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Lección 2.- La pared bacteriana
Características generales; estructura y función. Fundamento de la tinción de Gram. Biosíntesis del peptidoglicano. La pared de las bacterias Grampositivas. La pared de las bacterias Gramnegativas.
Tanto las células bacterianas como las células vegetales deben su forma y rigidez a la existencia de una pared celular.
En concreto la existencia de una pared en los procariotas se puso de manifiesto relativamente pronto cuando se observó que por efecto de ciertas sustancias las bacterias perdían con una cierta facilidad su forma y se hacían sensibles a los cambios de presión osmótica.
Utilizando una serie de principios experimentales simples como son la inhibición de la síntesis de la pared por efecto de la penicilina o la destrucción de la pared por efecto de la lisozima y algunos otros se ha determinado
- la composición de la pared
- la síntesis de la pared
- La acción de determinados antibióticos.
Las bases de estos estudios arrancan en los años 50 con las experiencias de SALTON quien aisló y observó paredes celulares de las bacterias y demostró que la pared bacteriana era la responsable de la forma de las bacterias. Mediante la utilización de lisozima y manteniendo ciertas propiedades en el ambiente se obtenían protoplastos que se comportaban como un glóbulo rojo en el sentido de ser osmosensible. Los protoplastos eran siempre esféricos y si la bacteria tenia flagelos estos se conservaban aunque los protoplastos no pueden moverse (posiblemente la pared actúa como punto de apoyo del flagelo). Sin embargo los
protoplastos metabolizan tal y como lo hacia la bacteria del que se originaron, e, incluso, en determinadas condiciones pueden reproducirse.
La pared celular puede aislarse con relativa facilidad provocando una rotura celular (por ultrasonidos o ciclos de congelación descongelación, u otro método de disrupción celular) Cuando un cultivo en el que se han destruido la integridad celular se somete a centrifugación, aparece un sedimento blanquecino que mayoritariamente se compone de paredes celulares y materiales unidos a la pared.
En 1884 Christian GRAM describió una coloración que permite distinguir dos tipos mayoritarios de bacteria que conocemos con el nombre de bacterias GRAMPOSITIVAS y GRAMNEGATIVAS. La distinta reacción a la coloración de Gram se basa en diferencias importantes con respecto a la estructura de las envolturas celulares bacterianas que iremos viendo a lo largo de este capítulo.
Salton realizó análisis químicos de los componentes (o presuntos componentes) de la pared celular y rápidamente observó que los componentes mayoritarios de esta estructura eran azocares y aminoácidos, aunque también detectó la presencia de lípidos. Trabajos posteriores realizados por otros autores, mostraron sin embargo que la composición química de la pared era más sencilla que lo que cabia esperar a la luz de los resultados de Salton. Posiblemente porque los autores posteriores mejoraron considerablemente los procesos de purificación en el laboratorio del material de la pared con lo que sus preparaciones estaban menos contaminadas con materiales procedentes de otras estructuras celulares. Estos trabajos fueron gradualmente demostrando que, en realidad la pared se componía únicamente de dos azúcares y 3 0 4 aminoácidos. En diversas ocasiones se describieron otros componentes cuya pertenencia a la pared celular fue inmediatamente descartada por trabajos posteriores. Los dos azúcares de la pared son similares a la glucosa con un grupo amino (glucosamina). La glucosamina es un aminoazúcar relativamente frecuente en muchas estructuras:
Una vez conocidos los componentes que forman parte de la pared celular correspondía saber en que forma se encontraban estos formando parte de esta compleja estructura. Alexander Fleming seis años antes de descubrir la penicilina había observado que las lágrimas, la saliva y las secreciones nasales tenían la propiedad de lisar algunas bacterias especialmente Micrococcus lysodeikticus. Esta actividad fue atribuida a un enzima denominado lisozima que con posterioridad ha sido ampliamente utilizado en estudios acerca de la pared celular.
Salton demostró que la lisozima disuelve las paredes bacterianas rompiendo los puentes que unen los aminoazúcares. En aquel momento diversos grupos de investigadores comenzaron a ocuparse de la pared de las bacterias estableciendo una serie de consideraciones de carácter general:
- Las paredes están constituidas por dos tipos de polímeros uno formado por unidades glucídicas i el otro similar a las proteínas.
- La porción glucídica consta de largas cadenas de N-acetil glucosamina y N. acetil murámico unidas entre sí por enlaces ß:1-4.
- El polisacárido recuerda en cierto modo a la celulosa de las plantas y a la quitina de los insectos.
- La pared es insoluble en agua, es resistente a muchos enzimas particularmente a los enzimas proteolíticos como la tripsina o la pepsina. Esta resistencia a los enzimas podía ser debida a la especial configuración de los aminoácidos (formas d) o a sus enlaces pero obviamente cumple una función de protección muy importante de las bacterias frente a estos enzimas.
La clave de este complicado sistema fue descubierta por PARK en 1949 cuando observó que las bacterias que crecían en presencia de penicilina acumulaban en el medio de cultivo una serie de substancias de naturaleza desconocida y de complejidad variable. Unos años más tarde PARK y STROMINGER definieron la estructura de estas substancias.
En 1957 estos autores formularon una hipótesis: Los productos que se acumulan bajo la influencia de la penicilina no son otros que los intermediarios en la síntesis de la pared celular o peptidoglicano. Por lo tanto la acción de la penicilina seria , en realidad, una interferencia en el proceso de síntesis; esto está de acuerdo con el hecho de que la penicilina sólo actúa sobre bacterias que se encuentran creciendo activamente y es totalmente atóxica para organismos superiores que carecen de paredes bacterianas. Los trabajos de Park y Strominger utilizando Staphylococcus aureus fueron determinantes en el establecimiento de la naturaleza del peptidoglicano. Cuando S. aureus crece a concentraciones subletales de penicilina se producen distintas moléculas de las cuales la más compleja se conoce en la actualidad con el nombre de nucleótido de Park y parece ser la unidad estructural del peptidoglicano.
La síntesis del peptidoglicano tiene lugar en tres etapas claramente diferenciadas. Cada una de ellas tiene lugar en distinto compartimento celular.
- La primera etapa tiene lugar en el citoplasma de la bacteria y consiste en un ensamblaje secuencial del nucleótido de park. Es un proceso catalizado por enzimas citoplasmáticos.
- La segunda etapa consiste en un transporte de la subunidad formada en la etapa anterior desde el citoplasma al exterior. Este transporte se basa en realidad en una transferencia desde el UDP a un constituyente lipídico de la membrana celular.
- Finalmente la tercera etapa se basa en transferir la subunidad completa a la zona de crecimiento de la pared.
En los párrafos posteriores vamos a describir con cierto detalle este proceso puesto que su conocimiento es básico para la comprensión de los mecanismos de acción de la mayoría de los antibióticos.
