchazo y digerían la espina. A estas células las llamó fagocitos, porque fagocitaban los cuerpos extraños. Luego lo repitió, pero inoculando un cultivo bacteriano, y pasó lo mismo; los fagotitos englobaban y digerían a las bacterias inoculadas. Llegó a la conclusión de que la inmunidad se debe a unas células especializadas en la fagocitosis de los cuerpos extraños, dando lugar a la Teoría Celular de la Inmunidad. No fue muy aceptada porque unos compañeros suyos, Behning y Kitasato (1882), hicieron un experimento que demostraban que la inmunidad no se debe a células, sino a determinadas sustancias que hay disueltas en la sangre; trabajaron con el tétanos, demostraron que no es producido por la bacteria, sino por una sustancia tóxica que produce la bacteria. A esta sustancia la llamaron toxina (toxina tetánica). La toxina, sin bacterias, produce el tétanos; si al animal al que se inocula la toxina se le saca sangre, a esta sangre se le quitan las células y el suero resultante se inocula en un animal sano, cuando este animal recibe la toxina no padece el tétanos F 0 E 0en ese proceso se había producido una sustancia que neutralizaba la toxina, y la llamaron antitoxina. Dijeron que la inmunidad se produce por la acción de sustancias que hay disueltas en la sangre, estableciendo la Teoría Humoral de la Inmunidad. Estos trabajos produjeron un método que consiste en inocular a un individuo sano suero procedente de un individuo que había producido la enfermedad F 0 E 0sueroterapia.
Hoy se sabe que la inmunidad es consecuencia de ambas cosas, de células que eliminan a los agentes patógenos, digiriéndolos F 0 E 0linfocitos T (maduran en el timo), y mediante la producción de sustancias disueltas en la sangre F 0 E 0 anticuerpos, producidos por linfocitos B.
Laboratorios Behning, producen sueros para infecciones. Y se llevó el Nobel de Medicina.
La consecuencia lógica del descubrimiento y observación de las bacterias fue la búsqueda de sustancias químicas que impidieran el crecimiento de las bacterias. Fue iniciada por Ehrlich (discípulo de Pasteur), que buscó la ‘bala mágica’, una sustancia que matara a las bacterias sin afectar a las células del organismo hospedador, o al menos impidiera su crecimiento. Encontró algunas sustancias para combatir ciertas infecciones, salvarsen y neosalvarsen, contra la sífilis; eran sales de arsénico que también afectaban a las células humanas.
En 1935, Domack describió las sulfamidas, selectivas (afectan a las bacterias, impidiendo su crecimiento) porque inhiben una ruta metabólica que se produce en los procariotas, pero no en animales; la síntesis del ácido fólico (necesario para el hombre, pero no lo fabrica él mismo, debe tomarlo ya sintetizado). Las bacterias deben sintetizarlo porque el ácido fólico no puede atravesar la membrana de la célula bacteriana.
Se siguió buscando sustancias con la misma propiedad, pero ninguna la igualó.
Quimioterapia: sustancias químicas de síntesis (sintetizadas en laboratorio) que curan enfermedades de forma selectiva (afectan a las bacterias).
Antibioterapia: curación de enfermedades empleando antibióticos (síntesis natural, producidos por seres vivos).
Fleming, en 1928, descubrió los antibióticos; trabajaba con una bacteria Gram (+), cultivada en placa. No mantuvo adecuadamente las condiciones de asepsia y en una de las placas entró un hongo del gº Penicillium; vio que, donde había crecido el hongo, no crecía la bacteria, ni en sus proximidades. Llegó a la conclusión de que el hongo debía estar produciendo una sustancia química que impedía el crecimiento de la bacteria. A este fenómeno lo llamó antibiosis, y a la sustancia responsable de la antibiosis, antibiótico, y a este en concreto penicilina. Pensó que probablemente la penicilina no afectaría al crecimiento ni funcionamiento de la célula eucariota, y por tanto podría tener efectos de ‘bala mágica’. Se dedicó a intentar purificar la sustancia, pero fracasó, y nunca pudo aplicarla a individuos enfermos para ver si curaba.
En 1939, las infecciones en Europa aumentaron al aumentar las heridas por la 2ª Guerra Mundial. Se retomaron los trabajos de Fleming. El aislamiento y purificación de la penicilina se consiguió en 1941 por Florey y Chain. El 7 de agosto hicieron el primer ensayo clínico; inyectaron penicilina en un afectado por infección, y le curó sin afectar a las células del individuo. Había nacido la antibioterapia.
- Un antibiótico es una sustancia responsable de la antibiosis. Hay muchas sustancias con propiedades de antibiótico, pero muy pocos con propiedades de ‘bala mágica’ (que no afecte a las células del hospedador). De 12000 antibióticos descritos, no llegan a 100.
En 1950, Waksmann descubrió la estreptomicina, el primer antibiótico útil para la tuberculosis. En los últimos años ha habido un rebrote de la tuberculosis por 2 hechos:
• aparición del SIDA, que afecta a las defensas inmunológicas del individuo
• el uso indiscriminado de los antibióticos; a medida que se utilizan, aparecen bacterias resistentes (usamos
medicamentos antibióticos para combatir enfermedades no caudas por bacterias)
Por eso, a cada momento hay que buscar nuevos antibióticos.
Sin embargo, la mayor parte de las enfermedades infecciosas han dejado de ser causa de mortalidad den el hombre; a finales del s. XIX las principales causas de mortalidad eran neumonía, gastroenteritis y tuberculosis, y hoy son el ataque cardíaco, el cáncer y enfermedades pulmonares.
Pronto se comprobó que algunas enfermedades infecciosas no cumplían los postulados de Koch; no se observaba al microscopio el agente etiológico y no podía cultivarse F 0 E 0debía haber una nueva causa de enfermedades infecciosas.
En 1892, Ivanowski vio que había una enfermedad en vegetales (Mosaico del Tabaco), contagiosa, que no podía estar producida por una bacteria, porque en la savia no había. Vio que s tomaba savia de una planta enferma y eliminaba las sustancias que podía tener pasándola por un filtro bacteriológico (que no deja pasar las bacterias), al inocular lo que se filtraba en una planta sana, contraía la enfermedad.
En 1892, Loeffler y Frosh descubrieron que la glosopeda (fiebre aftosa) se podía transmitir de animales enfermos a sanos por el mismo procedimiento de Ivanowski.
En 1899, Beijerinck afirmó que ambas enfermedades infecciosas estaban producidas por seres vivos distintos de las bacterias, y los llamó ‘contagium vivum fuidum’, porque estaban vivos (tenían la capacidad de multiplicarse) y porque debían tener una forma de dispersión diferente a la de las bacterias, pues los fluidos no eran turbios, sino transparentes. Ahora se llaman virus , invisibles al microscopio óptico. Se ven con el electrónico (1937).
Hay virus que afectan a vegetales, y otros a animales. Más adelante se vio que también hay virus que producen enfermedades que no se consideran infecciosas: algunos producen cáncer. Esto se comprobó en 1911, cuando Rous (discípulo de Pasteur, y que le sucedió) vio que el sarcoma aviar o de Rous podía transmitirse de enfermo a sano inoculándole un extracto celular del enfermo.
En 1915 (Twort) y 1917 (D’Herelle) demostraron que también hay virus que afectan a bacterias: los bacteriófagos (fagos).
En 1975 se descubre el VIH.
Se buscan sustancias (mayormente quimioterápicos) para combatirlos, los antivirales, pero casi todos son tóxicos para el hospedador. Hay que valorar si el peligro de la infección es mayor que el peligro del tratamiento.
Pese a todo esto, la mayor parte de los microorganismos son beneficiosos para todos los seres vivos. Además de producir enfermedades, los microorganismos tienen la capacidad de transformar el medio en el que se encuentran, de modificar compuestos.
ACTIVIDADES QUÍMICAS QUE PUEDEN PRODUCIR LOS MICROORGANISMOS
En 1857, Pasteur descubrió esta capacidad de las bacterias de tomar una sustancia del medio y convertirla en otra. Quería obtener grandes cantidades de ácido láctico para ver sus propiedades; vio que, añadiendo nutrientes (para una bacteria) a una solución de glucosa, la bacteria transformaba la glucosa en ácido láctico. Esta propiedad de transformación no la tiene cualquier bacteria, sino esta en concreto, a la que llamó lactobacillus. Vio que para que la transformación fuera lo más rápida posible, había que cultivar esa bacteria en condiciones de anaerobiosis (sin aire). A esta transformación, que no podía deberse a la respiración porque no había aire, la llamó fermentación, y a ésta en concreto fermentación láctica. Ahora se sabe que hay otras bacterias que también tienen esta propiedad. Si en vez de bacterias ponía levadura, se producía la fermentación alcohólica, que convertía la glucosa en etanol. Y así. Comprobó
además que las leguminosas capaces de mejorar el rendimiento de los suelos eran solamente las que presentaban estos nódulos como consecuencia de la infección. Pero lo más importante que demostraron es que las leguminosas con nódulos radicales son capaces de crecer en suelos donde no hay N 2 , ni nitrato, ni cualquier otra forma de nitrógeno, porque las leguminosas con nódulos radicales son capaces de usar / fijar como nutriente el N 2 que hay en la atmósfera. Los nódulos radicales les dan esa capacidad, pues en el nódulo se convierte en nutriente. Esto tiene una importancia económica (cultivo de leguminosas sin necesidad de añadir amonio) e importancia ecológica (evita las acumulaciones de nitrato en los suelos, que acaban contaminando las aguas).
Se buscaron los microorganismos responsables de la nitrificación y de la fijación del N 2. Winogradski y Beijerinck encontraron las bacterias que llevan a cambo la nitrificación, y vieron que se produce en 2 fases:
1. el amonio es oxidado hasta nitrito NH 4 -^ F 0 E 0NO 2 -
2. el nitrito es oxidado hasta nitrato NH 2 -^ F 0 E 0NO 3 -
Beijerinck aisló los microorganismos responsables de la fijación del N 2 en las leguminosas, y las llamó Bacillus radicicola, hoy Rhizobium. Vieron que hay otras bacterias capaces de oxidar el S en sulfato (bacterias sulfooxidantes), y que otras intervienen en el ciclo del C… En todos estos ciclos de oxidación y reducción de los elementos intervienen bacterias, por eso las bacterias son agentes biogeoquímicos. Sólo hay un compuesto que en los seres vivos no sufre ninguna transformación, y por tanto no tiene un ciclo en la naturaleza: el P, que en todos los seres vivos está en forma de fosfato, y lo excretamos también en forma de fosfato.
Esto dio paso a la Microbiología Agrícola.
Hay bacterias que producen daños a los vegetales y, por tanto, a las cosechas F 0 E 0bacterias fitopatógenas. Una de ellas, Agrobacterium, al infectar a la planta le produce tumores en la corona (unión tallo-raíz), y por eso se llaman ‘agallas de la corona’. Otras especies de Agrobacterium producen otras malformaciones, como el crecimiento desmesurado de las raíces, dando lugar a ‘raíces en melena’. Estas bacterias, una vez infectado el vegetal, transfieren parte de su información genética al núcleo de la célula vegetal, que entonces se divide sin ningún control, dando lugar al cáncer.
A finales del s. XX se comprobó que era posible manipular Agrobacterium, eliminarle el gen que produce el cáncer y sustituirlo por otro, de forma que al infectar la planta le transmite el gen que se ha puesto en su lugar, y no aparece el cáncer. Por tanto, se puede utilizar Agrobacterium para introducir genes en las plantas, para hacer plantas transgénicas (buenas o malas según el gen introducido).
Por ejemplo las leguminosas son deficitarias en el aminoácido metionina, necesario para el hombre, y los cereales son deficitarios en el aa lisina, también necesario (por eso el típico plato combinado de lentejas con arroz, para complementar). Pero hay leguminosas transgénicas a las que se les ha introducido el gen de las gramíneas que produce la metionina, y lo propio con cereales, y así el alimento está completito.
La Biología, en cuanto a los micoorganismos, estudia QUÉ SON, y QUÉ HACEN (estructura, función…).
TEMA 1:
ESTRUCTURA DE LA CÉLULA BACTERIANA
Las bacterias son los únicos seres vivos con organización procariota, y tienen un tamaño muy reducido. La consecuencias de este tamaño son 2: son invisibles al ojo humano (debe usarse microscopios) y es necesario trabajar con poblaciones, cultivos puros de bacterias iguales entre sí.
El microscopio óptico da información sólo sobre el tamaño y forma. Para conocer detalles estructurales debe recurrirse al microscopio electrónico (1940).
El tamaño depende de la especie. Hay dos dimensiones, diámetro y longitud. Para una bacteria determinada, la longitud puede variar en función del momento en que se observe (células más viejas son más largas…), pero siempre oscila entre 0’1 μm (Mycoplasma) y 40-50 μm (Oscillatoria) , pero lo normal es entre 0’5-1’5 μm. La excepción es Epulopisoum fishelsoni, visible a simple vista con un diámetro de 50 μm y longitud de 0’5 μm. El diámetro también varía según especie, pero para la misma bacteria es constante (no cambia por edad ni nada), y va desde 0’1 μm (Micoplasma) hasta 10 μm (Chromatium), y por lo general está entre 0’5-1’0 μm.
Consecuencias derivadas del tamaño:
• son los seres vivos con mayor relación superficie-volumen (más superficie por volumen que tienen), de lo que
se deduce que
• son los seres vivos con mayor velocidad de intercambio de sustancias con el medio (por difusión, desechos
también), y de esto se deduce que
• tienen una alta velocidad de crecimiento
El tamaño de las bacterias es parecido al de los coloides cuando están en disolución; cuando las bacterias están en suspensión en un medio de cultivo, se comportan como partículas coloidales:
• están sometidas permanentemente a movimiento browniano
• son viscosas
• pueden difractar la luz, dando turbiedad a la suspensión
La densidad de la célula bacteriana varía, pero generalmente es 1’07 g/cm 3 , mayor que la del agua, lo que hace que al estar suspendida en agua, tiendan a sedimentar. Esta capacidad de sedimentación se favorece con la centrifugación.
A pesar de ser muy numerosas y diversas, las bacterias son poco diversas morfológicamente. La forma es característica del género bacteriano. Básicamente hay 2 tipos:
• prácticamente redondas F 0 E 0cocos
• alargadas F 0 E 0bacilos
Variaciones:
TEMA 2:
CÁPSULA BACTERIANA O GLICOCÁLIX
Algunas bacterias producen y secretan al medio ciertas sustancias que pueden diluirse fácilmente en el medio, haciéndolo más viscoso, o se quedan formando una capa alrededor de la célula F 0 E 0glicocálix, generalmente se trata de un polisacárido. Cuando está bien definido y adherido a la superficie de la célula, se llama cápsula, y cuado es más difusa y tiende a disolverse en el medio de cultivo, se le llama capa viscosa.
El glicocálix no es una estructura universal, no está en todas las bacterias, y en las que está es una estructura opcional, según las condiciones en que se encuentran. La presencia de glicocálix no depende sólo de la composición del medio de cultivo, sino de la T de crecimiento; cuando crecen a una T inferior a la óptima, forma glicocálix. De esto se deduce que el glicocálix no es vital.
Tiene un índice de refracción casi idéntico al del agua, así que no es visible, y para verla hay que fijarla y teñirla; preparar en un porta una extensión de la bacteria, fijar con calor y teñir la célula con colorante rojo (fuschina o safranina). A célula queda roja, pero no la cápsula; para verla hay que aprovechar la propiedad de la cápsula de repeler otros colorantes, como la tinta china. Cubrimos el porta con tinta china, que quedará en el vidrio del porta, de forma que veremos la cápsula transparente e incolora sobre un fondo negro. Esto sólo sirve para poner de manifiesto la presencia de la cápsula, no para estudiarla. Se tiñe todo menos lo que queremos ver F 0 E 0tinción negativa. Las moléculas que constituyen la cápsula pueden absorber determinadas sustancias opacas a los electrones, como el rojo rutenio; al microscopio se ve la cápsula en negro (al microscopio electrónico no se ven colores), y se puede apreciar que es de naturaleza fibrosa.
El glicocálix está constituido por una sustancia que tiende a disolverse, en mayor o menor medida, en el mediod e cultivo. Por tanto, la forma más fácil de obtener estas sustancias es hacerlas precipitar y luego recogerlas por centrifugación, purificándolas.
Muy pocas bacterias presentan cápsula constituida por proteínas F 0 E 0 Bacillus. La mayoría tiene cápsula formada por polisacáridos monótonos (monómeros, uno o varios residuos de azúcar que se repiten). Los polisacáridos que constituyen las cápsulas pueden ser:
• homopolisacáridos F 0 E 0un solo residuo de azúcar que se repite en toda la molécula
• heteropolisacáridos F 0 E 0varios azúcares (3-17) forman un monómero que se repite. Más frecuente
Ejemplos de homopolisacáridos:
• celulosa
• dextranos: residuos de glucosa que tienen en el extremo un residuo de fructosa
• levanos: residuos de fructosa que tienen en el extremo un residuo de glucosa
La composición químicas de las cápsulas varía enormemente.
¿Cómo se sintetiza y acumula la cápsula? Hay dos opciones:
• como la célula sintetiza la energía en el citoplasma, sintetiza la cápsula en el citoplasma y luego la expulsa al
exterior F 0 E 0NO SIRVE, porque las membranas de las bacterias no pueden ser atravesadas por moléculas de alto peso molecular, no pueden ser atravesadas por polímeros, ni endocitosis
• la célula sintetiza la cápsula fuera, y lo que transporta es la energía necesaria F 0 E 0correcto. Ejemplo: levanos y
dextranos. Sólo producen cápsula cuando hay sacarosa en el medio (galactosa = glucosa-fructosa). Estas bacterias tienen una enzima, la dextran-sacarosa, que excretan al exterior y utiliza la energía de la rotura del enlace glu-fru y la emplea en crear un enlace con otra molécula de sacarosa (glu-glu-glu…). En levanos, la enzima es la levan-sacarosa, e incorpora residuos de fructosa en vez de glucosa.
La Streptococcus mutans es una bacteria patógena en el hombre, produce la caries dental. Tiene cápsula formada por dextranos, la sintetiza cuando hay sacarosa. Las cápsula permite a la bacteria adherirse a la superficie del diente.
En heteropolisacáridos, el mecanismo de síntesis es muy parecido a la síntesis de compuestos de la pared celular.
Funciones y aplicaciones de la cápsula: no es vital. Principalmente tiene funciones ecológicas; protege a las bacterias de la fagocitosis. Griffith trabajaba con Streptococcus pneumoniae. Vio que había 2 estirpes:
• R F 0 E 0produce colonias pequeñas y rugosas
• S F 0 E 0produce colonias grandes, lisas y brillantes
Al inocular R en un ratón, no le producía ninguna enfermedad F 0 E 0estirpe avirulenta. Al inocular S, contraía neumonía y moría F 0 E 0estirpe virulenta.
Las S tienen cápsula, y les confiere virulencia. Por eso a la cápsula se la llama también antígeno o factor de virulencia. Las S son virulentas porque no pueden ser fagocitadas.
• favorece la virulencia de las bacterias (al protegerlas frente a fagocitosis)
• favorece la adhesión a superficies (S. mutans)
• protege frente a virus
• protege frente a condiciones de desecación; los materiales que consituyen la cápsula son muy higroscópicos,
absorben gran cantidad de agua
Los materiales que constituyen la cápsula son útiles, sobre todo en la industria alimentaria. Los polisacáridos de la cápsula son solubles en agua, y confieren a las disoluciones propiedades curiosas:
• esas soluciones son pseudoplásticas, cambian su viscosidad sin que cambie la T. Tienen menor viscosidad
cuando se agitan (tinta del bolígrafo, yogur…)
Estas bacterias que sólo tienen capa S como pared celular tienen propiedades muy parecidas a las bacterias primitivas, y por eso se las llama Arqueobacterias: viven en ambientes hostiles, como anaerobios (bacterias formadoras de metano), hipersalinos (halófilas), T extremas (termófilas)…
Las Arqueobacterias y las Eubacterias (el resto) constituyen líneas evolutivas tan diferentes entre sí como cualquiera de ellas con los eucariotas
Bacteria Arqueas Eucariotas
Concretamente, las Arqueas Gram – son las que tienen la capa S como único componente de la pared celular.
Para ver el resto de la pared celular se elimina la capa S (fácil). Sumergemos una preparación irregular en un producto opaco a los electrones, como tetróxido de osmio (OsO 4 ). Cubrirá las zonas de la preparación que no estén elevadas, mayor espsor cuando mayor la profundidad de la región. Al microscopio se verán unas zonas transparentes (elevadas) y otras opacas (zonas profundas). Se aprecia que hay unas bacterias con una pared celular que no tiene entrantes ni salientes, la superficie es lisa F 0 E 0bacterias Gram +. En las Gram – tiene un aspecto cerebriforme, típico de las membranas F 0 E 0al quitar la capa S se ve una capa con estructura de membrana, por lo que se llama membrana externa, y debajo de ella una capa rígida
Gram + Gram -
La composición química de ambas difiere.
Gram +: peptidoglicano por toda la pared celular, y ácidos teicoicos, también por toda la pared. Forman la corteza opaca a los electrones, por fuera de la membrana citoplasmática. En algunas también hay polisacáridos.
Gram -: peptidoglicano constituyendo esa capa opaca a los electrones y más próxima a la membrana. Proteínas, lípidos y lipopolisacáridos en su membrana externa
El peptidoglicano, los ácidos teicoicos y los lipopolisacáridos son exclusivos de estas bacterias.
PEPTIDOGLICANO: heteropolisacárido formado por 2 azúcares, N-acetil-glucosamina (básico) y ácido N-acetil- murámico (ácido). Este último tiene un residuo de ácido láctico que hace que tenga libre un grupo COO -^. El polisacárido alterna
G – M – G – M – G – M - …
COO-^ COO-^ COO-
A los grupos COO -^ se une una cadena de 4 aa, los más frecuentes: L-alanina, ácido D-glutámico, ácido meso- diaminopimélico y D-alanina:
G – M – G – M – G – M - …
COO-^ COO-^ COO-
L-ala
ác. D-glu
ác. diam
D-ala
Las cadenas de peptidoglicano se unen entre sí mediante enlaces. En el último residuo de ácido murámico hay un COO - libre en posición 4, y en la cadena paralela un grupo amino libre en posición 3, en el ácido diaminopimélico; entre ellos forman un enlace peptídico.
En las Gram – el enlace se hace directamente entre el aa en posición 4 de una cadena y el 3 de otra. En las Gram + no se hace directamente, sino que se intercala una cadena de aa (5 residuos de glicina) F 0 E 0puente interpeptídico. Esto hace que las cadenas de peptidoglicano estén más separadas en Gram + que en Gram -.
El peptidoglicano es el responsable de la forma de la bacteria y de que resista el choque osmótico.
La lisozima (presente e saliva, lágrimas…) rompe el enlace peptídico F 0 E 0destruye el peptidoglicano, es anti-bacterias.
Cuando una célula es tratada con lisozima y el peptidoglicano se destruye, lo que queda es un protoplasto : pierden la forma y son sensibles al choque osmótico.
Síntesis de peptidoglicano: el peptidoglicano está fuera de la membrana, no puede atravesarla. Su síntesis requiere de energía, y las células obtienen la energía en el citoplasma. Debe sintetizarse parte fuera de la célula utilizando energía del interior celular. La síntesis tiene lugar en 3 compartimentos:
1. citoplasma F 0 E 0en el citoplasma se sintetizan la N-acetil-glucosamina y el ácido N-acetil-murámico, junto con la
cadena de aa que está unida al M, sólo que esta cadena tiene 5 aa; L-ala, D-glu, DAD, D-ala y de nuevo D-ala
2. membrana F 0 E 0aquí se alarga la cadena, se van incorporando monómeros
3. extracelular F 0 E 0‘amarra’ las cadenas de peptidoglicano una vez fuera
La síntesis se inicia a partir de la fructosa 6-P, que se convierte en N-acetil-glucosamina con un grupo P unido, lo que le da energía. Algunas moléculas de este N-ac. Glu.-P se transforman en ácido N-acetil-murámico, unido a UDP. A este ácido UDP-N-acetilmurámico se van incorporando los distintos aa, hasta los 2 residuos de D-alanina. Al final tenemos el ácido UDP-N-acetilmurámico con la cadena de 5 aa F 0 E 0nucleótido de Park. En el citoplasma, la N-acetil-glucosamina se une al nucleótido de Park, utilizando la energía que se libera cuando la G pierde el grupo P. Lo que queda es
UDP-M – G
5 aa Este compuesto es transportado a la membrana citoplasmática porque en ella hay un lípido, el undecaprenil-fosfato (o bactoprenol-P, sólo presente en bacterias), que tiene 5 átomos de C, C 55 -P, y tiene la capacidad de captar ese complejo formado en el citoplasma. Esta unión requiere energía, procedente de la hidrólisis del enlace de la UDP con la G. Se van añadiendo nuevas unidades, el peptidoglicano va creciendo. Cuando ha alcanzado una longitud, el lípido gira, y la parte que antes miraba al interior ahora queda al exterior, fuera de la célula; entonces el lípido se hidroliza y se separa del peptidoglicano. Las cadenas que están en el exterior están sueltas, deben unirse unas a otras
glicerol ribitol
Los glicerol está unidos por fosfatos, de forma que la cadena es realmente de glicerol-P. Los ribitol también se unen por puentes de P.
En el caso del glicerol, queda un grupo OH libre que se puede unir a distintos constituyentes (aa, etc.), dando lugar a distintos tipos de ácidos teicoicos. En el caso del ribitol, quedan 3 OH libres.
Funciones de los ácidos teicoicos: son antígenos; cuando penetran en el cuerpo de un vertebrado, éste produce anticuerpos hacia él. Si se obtienen anticuerpos de los ácidos teicoicos y las bacterias gram + son tratadas con esos anticuerpos, la bacteria reacciona con ellos F 0 E 0los ácidos teicoicos asoman a la superficie de la bacteria. Y si antes tratamos a la bacteria con lisozima (rompe el peptidoglicano), la reacción del anticuerpo en la bacteria se hace más intensa. Se deduce que el peptidoglicano tapa a los ácidos teicoicos, o sea, están enmascarados en el peptidoglicano, lo atraviesan y asoman a la superficie. También actúan de canales cargados que permiten que moléculas cargadas puedan atravesar la capa de peptidoglicano y llegar a la membrana citoplasmática (canales hidrófilos). Tamién actúan de receptores para virus que infectan a la bacteria.
Por tanto, la pared de las gram + consta de una capa de peptidoglicano atravesada por ácidos teicoicos, y encima la capa S.
Pared de las Gram -: están limitadas por 2 membranas, la citoplasmática y la membrana externa, que forma parte de la pared celular, y entre ambas una capa de peptidoglicano, más fina y sin ácidos teicoicos.
Membrana externa: difícil de aislar porque es muy parecida (en cuanto a estructura) a la membrana citoplasmática. Tiene la composición típica de las membranas: lípidos y proteínas.
Las proteínas son muy diferentes de las de la membrana citoplasmática. Son omp (proteínas de la membrana externa). Sólo hay 2 tipos:
• porinas
• proteínas canal
No están en la membrana citoplasmática. Ambas facilitan el paso, a través de la membrana, de determinadas moléculas. La mayoría de los compuestos que usan las bacterias son hidrófilos, pero la membrana es una bicapa lipídica hidrófoba, de forma que no podrían atravesarla; lo hacen por las porinas y proteínas canal. Las porinas están agrupadas de 3 en 3 o de 5 en 5, formando un poro en el centro. Los poros son inespecíficos; puede pasar cualquier molécula que quepa. Las proteínas canal son específicas; una proteína canal permite el paso de una molécula determinada, y no de otra.
De los lípidos también hay dos clases:
• fosfolípidos, iguales a los de la membrana citoplasmática
• lipopolisacáridos, específicos
Los fosfolípidos están en la membrana interna, junto al peptidoglicano, y los lipopolisacáridos en la parte externa de la membrana. Los lipopolisacáridos san a la bacteria unas propiedades especiales. La membrana externa y el peptidoglicano se unen por lipoproteínas.
Los lipopolisacáridos tienen 2 regiones diferenciadas; una hidrófoba, con naturaleza de lípido (lípido A), y otra polisacarídica. El lípido A es prácticamente igual en todas las gram -, pero el polisacárido difiere entre especies e incluso estirpes.
Lípido A: como en casi todos los lípidos es la unión de alcoholes y ácidos grasos, pero en el lípido A los alcoholes son azúcares, un disacáridos de 6 C, la glucosamina. Las 2 glucosaminas se unen por enlace fosfodiéster (2P). Cada uno de los OH libres de las glucosalimas tienen un ácido graso. Los ác. grasos tienen un número par de C, y en el Cß de algunos existe un grupo OH; de este OH depende la toxicidad del lípido A
Polisacárido: unido a uno de los OH. Está dividido e 2 regiones:
• núcleo del polisacárido: constituido por 3 regiones,
• KDO: formado por 1, 2 o 3 unidades del azúcar KDO (ácido ceto-desoxi-octónico). Es la parte más
interna, la que se une al lípido A
• heptulosa: formada por 2 unidades de dicho azúcar
• región R: formada por 5 unidades de azúcares
• antígeno O o cadena lateral O:: heteropolisacárido formado por la repetición de un monómero de composición
variable según bacteria
El lipopolisacárido es la región más externa de la membrana externa, y por tanto de toda la pared celular de gram -.
Propiedades que da el lipopolisacárido a la bacteria:
• antigenicidad (distinta según bacteria)
• toxicidad: cuando un organismo animal es infectado por una gram -, padece los síntomas de la enfermedad en
cuestión, pero siempre hay 2 síntomas comunes a las infecciones por gram -,
• acidosis (acumulación de ácido láctico en sangre)
• destrucción celular
Ambos síntomas se deben a la presencia del lípido A.
Cuando gram – infecta una célula animal, es englobada por fagocitosis y su contenido se libera al citoplasma, entre ellos el lípido A, que tiene afinidad por las membranas del interior de la célula y se inserta en ella. Cuando se une a la membrana mitocondrial, provoca la desorganización de la membrana interna mitocondrial, donde ocurre la fosforilación oxidativa. La célula deja de sintetizar ATP; se acumula ADP y NADH en la célula. La célula desencadena mecanismos para oxidar el NADH a NAD, porque a altas concentraciones es tóxico para la célula; para ello reduce el piruvato a ácid láctico (de ahí la acidosis). Cuando esto no es suficiente tiene lugar la NADH-oxidasa, que oxida NADH a NAD reduciendo O 2 a 2 sustancias altamente tóxicas para la bacteria: H 2 O 2 y radicales siperóxido (O (^) D-), que son tan oxidantes que queman a la célula (por eso la destrucción celular).
Las arqueas Gram + tienen la misma pared de las bacterias Gram +, pero con pseudopeptidoglicano.
Las bacterias Gram – son impermeables a sustancias que pueden entrar en Gram +, porque éstas no tienen membrana externa, Ejemplo: ciertos antibióticos no actúan sobre las gram – porque no pueden penetrar en la célula por la membrana externa, pero sí pueden entrar en gram +. Modificando la molécula de la penicilina, ésta puede pasar por las porinas.
Comportamiento frente a la tinción de Gram:
• Gram +: aparecen de color violeta, el primer colorante que se le aplica; resisten el tratamiento con alcohol. El
alcohol deshidrata el peptidoglicano y éste se compacta, impidiendo que el violeta salga de la célula
• Gram -: el alcohol no llega al peptidoglicano porque la membrana externa es hidrófoba, y pierden el violeta.
Luego aceptan el rojo
SISTEMAS DE TRANSPORTE ACTIVO: la mayor parte de los mecanismos de transporte de la bacteria son activos, sistemas por los que las moléculas se mueven desde el medio donde están más diluidas a donde están más concentradas, en contra de gradiente. Requieren energía. Hay 3 tipos según la energía que consumen:
• Transporte activo secundario: consume energía física, prácticamente eléctrica. Para que ocurra es necesario
que antes se haya producido un transporte primario, que consiste en la salida de H +^ al exterior celular. Esto se produce durante la respiración de la célula; los protones se acumulan en la parte externa de la célula, y como provienen del agua, dentro de la célula quedan iones OH -^. La cara externa de la célula queda cargada positivamente, y la interna negativamente F 0 E 0se genera una diferencia de potencial, que es una forma de energía, y al mismo tiempo se genera un gradiente de H +^ hacia el interior celular (están más concentrados por fuera de la célula que en el interior). Con la entrada de H +^ se libera energía (la diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana disminuye). Los H +^ tienen carga, sólo pueden entrar por aquellos puntos de la membrana con proteínas: ATPasa y permeasas. Entran H +^ a favor de un gradiente de concentración, y la proteína aprovecha esa energía liberada por el H +^ para que otra molécula pase en contra de gradiente,
• Simporte F 0 E 0el visto. Es el movimiento de 2 moléculas movidas por la misma permeasa y en la misma
dirección
• Antiporte F 0 E 02 solutos se mueven en sentidos opuestos; la permeasa introduce H +^ y usa esa energía
para expulsar alguna sustancia al medio, como Na +^ (tóxico para las bacterias)
• Uniporte F 0 E 0movimiento de una sola molécula a través de una permeasa, como K+^ (va desde + a -)
• Sistema dependiente de ATP (o sensible al choque osmótico frío): consume energía química. Sólo en gram (-),
que tienen periplasma. Hacen falta 3 proteínas: permeasa, PBP o proteínas de unión del periplasma (espacio entre la membrana externa y la pared) y ATP-hidrolasa. La proteínas del periplasma, PBP, se une al soluto. Muchas PBP se van uniendo al soluto y lo acumulan dentro del periplasma, cerca de la permeasa; las PBP la unen a la permeasa, de forma que las PBP quedan libres y el soluto queda dentro de la permeasa. Cuando se hidroliza el ATP, la energía liberada es transferida a la permeasa, cambiando ésta de configuración y permitiendo que el soluto entre en el citoplasma. Cuando una bacteria es sometida a un choque osmótico a baja T (3-4 ºC), la membrana externa se desorganiza, y lo que hay en el periplasma se escapa, incluyendo las PBP.
• Por translocación de grupo: exclusivo de bacterias, y el más utilizado. Consiste en ‘engañar’ a la célula. Una
bacteria quiere incorporar glucosa, que siempre está más diluida en el medio. Incorpora una molécula de glucosa transformada, una glucosa-fosfato. Para ello la glucosa transfiere un P en el momento de la entrada. Así entra casi todos los azúcares. Este en concreto es un sistema fosto-transferasa; desde le interior celular se transfiere a la molécula un grupo P al mismo tiempo que entra por la permeasa (no hay diferencia de gradiente porque a ambos lados de la membrana hay moléculas distintas, glucosa y glucosa-fosfato). La permeasa fosforila la glucosa. El se obtiene del ácido fosfoenol-pirúvico, que lo pierde en la glucolisis. Por tanto, en las bacterias la glucolisis nunca empieza con la fosforilación de la glucosa, porque ya está fosforilada
TEMA 5:
EL FLAGELO
Es el órgano de locomoción que tienen las bacterias. No todas las bacterias pueden moverse. Las bacterias que pueden son de 3 tipos:
• nadan en el líquido, tienen flagelo
• deslizan sobre superficies sólidas
• contraen y dilatan el cuerpo celular (cocos)
El flagelo procariótico es totalmente distinto en cuanto a estructura y comportamiento del eucariótico. No es visible al microscopio óptico, su diámetro está por debajo del poder resolutivo del mismo. Algunas técnicas aumentan el diámetro y lo hacen visible, recubriendo al flagelo de alguna sustancia:
• técnicas de impregnación argéntica (recubrirlo con plata)
• recubrirlo con proteínas que hacen que los anticuerpos se adhieran al flagelo
Técnicas de microscopía electrónica: tinción negativa o impregnación metálica.
Es una estructura ondulada que sale del cuerpo celular. La longitud de onda y la amplitud en constante para cada bacteria, excepto las bacterias del género Vibrio, que tienen flagelos cuya longitud de onda se hace mayor a medida que se aleja del cuerpo celular, y la amplitud se va haciendo menos.
Bacterias atricas F 0 E 0carecen de flagelo. Bacterias monotricas F 0 E 01 sólo flagelo que puede estar en un extremo celular (flagelo polar), en el centro (flagelo central) o entre el extremo y el centro (flagelo subterminal). Bacterias lofotricas F 0 E 0un haz de flagelos en el extremo celular. Bacterias anfitricas F 0 E 01 o varios flagelos en los dos extremos celulares. Bacterias peritricas F 0 E 0numerosos flagelos por toda la superficie celular.
Los flagelos son muy abundantes en bacilos, vibrios y espirilos (células alargadas), pero muy raros en cocos.
Al flagelo se le denomina antígeno H porque la proteína que constituye los filamentos es antigénica y es específica para cada bacteria. Las bacterias flageladas crecen formando un vaho (H F 0 E 0Haush = vaho).
Los flagelos pueden aislarse de dos formas:
• cortando: agitar bruscamente el cultivo. Como el flagelo es de naturaleza proteica y ripídica, es frágil.
Contituido por una línea más o menos ondulada de naturaleza proteica
• arrancando: destruyendo todas las estructuras superficiales. Por ejemplo, con lisozima se destruye el
peptidoglucano, con detergentes se destruyen las membranas
Se comprueba que el flagelo es una estructura compleja con 3 regiones:
• Filamento, zona alargada. Se prolonga, dando el carácter ondulado
• Codo o gancho, zona donde el flagelo forma un codo
• Cuerpo basal, región inserta en las envolturas celulares. Es una serie de anillos unidos por una varilla
y a su vez unido al codo
