Bacterias: Conceptos Básicos PDF

Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Sherris & Ryan. Microbiología Médica, 8e CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos INTRODUCCIÓN Descripción general Las bacterias son las células vivientes independientes más pequeñas y versátiles. Este capítulo examina las características estructurales, metabólicas y genéticas que contribuyen a la ubicuidad y diversidad de este gran grupo de microorganismos. La descripción que sigue se centra en las características de la diminuta franja del mundo bacteriano que causa enfermedades en los seres humanos. El objetivo es proporcionar los antecedentes y el vocabulario fundamentales para comprender cómo las bacterias patógenas despliegan sus productos estructurales y metabólicos para confundir al sistema inmunitario y producir lesiones en los hospederos humanos que invaden. Estos mecanismos se explican en los 20 capítulos siguientes. ESTRUCTURA BACTERIANA Como se analizó en el capítulo 1, en la jerarquía de los agentes infecciosos, las bacterias son los organismos más pequeños capaces de vivir en forma independiente. En el mundo más amplio de los microbios se sigue considerando que su célula procariota proporciona el tamaño mínimo posible para un organismo que se reproduce de manera independiente. Los individuos de diversas especies bacterianas que colonizan o infectan a los humanos van de 0.1–10 μm en su dimensión más grande (sin embargo, las bacterias más grandes descritas pueden alcanzar las 300 μm). Como se presenta en la figura 1–2, las bacterias se superponen en cuando menos una dimensión con los virus grandes y con algunas células eucariotas, pero son las únicas que miden 1 μm. Las bacterias abarcan un rango de tamaño de 1–10 μm. El pequeño tamaño y la naturaleza casi incolora de las bacterias demandan el uso de tinciones para su visualización con un microscopio óptico o con microscopio electrónico. Las principales formas que adoptan son esferas, bastones, bastones doblados o curvos, y espirales (figura 21–1 AE). Las bacterias esféricas u ovaladas se denominan cocos, y se organizan en racimos o cadenas. Los bastones se denominan bacilos y pueden ser rectos o curvos. Los bacilos que son pequeños y pleomorfos al grado de parecer cocos, a menudo se llaman cocobacilos. Las bacterias con forma espiral pueden ser rígidas o flexibles y sinuosas. Figura 21–1. Formas de las bacterias. A. Staphylococcus aureus, cocos organizados en racimos; micrografía electrónica de barrido (SEM, scanning electron micrograph). B. Streptococcus del grupo B, cocos dispuestos en cadenas; SEM. C. Especie de Bacillus, bastones rectos; tinción de Gram. D. Espiroquetas, contraste de fases, SEM. E. Vibriones, bastones curvados, SEM. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 1 / 51 Formas de las bacterias. A. Staphylococcus aureus, cocos organizados en racimos; micrografía electrónica de barrido (SEM, scanning electron Universidad Pontificia Bolivariana micrograph). B. Streptococcus del grupo B, cocos dispuestos en cadenas; SEM. C. Especie de Bacillus, bastones rectos; tinción de Gram. D. Access Provided by: Espiroquetas, contraste de fases, SEM. E. Vibriones, bastones curvados, SEM. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Las bacterias exhiben formas de esferas, bastones y espirales. Al margen de la forma general de la célula, el tamaño de 1 μm no es suficiente para acomodar la mitocondria, núcleo, aparato de Golgi, lisosomas y retículo endoplásmico eucariotas en una célula que en sí misma sólo llega al tamaño de una mitocondria promedio. La solución es el diseño único de la célula bacteriana procariota. En la figura 21–2 se presenta una célula bacteriana general. Las principales estructuras de la célula pertenecen a la envoltura de múltiples capas y sus apéndices, o al núcleo bacteriano interior que consiste en el nucleoide (o cuerpo nuclear) y el citoplasma. El citoplasma es análogo al de las células eucariotas, pero debido a que no existe un núcleo, no está separado claramente del material genético. La naturaleza química general del diseño de las bacterias incluye las macromoléculas familiares de la vida (DNA, RNA, proteína, carbohidrato y fosfolípido), además de algunas macromoléculas particulares de las bacterias, como el peptidoglucano, lipopolisacárido (LPS, lipopolysaccharide) y el ácido lipoteicoico que se encuentran en sus paredes celulares. El tamaño pequeño y la sencillez del diseño de las bacterias contribuyen a la capacidad de la actividad metabólica del citosol para crecer a una velocidad mucho mayor respecto a las células eucariotas, una característica importante para la producción de enfermedades. Figura 21–2. Célula bacteriana procariota. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 2 / 51 Figura 21–2. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Célula bacteriana procariota. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). ✺ El diseño procariota incluye envoltura, apéndices, citosol y nucleoide. [Nota para el lector: con el símbolo ✺ se ponen de relieve los conceptos que es probable se incluyan en las preguntas USMLE paso 1] La naturaleza química es similar a la de las células eucariotas, además de contar con componentes únicos. Su diseño facilita un rápido crecimiento. ENVOLTURA Y APÉNDICES Las bacterias tienen un interior muy simple y un exterior complejo. Esto se puede entender con facilidad al apreciar que la envoltura no sólo protege a la célula contra las amenazas químicas y biológicas de su ambiente, sino que también constituye la localización de muchos procesos metabólicos que son característicos de los organelos internos de las células eucariotas. Las estructuras en la envoltura y ciertos apéndices también median la unión con las superficies de las células humanas, lo cual es el primer paso en la enfermedad. Algunas de estas características se presentan en el cuadro 21– 1 en relación con los tipos de paredes celulares de las bacterias principales. Cuadro 21–1. Componentes de las células bacterianas. TIPO DE PARED CELULARa ESTRUCTURA COMPOSICIÓN GRAMNEGATIVAS GRAMPOSITIVAS NINGUNAb Polisacárido o polipéptido +o− +o− − + − − − Envoltura Cápsula (capa mucilaginosa) Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Pared 21: Bacterias. Conceptos básicos, + CAPÍTULO ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Membrana externa Proteínas, fosfolípidos y lipopolisacárido + Page 3 / 51 con las superficies de las células humanas, lo cual es el primer paso en la enfermedad. Algunas de estas características se presentan en el cuadro 21– Universidad Pontificia Bolivariana 1 en relación con los tipos de paredes celulares de las bacterias principales. Access Provided by: Cuadro 21–1. Componentes de las células bacterianas. TIPO DE PARED CELULARa COMPOSICIÓN GRAMNEGATIVAS GRAMPOSITIVAS NINGUNAb Polisacárido o polipéptido +o− +o− − + + − + − − + +c − + − − Proteínas, fosfolípidos + + + Pili (fimbrias) Proteína (pilina) +o− +o− − Flagelos Proteínas (flagelina y otras) +o− +o− − Polirribosomas, proteínas, + + + + + + +o− +o− +o− − +o− − ESTRUCTURA Envoltura Cápsula (capa mucilaginosa) Pared Membrana externa Proteínas, fosfolípidos y lipopolisacárido Capa de peptidoglucano Peptidoglucano (+ ácido teicoico en bacterias grampositivas) Periplasma Proteínas y oligosacáridos en solución Membrana celular Apéndice Núcleo bacteriano Citosol carbohidratos (glucógeno) Nucleoide DNA con RNA y proteínas relacionadas Plásmidos DNA Endoesporas Todos los componentes celulares, más dipicolinato y componentes especiales de la envoltura a + indica que la estructura está presente de manera invariable; – señala que está ausente de manera invariable; + o – indica que la estructura está presente en algunas especies o cepas y ausente en otras. b Mycoplasma y Ureaplasma. c En Mycobacterium forma un complejo con ácidos micólicos y otros lípidos. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: yBacterias. Conceptos básicos, La envoltura los apéndices llevan a cabo múltiples funciones. ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Cápsula Page 4 / 51 b Mycoplasma y Ureaplasma. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: c En Mycobacterium forma un complejo con ácidos micólicos y otros lípidos. La envoltura y los apéndices llevan a cabo múltiples funciones. Cápsula Muchas células bacterianas se rodean con algún tipo de gel hidrófilo. Con frecuencia, esta capa es gruesa; comúnmente es más gruesa que el diámetro de la célula. Debido a que es transparente y no se tiñe con facilidad, esta capa no se aprecia a menos que se haga visible debido a su capacidad para excluir sustancias particuladas, como la tinta china o el rojo de rutenio o tinciones capsulares especiales (figura 21–3). Si el material de la cubierta forma una capa razonablemente discreta, se le denomina cápsula; si tiene una apariencia amorfa, se le conoce como capa mucilaginosa. Casi todas las especies bacterianas son capaces de sintetizar ese material en algún grado. La mayoría de las cápsulas son polisacáridos formados con tipos simples o múltiples de residuos de azúcar; unos cuantos son polipéptidos simples. Las cápsulas proporcionan cierta protección general a las bacterias, pero su función principal en las bacterias patógenas es protegerlas del sistema inmunitario. Figura 21–3. Cápsula bacteriana. Esta cápsula, que rodea las células de Klebsiella pneumoniae, se ha teñido de rojo. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). ✺ En general, las cápsulas hidrofílicas son polisacáridos. ✺ La cápsula protege contra el sistema inmunitario. Pared celular Dentro de la cápsula (si existe una), pero aun fuera de la célula en sí, una pared celular rígida rodea a todas las células eubacterianas, excepto aquellas que carecen de pared, como Mycoplasmas y Chlamydias. La estructura y función de la pared bacteriana es un sello distintivo de las procariotas; no se encuentra nada parecido en ningún otro microorganismo. Esta pared protege a la célula de las alteraciones mecánicas y evita que estalle a causa de la presión de turgencia producida por la hipertonicidad del interior de la célula en relación con el ambiente. También proporciona una barrera contra ciertos agentes químicos y biológicos tóxicos; su forma es responsable de la apariencia de la célula. En general, una pared bien construida protege a estas células diminutas y frágiles contra las agresiones químicas y físicas, al mismo tiempo que permite el intercambio expedito de nutrientes y subproductos metabólicos requeridos para el rápido crecimiento. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ✺ La McGraw estructura pared celular previene lisis osmótica y determina la forma. ©2024 Hill.de Allla Rights Reserved. Terms ofla Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 5 / 51 procariotas; no se encuentra nada parecido en ningún otro microorganismo. Esta pared protege a la célula de las alteraciones mecánicas y evita que estalle a causa de la presión de turgencia producida por la hipertonicidad del interior de la célula en relación con el ambiente. También proporciona Universidad Pontificia Bolivariana una barrera contra ciertos agentes químicos y biológicos tóxicos; su forma es responsable de la apariencia de la célula. EnProvided general, Access by: una pared bien construida protege a estas células diminutas y frágiles contra las agresiones químicas y físicas, al mismo tiempo que permite el intercambio expedito de nutrientes y subproductos metabólicos requeridos para el rápido crecimiento. ✺ La estructura de la pared celular previene la lisis osmótica y determina la forma. La evolución de las bacterias ha conducido a dos soluciones importantes para la estructura de la pared celular. Aunque en la actualidad se conoce bien la base estructural detallada de ambas, la separación deriva de su reacción a un procedimiento específico de tinción denominado tinción de Gram (véase Tinción de Gram, en el capítulo 4). Casi todas las bacterias con paredes se pueden asignar ahora a una categoría Gram, incluso si no es posible visualizarlas con la tinción misma debido a razones técnicas. Los ejemplos incluyen a los agentes causales de la tuberculosis y de la sífilis. Mycobacterium tuberculosis (grampositiva) tiene lípidos en su pared celular que resisten la captación de la mayoría de las tinciones. Treponema pallidum (gramnegativa) absorbe las tinciones de manera deficiente, y también es demasiado delgada para obtener resolución en el microscopio óptico sin iluminación especial. En estos casos, la categorización de Gram se basa en el microscopio electrónico (figura 21–4) y en el análisis químico de la pared celular. Figura 21–4. Paredes celulares grampositivas y gramnegativas. M, capa de peptidoglucano M o capa de mureína; OM, membrana externa (outer membrane); P, espacio periplásmico; PM, membrana plasmática (plasma membrane); W, pared de peptidoglucano grampositiva (grampositive peptidoglycan wall). (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Las bacterias con tinción deficiente siguen teniendo una categoría Gram. Pared celular grampositiva La pared celular grampositiva tiene dos componentes principales, peptidoglucano y ácidos teicoicos, además de carbohidratos y proteínas adicionales, dependiendo de la especie. Un esquema generalizado que ilustra la disposición de estos componentes se representa en la figura 21–5. El principal componente es el peptidoglucano, que no se encuentra en otros organismos excepto en las células procariotas. El peptidoglucano consta de una cadena de glucano lineal de dos azúcares alternos, Nacetilglucosamina (NAG) y ácido Nacetilmurámico (NAM) (figura 21–6). Las cadenas de glucanos adyacentes se entrecruzan en láminas mediante enlaces peptídicos entre las cadenas laterales de los aminoácidos peptídicos. Los mismos enlaces cruzados entre otros péptidos conectan las láminas para formar una matriz rígida tridimensional. Los enlaces cruzados se extienden alrededor de la célula, produciendo una molécula gigante similar a un andamio. El peptidoglucano es muy parecido en todas las bacterias, excepto que existe diversidad en la naturaleza y frecuencia del puente de entrecruzamiento y en la naturaleza de los aminoácidos en ciertas posiciones del péptido. Figura 21–5. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Envoltura grampositiva. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY:Page McGraw 6 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, Hill, 2008). ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility extienden alrededor de la célula, produciendo una molécula gigante similar a un andamio. El peptidoglucano es muy parecido en todas las bacterias, excepto que existe diversidad en la naturaleza y frecuencia del puente de entrecruzamiento y en la naturaleza de losUniversidad aminoácidosPontificia en ciertasBolivariana posiciones del péptido. Access Provided by: Figura 21–5. Envoltura grampositiva. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Figura 21–6. Estructura de peptidoglucano. Diagrama de un modelo de peptidoglucano. Se muestran las cadenas de polisacáridos, cadenas laterales de tetrapéptidos y puentes de péptidos. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your 200.3.145.12 Los principales componentes de IP lasisparedes grampositivas son peptidoglucano y ácido teicoico. CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 7 / 51 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Los principales componentes de las paredes grampositivas son peptidoglucano y ácido teicoico. ✺ El peptidoglucano incluye cadenas de glucano entrecruzadas con cadenas de péptidos. Un saco similar a un armazón rodea la célula. El saco de peptidoglucano deriva su enorme fortaleza mecánica al hecho de que es una estructura individual con enlaces covalentes. La mayoría de las enzimas encontradas en hospederos mamíferos y otros sistemas biológicos no degradan el peptidoglucano; una excepción importante es la lisozima, la hidrolasa de las lágrimas y otras secreciones, que fragmenta el enlace entre el ácido murámico y los residuos de glucosamina. La función del componente peptidoglucano en la pared celular que le confiere resistencia osmótica y forma a la célula se demuestra con facilidad al eliminarlo o destruirlo. El tratamiento de una célula grampositiva con penicilina (que bloquea la formación de los enlaces cruzados de péptido) destruye el saco de peptidoglucano y la pared desaparece. A continuación ocurre la lisis inmediata de la célula. Si la célula se protege de la lisis mediante suspensión en un medio aproximadamente isotónico respecto al interior de la célula, ésta se vuelve redonda y forma una esfera llamada protoplasto. Los componentes del peptidoglucano proporcionan resistencia contra las enzimas mamíferas. ✺ La pérdida de la pared celular conduce a lisis o producción de protoplastos. Un segundo componente de la pared celular de las bacterias grampositivas es el ácido teicoico. Estos compuestos son polímeros, ya sea de fosfato de glicerol o fosfato de ribitol, con diversos azúcares, aminoazúcares y aminoácidos como sustituyentes. La longitud de la cadena y la naturaleza y ubicación de los sustituyentes varían de una especie a otra, y a veces entre cepas dentro de una especie. Un tipo de ácido teicoico se denomina ácido lipoteicoico, y parece representar una función de anclaje de la pared a la membrana celular y como una adhesina en la célula epitelial. Además de los principales componentes de la pared —peptidoglucano y ácidos teicoicos—, en general, las paredes grampositivas tienen menos cantidades de otras moléculas características de su especie. Algunas son polisacáridos, como los antígenos específicos del grupo de los estreptococos; otras son proteínas, como la proteína M de los Streptococcus grupo A. ✺ Los ácidos teicoico y lipoteicoico promueven la adhesión y fijan la pared a la membrana. Otros componentes de la pared celular se relacionan con la especie. Pared celular gramnegativa El segundo tipo de pared celular que se encuentra en las bacterias, la pared gramnegativa, se presenta en la figura 21–7. Excepto por la presencia de peptidoglucano, existe poca semejanza química con las paredes celulares de las bacterias grampositivas y su arquitectura es fundamentalmente diferente. En las células gramnegativas, la cantidad de peptidoglucano es muy reducida y parte de ella forma una vaina de una sola capa alrededor de Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 la célula, mientras que el resto forma una sustancia gelatinosa, el gel periplásmico, con pocos enlaces cruzados. Fuera de este periplasmaPage se 8 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, encuentra una elaborada membrana externa. Las proteínas en solución en elNotice periplasma consisten en enzimas con funciones hidrolíticas; a veces son ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Accessibility enzimas que inactivan los antibióticos, y varias de ellas con funciones dentro de la quimiotaxis, transporte, secreción y anclaje (unión) de moléculas en la superficie. Pared celular gramnegativa Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: El segundo tipo de pared celular que se encuentra en las bacterias, la pared gramnegativa, se presenta en la figura 21–7. Excepto por la presencia de peptidoglucano, existe poca semejanza química con las paredes celulares de las bacterias grampositivas y su arquitectura es fundamentalmente diferente. En las células gramnegativas, la cantidad de peptidoglucano es muy reducida y parte de ella forma una vaina de una sola capa alrededor de la célula, mientras que el resto forma una sustancia gelatinosa, el gel periplásmico, con pocos enlaces cruzados. Fuera de este periplasma se encuentra una elaborada membrana externa. Las proteínas en solución en el periplasma consisten en enzimas con funciones hidrolíticas; a veces son enzimas que inactivan los antibióticos, y varias de ellas con funciones dentro de la quimiotaxis, transporte, secreción y anclaje (unión) de moléculas en la superficie. Figura 21–7. Envoltura gramnegativa. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). ✺ Una delgada cubierta de peptidoglucano está rodeada de gel periplásmico. Las proteínas periplásmicas tienen funciones de transporte, quimiotácticas e hidrolíticas. El periplasma es una estructura intermembrana que se encuentra entre la membrana celular y una membrana especial que es única de las bacterias gramnegativas, la membrana externa. Esta última tiene una estructura general parecida a la mayoría de las membranas biológicas con dos hojuelas opuestas de fosfolípido y proteína; sin embargo, en términos de su composición química, la membrana externa es única. Su hojuela interna consiste en fosfolípidos comunes, pero éstos se reemplazan en la hojuela externa con una molécula especial llamada lipopolisacárido (LPS), que es muy tóxica para los humanos y otros animales, y que se denomina endotoxina. Incluso en cantidades mínimas, como aquellas que se libera a la circulación durante el curso de una infección por bacterias gramnegativas, esta sustancia puede provocar fiebre y síndrome de choque llamado choque gramnegativo o choque endotóxico. La membrana externa gramnegativa es una bicapa de fosfolipoproteína. ✺ La hojuela externa de la membrana contiene LPS (endotoxina) Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Page 9 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility El LPS está formado por un lípido A tóxico (un fosfolípido que contiene glucosamina en lugar de glicerol), un polisacárido nuclear (que contiene algunos residuos inusuales de carbohidratos y que es bastante constante en estructura entre las especies relacionadas de bacterias) y las cadenas Universidad Pontificia Bolivariana La membrana externa gramnegativa es una bicapa de fosfolipoproteína. Access Provided by: ✺ La hojuela externa de la membrana contiene LPS (endotoxina) El LPS está formado por un lípido A tóxico (un fosfolípido que contiene glucosamina en lugar de glicerol), un polisacárido nuclear (que contiene algunos residuos inusuales de carbohidratos y que es bastante constante en estructura entre las especies relacionadas de bacterias) y las cadenas laterales de polisacárido del antígeno O (figura 21–8A y B). El último componente constituye el principal antígeno de superficie de las células gramnegativas. ✺ El lípido A es la fracción tóxica del LPS. Figura 21–8. Estructura del lipopolisacárido. A. Cadena lateral O, formada por azúcares enlazados. Polisacárido nuclear, azúcares enlazados con N acetilglucosamina (NAG) y cetodesoxicolato (KDO, ketodeoxycholate). Lípido A, encerrado en la membrana externa. B. Modelo molecular. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). La membrana externa produce que las bacterias gramnegativas estén cubiertas por una barrera contra la permeabilidad. Pero al margen del beneficio que les concede tener una pared con una membrana externa, las bacterias gramnegativas deben tomar medidas para el ingreso de los nutrientes. Proteínas estructurales especiales, denominadas porinas, forman poros a través de la membrana externa que posibilitan que las moléculas hidrofílicas de soluto se difundan a través de ella y lleguen al periplasma. ✺ La impermeabilidad de la membrana externa se neutraliza con las porinas. Membrana celular En general, la membrana celular (plasma) de las bacterias (figura 21–9) es similar a la membrana familiar de dos capas de la mayoría de las células, contiene fosfolípidos y proteínas, y se encuentra en todos los seres vivos; no obstante, tiene dos importantes diferencias. La membrana de la célula bacteriana es excepcionalmente rica en proteínas y no contiene esteroles (excepto Mycoplasmas). El cromosoma bacteriano está adherido a la membrana celular, la cual2:45 representa en la segregación de los cromosomas hijos en la división celular, análoga a la función del aparato Downloaded 2024214 P Youruna IP isfunción 200.3.145.12 10 / 51 mitótico de las membrana es el lugar de síntesis del DNA, de los polímeros de la pared celular y de los lípidos de membrana.Page Contiene CAPÍTULO 21:eucariotas. Bacterias.La Conceptos básicos, ©2024 McGrawde Hill. All RightsdeReserved. Terms of Use Privacy Policy es Notice Accessibility todo el sistema transporte electrones de la célula (y, en consecuencia, funcionalmente análoga a la mitocondria de las eucariotas). Cuenta con proteínas receptoras que funcionan en la quimiotaxis. De forma similar a la de las membranas celulares de las eucariotas, es una barrera selectivamente permeable y contiene proteínas implicadas en el transporte selectivo y activo de solutos. También participa en la secreción de Membrana celular Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: En general, la membrana celular (plasma) de las bacterias (figura 21–9) es similar a la membrana familiar de dos capas de la mayoría de las células, contiene fosfolípidos y proteínas, y se encuentra en todos los seres vivos; no obstante, tiene dos importantes diferencias. La membrana de la célula bacteriana es excepcionalmente rica en proteínas y no contiene esteroles (excepto Mycoplasmas). El cromosoma bacteriano está adherido a la membrana celular, la cual representa una función en la segregación de los cromosomas hijos en la división celular, análoga a la función del aparato mitótico de las eucariotas. La membrana es el lugar de síntesis del DNA, de los polímeros de la pared celular y de los lípidos de membrana. Contiene todo el sistema de transporte de electrones de la célula (y, en consecuencia, es funcionalmente análoga a la mitocondria de las eucariotas). Cuenta con proteínas receptoras que funcionan en la quimiotaxis. De forma similar a la de las membranas celulares de las eucariotas, es una barrera selectivamente permeable y contiene proteínas implicadas en el transporte selectivo y activo de solutos. También participa en la secreción de proteínas al exterior, incluyendo exotoxinas y enzimas hidrolíticas implicadas en la patogénesis de la enfermedad. Por ende, la membrana de la célula bacteriana es el equivalente funcional de la mayoría de los organelos de la célula eucariota, y es vital para el crecimiento y conservación de la célula. Figura 21–9. Membrana plasmática bacteriana. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Es una bicapa de fosfolípido y proteína que carece de esteroles. ✺ Está implicado en procesos sintéticos, homeostáticos, secretores y de transporte de electrones. Es el equivalente funcional de organelos eucariotas. Flagelos Los flagelos son organelos moleculares para la motilidad que se encuentran en muchas especies de bacterias, tanto grampositivas como gramnegativas. Estos organelos filamentosos pueden estar distribuidos alrededor de la célula, en un polo o en ambos extremos de la célula. Los flagelos la impulsan girando en el punto de inserción en la envoltura celular. La direccionalidad se logra a través de la rotación en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario (“nadar” y “dar vueltas”), un proceso que consume energía. La presencia o ausencia de flagelos y su posición celular (peritricosos, polares, en manojos) son características taxonómicas importantes. El aparato flagelar es complejo, pero consta enteramente de proteínas unidas a la célula por un cuerpo basal que consta a su vez de varias proteínas organizadas como anillos en una varilla central. Otras estructuras incluyen un gancho que actúa como junta universal y bujes en forma de anillo. Muchos flagelos están “cubiertos” por una proteína única que protege la punta del organelo y controla la longitud del filamento. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility ✺ Los flagelos son estructuras proteicas helicoidales que giran, y son responsables de la locomoción. Page 11 / 51 flagelos la impulsan girando en el punto de inserción en la envoltura celular. La direccionalidad se logra a través de la rotación en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario (“nadar” y “dar vueltas”), un proceso que consume energía. La presencia Universidad o ausencia dePontificia flagelos yBolivariana su Provided by: pero consta posición celular (peritricosos, polares, en manojos) son características taxonómicas importantes. El aparato flagelarAccess es complejo, enteramente de proteínas unidas a la célula por un cuerpo basal que consta a su vez de varias proteínas organizadas como anillos en una varilla central. Otras estructuras incluyen un gancho que actúa como junta universal y bujes en forma de anillo. Muchos flagelos están “cubiertos” por una proteína única que protege la punta del organelo y controla la longitud del filamento. ✺ Los flagelos son estructuras proteicas helicoidales que giran, y son responsables de la locomoción. Los flagelos tienen cojinetes en la envoltura de la célula. Pilis (pelos) Los pilis (también llamados pelos o fimbrias) son prolongaciones moleculares parecidas a vellosidades que se encuentran sobre la superficie de las células de muchas especies grampositivas y gramnegativas. Están compuestos de moléculas de una proteína llamada pilina que está dispuesta para formar un tubo con un centro pequeño y hueco. Existen dos clases generales, los pilis comunes y los pilis sexuales (figura 21–33). Los pilis comunes cubren la superficie de la célula (figura 21–10). En muchos casos éstos son adhesinas, que son responsables de la capacidad de las bacterias para colonizar superficies y células. Tales procesos no siempre son pasivos, dado que algunos pilis pueden retraerse mediando los movimientos sobre las superficies celulares. Algunos pilis están especializados en adherirse a ciertos tipos de células, como los enterocitos o las células del epitelio urinario. La misma célula puede tener pilis comunes y especializados. El pili sexual contribuye a la conjugación bacteriana gramnegativa (intercambio de material genético) potenciando la yuxtaposición célulacélula y la transferencia de DNA. Figura 21–10. Flagelos y pilis. Los largos flagelos y numerosos pilis más cortos son evidentes en esta micrografía de Proteus mirabilis. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Los pilis son prolongaciones tubulares similares al cabello. Los pilis tienen funciones de adherencia y pueden contraerse. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility ✺ LosMcGraw pilis especializados median la unión selectiva o transferencia genética. Page 12 / 51 Los pilis son prolongaciones tubulares similares al cabello. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Los pilis tienen funciones de adherencia y pueden contraerse. ✺ Los pilis especializados median la unión selectiva o transferencia genética. NÚCLEO BACTERIANO En contraste con la riqueza estructural de las capas y apéndices de la envoltura celular, el interior parece relativamente simple en micrografías de transmisión de electrones de cortes delgados de bacterias. Cuenta con dos regiones claramente visibles, una granular (el citoplasma) y otra fibrosa (el nucleoide). Citoplasma El denso citoplasma (citosol) está rodeado por la membrana celular. Tiene un aspecto granular debido a que está repleto de ribosomas, que son mucho más abundantes que en el citoplasma de las células eucariotas; esto es un reflejo de la mayor tasa de crecimiento de las bacterias. Cada ribosoma es una partícula de ribonucleoproteína, que consiste en tres especies de rRNA y más de 50 proteínas. La estructura general de las subunidades del ribosoma bacteriano 70 S se asemeja a la de los ribosomas eucariotas, pero es más pequeño y difiere lo suficiente en función de que un número muy grande de antimicrobianos tienen como blanco al ribosoma procariota. ✺ El citoplasma está repleto de ribosomas. El citoplasma bacteriano tiene un citoesqueleto que localiza proteínas, participa en la división celular y, junto con la pared celular de peptidoglucano, da forma a la célula. Los elementos del citoesqueleto bacteriano son homólogos químicos y estructurales de los microfilamentos, microtúbulos y filamentos intermedios de células eucariontes. En la célula bacteriana, los microfilamentos están hechos de actina, y los microtúbulos de tubulina. Múltiples homólogos de los filamentos intermedios se forman a partir de una mezcla de proteínas, algunas de las cuales son singulares para las bacterias. La modificación del citoesqueleto es un mecanismo importante de virulencia bacteriana. ✺ La actina, la tubulina y los filamentos intermedios forman el citoesqueleto. Nucleoide El nucleoide es una región del citoplasma que contiene el genoma y un conjunto de proteínas relacionadas. El genoma bacteriano reside en un solo cromosoma, y para bacterias patógenas varía entre 600 y 6000 genes codificados en una molécula circular grande de DNA de doble cadena. Esta molécula mide más de 1 mm de longitud, lo que excede la longitud de la célula en aproximadamente 1000 veces. El ajustado empaquetamiento desplaza los ribosomas y otros componentes del citosol, creando regiones que contienen un cromosoma, cubierto en general por poliaminas y ciertas proteínas especializadas de enlace de DNA. La cadena de DNA de doble hélice presenta superenrollamientos y se adhiere a la membrana celular, a alguna estructura central, o ambas, en una gran cantidad de puntos. La ausencia de membrana nuclear confiere a la célula procariota una gran ventaja para el crecimiento rápido en ambientes cambiantes. Los ribosomas pueden traducir moléculas de mRNA incluso mientras se están produciendo; esto se denomina “trascripcióntraducción acoplada”, y es exclusiva de las bacterias. Es importante señalar que esto implica que no se requiere el transporte del mRNA desde los sitios de síntesis al sitio donde funcionan. ✺ Es un cromosoma circular de DNA bicatenario superenrollado. Downloaded 2024214 2:45 Pde Your IP is 200.3.145.12 No se requiere transporte mRNA. CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Plásmidos Page 13 / 51 Universidad Pontificia Bolivariana ✺ Es un cromosoma circular de DNA bicatenario superenrollado. Access Provided by: No se requiere transporte de mRNA. Plásmidos Muchas bacterias contienen moléculas de DNA de doble cadena, por lo general circulares, cerradas con enlaces covalentes, pequeñas, separadas del cromosoma (extra cromosómico). Especies individuales tienen sistemas reguladores que controlan los plásmidos, y puede haber más de un tipo o múltiples copias (más de 100) de un plásmido único en la misma célula. Los plásmidos típicamente contienen hasta 30 genes y se replican de manera independiente del cromosoma. Tienen pocas probabilidades de contener genes esenciales para la supervivencia de la célula, pero pueden tener genes especializados, como los que median la virulencia o la resistencia a agentes antimicrobianos. De hecho, muchos atributos de virulencia, incluida la producción de pili y exotoxinas, y el complejo aparato para los innumerables sistemas de secreción elaborados por bacterias, pueden estar codificados por plásmidos. ✺ Los plásmidos son pequeñas moléculas de DNA de doble cadena generalmente circulares. Hay genes de los cuales dependen la virulencia y la resistencia. ESPORAS Las endosporas, casi siempre llamadas esporas, son formas pequeñas, deshidratadas y con morfotipos metabólicamente inactivos que producen algunas bacterias en respuesta a la limitación de nutrimentos o a una señal que indique la cercanía de dificultades futuras. Muy pocas especies producen esporas, pero son invariablemente grampositivas y frecuentes en el ambiente. Algunas bacterias formadoras de esporas son de gran importancia en medicina y causan enfermedades como el carbunco, la gangrena gaseosa, el tétanos y el botulismo. Todos los formadores de esporas de importancia médica son bacilos grampositivos. La endospora bacteriana no es una estructura reproductiva. Una célula forma una espora en condiciones adversas en un proceso llamado esporulación. La espora puede persistir durante mucho tiempo (siglos) y luego, con la estimulación adecuada, germina en una sola célula bacteriana vegetativa. Las esporas, por tanto, son formas de supervivencia más que reproductivas. Las endosporas son formas resistentes e inactivas de algunas bacterias grampositivas. ✺ La formación de esporas les permite sobrevivir en condiciones adversas. Las esporas de algunas especies son capaces de tolerar extremos de pH y temperatura, incluyendo el agua hirviendo y desinfectantes, durante periodos sorprendentes. La resistencia térmica se obtiene a través del bajo contenido de agua y de una gran cantidad de una sustancia que sólo se encuentra en las esporas, el dipicolinato de calcio. La resistencia a las sustancias químicas y, hasta cierto grado, a la radiación, se apoya en las cubiertas especiales (corteza) sumamente fuertes que rodean a la espora. ✺ La resistencia de la espora se debe a su estado deshidratado y al dipicolinato de calcio. Despierta gran2024214 interés el proceso molecular mediante el cual una célula origina un producto sumamente diferenciado que es incapaz de crecer en Downloaded 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Page 14e/ 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, forma inmediata, pero puede sostener el crecimiento después de largos periodos de inactividad bajo condiciones extremas de calor, desecación ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility inanición. En general, el proceso implica el aislamiento inicial de nucleótidos y de su citosol circundante por invaginación de la membrana celular, con adiciones posteriores de las capas especiales de la espora (figura 21–11). Así, la espora se desarrolla dentro de la “célula madre”. Esta decisión sobre Universidad Pontificia Bolivariana ✺ La resistencia de la espora se debe a su estado deshidratado y al dipicolinato de calcio. Access Provided by: Despierta gran interés el proceso molecular mediante el cual una célula origina un producto sumamente diferenciado que es incapaz de crecer en forma inmediata, pero puede sostener el crecimiento después de largos periodos de inactividad bajo condiciones extremas de calor, desecación e inanición. En general, el proceso implica el aislamiento inicial de nucleótidos y de su citosol circundante por invaginación de la membrana celular, con adiciones posteriores de las capas especiales de la espora (figura 21–11). Así, la espora se desarrolla dentro de la “célula madre”. Esta decisión sobre el destino de toda la célula se toma al final de la fase de crecimiento bacteriano rápido (crecimiento logarítmico), y está cuidadosamente controlada por múltiples señales moleculares jerárquicas y proteínas de señalización. Figura 21–11. Etapas de formación de esporas bacterianas. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). La germinación reproduce una célula idéntica a aquella que se produjo por esporulación. La germinación comienza con la activación por calor, ácido, condiciones reductoras o moléculas pequeñas. Después de la entrada masiva de agua en la espora, el interior se hidrata y las proteínas preempaquetadas pueden volver a funcionar. La finalización de la germinación conduce al crecimiento de una nueva célula vegetativa del mismo genotipo que la célula que produjo la espora. CONCLUSIONES CLAVE CONCLUSIONES CLAVE El plan de células bacterianas procariotas es simple, único, y facilita un crecimiento muy rápido. La rigidez de la pared celular la proporciona el peptidoglucano, un polímero de moléculas de azúcares y péptidos con enlaces cruzados por transpeptidasas. Además del peptidoglucano, las bacterias gramnegativas tienen una membrana externa que contiene proteínas, porinas y endotoxina LPS. Las cápsulas de polisacáridos brindan protección contra las respuestas inmunitarias. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, flagelos filamentosos son organelos de locomoción. ©2024Los McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Los pili, parecidos a pelos, median la unión a las células humanas. Page 15 / 51 la espora, el interior se hidrata y las proteínas preempaquetadas pueden volver a funcionar. La finalización de la germinación conduce al crecimiento Universidad Pontificia Bolivariana de una nueva célula vegetativa del mismo genotipo que la célula que produjo la espora. Access Provided by: CONCLUSIONES CLAVE CONCLUSIONES CLAVE El plan de células bacterianas procariotas es simple, único, y facilita un crecimiento muy rápido. La rigidez de la pared celular la proporciona el peptidoglucano, un polímero de moléculas de azúcares y péptidos con enlaces cruzados por transpeptidasas. Además del peptidoglucano, las bacterias gramnegativas tienen una membrana externa que contiene proteínas, porinas y endotoxina LPS. Las cápsulas de polisacáridos brindan protección contra las respuestas inmunitarias. Los flagelos filamentosos son organelos de locomoción. Los pili, parecidos a pelos, median la unión a las células humanas. La membrana celular es un sitio para la actividad metabólica, como las mitocondrias de las células eucariotas. El citoplasma está repleto de ribosomas y contiene un solo cromosoma de DNA bicatenario. Los plásmidos son pequeñas unidades de DNA que se replican de manera independiente del cromosoma. Las esporas son formas de supervivencia deshidratadas que pueden germinar a células vegetativas con actividad metabólica. CRECIMIENTO Y METABOLISMO BACTERIANO El crecimiento de las bacterias ocurre mediante un progreso ordenado de procesos metabólicos seguidos de división celular por fisión binaria. Esto requiere del metabolismo, que produce el material celular a partir de sustancias nutritivas en el ambiente; regulación, que coordina de manera ordenada el avance de cientos de procesos bioquímicos independientes, y, por último, división celular, que produce dos unidades vivas independientes a partir de una. El crecimiento requiere metabolismo, regulación y división por fisión binaria. METABOLISMO DE LAS BACTERIAS Muchos de los principios del metabolismo son universales; esta sección se enfoca en los aspectos únicos del metabolismo bacteriano que son importantes en medicina. La necesidad de comparar las rutas seguidas por bacterias y mamíferos se reduce por el hecho de que gran parte de lo que sabemos sobre el metabolismo humano se deriva del trabajo con Escherichia coli. Las amplias diferencias entre las bacterias y las células eucariotas humanas se resumen de la siguiente manera: Velocidad. Las bacterias metabolizan a una tasa de 10–100 veces mayor. Versatilidad. Las bacterias utilizan compuestos más diversos como fuente de energía y son mucho más variadas en sus requerimientos nutricionales. Sencillez. La organización de la célula procariota posibilita que las bacterias sinteticen macromoléculas de manera más eficiente. Naturaleza única. Algunos procesos de biosíntesis, como los que producen peptidoglucano, liposacáridos y toxinas, son específicos de las bacterias. El metabolismo bacteriano es sumamente complejo. La célula bacteriana se sintetiza a sí misma y genera energía por medio de hasta 2000 reacciones químicas. Estas reacciones se clasifican según su función en los procesos metabólicos de producción de energía, biosíntesis, polimerización y ensamblaje. 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Downloaded CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Reacciones energéticas Page 16 / 51 Las reacciones energéticas proporcionan energía a la célula y metabolitos precursores utilizados en las reacciones de biosíntesis (figura 21–12). El Sencillez. La organización de la célula procariota posibilita que las bacterias sinteticen macromoléculas de manera más eficiente. Universidad Pontificia Bolivariana Naturaleza única. Algunos procesos de biosíntesis, como los que producen peptidoglucano, liposacáridos y toxinas, son específicos de las bacterias. Access Provided by: El metabolismo bacteriano es sumamente complejo. La célula bacteriana se sintetiza a sí misma y genera energía por medio de hasta 2000 reacciones químicas. Estas reacciones se clasifican según su función en los procesos metabólicos de producción de energía, biosíntesis, polimerización y ensamblaje. Reacciones energéticas Las reacciones energéticas proporcionan energía a la célula y metabolitos precursores utilizados en las reacciones de biosíntesis (figura 21–12). El primer paso es la captura de nutrientes del ambiente. Aparte del agua, oxígeno y dióxido de carbono, casi ningún nutriente importante ingresa a la célula por difusión simple, debido a que la membrana celular es una barrera muy eficiente. Parte del transporte ocurre por medio de difusión facilitada, en la que una proteína transportadora en la membrana celular, específica de un determinado compuesto, participa en el traslado de las moléculas de esa sustancia de un lado a otro de la membrana (figura 21–13A y B). Debido a que no participa ningún tipo de energía, este proceso sólo puede funcionar a la par, y nunca en contra, del gradiente de concentración de un soluto determinado. Figura 21–12. Metabolismo bacteriano. Patrón general del metabolismo que conduce a la síntesis de una célula bacteriana a partir de glucosa. Figura 21–13. Difusión facilitada. A. El portador de membrana puede cambiar la conformación después de enlazar una molécula externa y liberar posteriormente la molécula al interior de la célula. B. Entonces regresa a la posición orientada hacia el exterior, y está lista para enlazar otra molécula de soluto. Debido a que no se usa energía, las moléculas continúan entrando sólo mientras su concentración sea mayor en el exterior. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Los sustratos ingresan a pesar de las barreras contra la permeabilidad. Page 17 / 51 Difusión facilitada. A. El portador de membrana puede cambiar la conformación después de enlazar una molécula externa y liberar posteriormente Universidad Pontificia Bolivariana la molécula al interior de la célula. B. Entonces regresa a la posición orientada hacia el exterior, y está lista para enlazar otra molécula de soluto. Access Provided by: Debido a que no se usa energía, las moléculas continúan entrando sólo mientras su concentración sea mayor en el exterior. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Los sustratos ingresan a pesar de las barreras contra la permeabilidad. ✺ La difusión facilitada implica el transporte realizado por proteínas transportadoras. Los mecanismos de transporte activo implican moléculas específicas de proteína como transportadoras de solutos particulares, pero el proceso está asociado con energía y, por ende, puede establecer un gradiente de concentración. Esto es, el transporte activo puede bombear “a contracorriente”. Las bacterias tienen múltiples sistemas de transporte activo, algunos de los cuales implican proteínas de enlace dependientes de ATP (figura 21–14) y otros que demandan bombas de protones impulsadas por transporte de electrones dentro de la membrana celular energizada. Figura 21–14. Transporte activo. 1. La proteína de enlace al soluto se une con el sustrato a transportar y se acerca al complejo transportador. 2. La proteína de enlace al soluto traspasa la membrana con ayuda de hidrólisis de ATP. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 18 / 51 Figura 21–14. Universidad Pontificia Bolivariana Transporte activo. 1. La proteína de enlace al soluto se une con el sustrato a transportar y se acerca al complejo transportador. 2. La proteína de Access Provided by: enlace al soluto traspasa la membrana con ayuda de hidrólisis de ATP. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). ✺ El transporte activo implica el enlace de proteínas y ATP. El transporte de hierro es de particular importancia para la virulencia. En la sangre humana y otros líquidos corporales existe poco Fe3+ libre, debido a que lo capturan las proteínas de enlace de hierro (p. ej., transferrina en la sangre y lactoferrina en las secreciones). Las bacterias necesitan el hierro para crecer, y su colonización de hospedadores humanos requiere la captura de hierro. Las bacterias secretan sideróforos (agentes quelantes específicos del hierro) para atrapar el Fe3+; entonces, el quelante que contiene hierro se transporta dentro de la bacteria por medio de transporte activo específico. Los sideróforos bacterianos son agentes quelantes del hierro que se transportan en forma activa dentro de la célula. Una vez dentro de la célula, las moléculas de azúcar u otras fuentes de carbono y energía se metabolizan a través de la vía glucolítica Embden Meyerhof, la vía de pentosa fosfato y el ciclo de Krebs para producir los compuestos de carbono necesarios para la biosíntesis. Las vías energéticas centrales producen los precursores biosintéticos. En conjunto, las vías energéticas centrales producen los metabolitos precursores. Las conexiones con las vías de fermentación y respiración permiten la reoxidación de la coenzima reducida dinucleótido de nicotamida y adenina (NADH, nicotinamide adenine dinucleotide) para convertirse en NAD+ y la generación de ATP. La bacteria fabrica ATP mediante fosforilación en la fermentación o por una combinación de fosforilación del sustrato y fosforilación oxidativa en la respiración. ✺ Las vías de fermentación y respiración requieren cada una la regeneración de ATP y NAD+. La fermentación es la transferencia de electrones y protones por medio de NAD+ directamente a un aceptor orgánico. El piruvato ocupa un papel central en la fermentación (figura 21–15). La fermentación es una manera ineficiente de generar ATP y, en consecuencia, deben fermentarse grandes Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 cantidades de azúcar para satisfacer en forma anaerobia los requerimientos de las bacterias. En la fermentación se producen grandes cantidades de Page 19 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ácidos orgánicos y alcoholes. Los compuestos que se producen dependen de la vía particular de fermentación que emplea una especie determinada y, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility por ende, el perfil de productos de la fermentación es un auxiliar diagnóstico en el laboratorio clínico. ✺ Las vías de fermentación y respiración requieren cada una la regeneración de ATP y NAD+. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: La fermentación es la transferencia de electrones y protones por medio de NAD+ directamente a un aceptor orgánico. El piruvato ocupa un papel central en la fermentación (figura 21–15). La fermentación es una manera ineficiente de generar ATP y, en consecuencia, deben fermentarse grandes cantidades de azúcar para satisfacer en forma anaerobia los requerimientos de las bacterias. En la fermentación se producen grandes cantidades de ácidos orgánicos y alcoholes. Los compuestos que se producen dependen de la vía particular de fermentación que emplea una especie determinada y, por ende, el perfil de productos de la fermentación es un auxiliar diagnóstico en el laboratorio clínico. Figura 21–15. Productos finales de las vías de fermentación. Debido a que un tipo de organismo utiliza una vía característica de fermentación, los productos finales pueden emplearse como marcadores para identificación. (Reproducida con autorización de Nester EW, Anderson DG, Roberts CE Jr., et al. Microbiology: A Human Perspective, 6th edition. New York, NY: McGraw Hill; 2008). La fermentación implica la transferencia directa de protón y electrón al aceptor orgánico. La eficiencia en la generación de ATP es baja. La respiración implica vías energéticas en las que la oxidación del sustrato se conjunta con el transporte de electrones a través de una cadena de portadores hasta algún aceptor final que con frecuencia, aunque no siempre, es el oxígeno molecular. Otros compuestos inorgánicos (p. ej., nitrato), al igual que orgánicos (p. ej., succinato), pueden servir como el aceptor final de electrones y, por ende, muchos organismos que no tienen capacidad de fermentación pueden 2:45 vivir en oxígeno. La respiración es un generador eficiente de ATP. La respiración en procariotas, al igual que en Downloaded 2024214 P ausencia Your IP isde200.3.145.12 Page CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, las células eucariotas, ocurre por medio de enzimas asociadas con la membrana, pero en las procariotas, la membrana celular, en lugar de las 20 / 51 ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility membranas mitocondriales, es la que proporciona el sitio físico. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: La respiración implica vías energéticas en las que la oxidación del sustrato se conjunta con el transporte de electrones a través de una cadena de portadores hasta algún aceptor final que con frecuencia, aunque no siempre, es el oxígeno molecular. Otros compuestos inorgánicos (p. ej., nitrato), al igual que orgánicos (p. ej., succinato), pueden servir como el aceptor final de electrones y, por ende, muchos organismos que no tienen capacidad de fermentación pueden vivir en ausencia de oxígeno. La respiración es un generador eficiente de ATP. La respiración en procariotas, al igual que en las células eucariotas, ocurre por medio de enzimas asociadas con la membrana, pero en las procariotas, la membrana celular, en lugar de las membranas mitocondriales, es la que proporciona el sitio físico. ✺ La respiración utiliza cadena de electrones para las que el oxígeno es el aceptor terminal. La respiración es productora eficiente de energía. Aerobios y anaerobios Al evolucionar para la colonización de cualquier rincón del planeta, por pequeño que sea, las bacterias han desarrollado diferentes respuestas al oxígeno. Una manera conveniente de clasificar a las bacterias es de acuerdo con sus actividades de fermentación y respiración, pero también en forma más general según su respuesta común ante la presencia de oxígeno. La respuesta no depende sólo de su capacidad genética para fermentar y respirar, pero también de su capacidad para protegerse de los efectos dañinos del oxígeno. Las bacterias exhiben diferentes respuestas características ante el oxígeno. Aunque el oxígeno en sí mismo es poco tóxico, da lugar cuando menos a dos sustancias sumamente reactivas y tóxicas, el peróxido de hidrógeno (H2O2) y el anión superóxido (O2–). El peróxido se produce mediante las reacciones en las que los electrones y protones se transfieren a O2 como aceptor final. El radical superóxido se produce como un intermediario entre la mayoría de las reacciones que reducen el O2 molecular. La superoxidodismutasa, una enzima que se encuentra en todos los organismos (procariotas y eucariotas) que sobreviven la presencia de oxígeno, le resta toxicidad en forma parcial al superóxido. Las bacterias que carecen de la capacidad para producir superoxidodismutasa y la catalasa son muy sensibles al oxígeno molecular y, en general, deben desarrollarse en forma anaerobia utilizando la fermentación. Las bacterias que poseen estas enzimas protectoras pueden desarrollarse con el oxígeno, pero que lo utilicen o no en el metabolismo depende de su capacidad para respirar. La posibilidad de que estas bacterias resistentes al oxígeno puedan crecer en forma anaerobia depende de su capacidad para fermentar. El metabolismo aeróbico produce radicales peróxido y oxígeno tóxico. ✺ La superoxidodismutasa y la peroxidasa permiten el desarrollo en presencia de aire. Algunos organismos que crecen en el aire tienen una vía respiratoria. Diversas combinaciones de estas dos características (resistencia al oxígeno y la capacidad para utilizar el oxígeno molecular como un aceptor final) se representan en diferentes especies de bacterias, lo cual da por resultado las cuatro clases generales que se presentan en el cuadro 21–2. Las bacterias aerobias requieren oxígeno y metabolizan por medio de la respiración; las anaerobias se inhiben o mueren a causa del oxígeno y utilizan sólo la fermentación. Las bacterias facultativas (la mayoría de los patógenos) crecen bien en condiciones aerobias o anaerobias. Si existe oxígeno, respiran; en caso contrario, emplean fermentación. Algunas bacterias facultativas fermentan incluso cuando existe oxígeno. Las bacterias Downloaded 2024214 2:45 P YourlaIP is 200.3.145.12 21 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, microaerófilas se encuentran en un sitio intermedio, al requerir de 5–10% de oxígeno para un óptimo crecimiento. Dentro de cada clasePage existen ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility patógenos importantes. Aunque la mayoría de los anaerobios en el mundo microbiano sigue de manera estricta los criterios asentados en el cuadro 21–2, muchos de los anaerobios patógenos son, de hecho, moderadamente aerotolerantes y poseen bajos niveles de superoxidodismutasa y Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: un aceptor final) se Diversas combinaciones de estas dos características (resistencia al oxígeno y la capacidad para utilizar el oxígeno molecular como representan en diferentes especies de bacterias, lo cual da por resultado las cuatro clases generales que se presentan en el cuadro 21–2. Las bacterias aerobias requieren oxígeno y metabolizan por medio de la respiración; las anaerobias se inhiben o mueren a causa del oxígeno y utilizan sólo la fermentación. Las bacterias facultativas (la mayoría de los patógenos) crecen bien en condiciones aerobias o anaerobias. Si existe oxígeno, respiran; en caso contrario, emplean la fermentación. Algunas bacterias facultativas fermentan incluso cuando existe oxígeno. Las bacterias microaerófilas se encuentran en un sitio intermedio, al requerir de 5–10% de oxígeno para un óptimo crecimiento. Dentro de cada clase existen patógenos importantes. Aunque la mayoría de los anaerobios en el mundo microbiano sigue de manera estricta los criterios asentados en el cuadro 21–2, muchos de los anaerobios patógenos son, de hecho, moderadamente aerotolerantes y poseen bajos niveles de superoxidodismutasa y peroxidasas. Aunque prefieren condiciones anaerobias para su crecimiento, esta característica les permite sobrevivir a la breve exposición al oxígeno que es inherente al inicio de la enfermedad. Cuadro 21–2. Clasificación de las bacterias según su respuesta al oxígeno. RESPUESTA DE CRECIMIENTO TIPO DE BACTERIA Aerobia POSESIÓN DE CATALASA AEROBIA ANAEROBIA Y COMENTARIO EJEMPLO Requiere O2; no puede fermentar Mycobacterium tuberculosis, SUPEROXIDODISMUTASA + − + Pseudomonas aeruginosa, Bacillus anthracis Anaerobia Facultativa Microaerófila − + +b + + +b −a + + Muere a causa del O2; fermenta en Clostridium botulinum, Bacteroides ausencia de O2 melaninogenicus Respira con O2; fermenta en Escherichia coli, Shigella dysenteriae, ausencia de O c 2 Staphylococcus aureus Crece mejor con bajo nivel de Campylobacter jejuni concentración de O2; puede crecer sin O2 a Muchos anaerobios patógenos producen catalasa, superoxidodismutasa o ambas. b Óptimo crecimiento con 5–10% de O. 2 c Algunas fermentan en presencia o ausencia de O. 2 ✺ Los aerobios requieren oxígeno y los anaerobios mueren a causa de éste. Las bacterias facultativas crecen de cualquier manera. ✺ Los anaerobios patógenos toleran breves exposiciones al oxígeno. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Biosíntesis Page 22 / 51 Universidad Pontificia Bolivariana Las bacterias facultativas crecen de cualquier manera. Access Provided by: ✺ Los anaerobios patógenos toleran breves exposiciones al oxígeno. Biosíntesis Las reacciones de biosíntesis forman una red de vías que conducen de los metabolitos precursores (obtenidos por medio de las reacciones energéticas) a los muchos aminoácidos, nucleótidos, azúcares, aminoazúcares, ácidos grasos y otros componentes básicos que se necesitan para las macromoléculas (figura 21–12). Además de los precursores del carbono, se necesitan grandes cantidades del dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina (NADPH, nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), ATP, aminonitrógeno y alguna fuente de azufre para la biosíntesis de estos elementos iniciales. Estas vías son similares en todas las especies de seres vivos, pero las especies bacterianas difieren en gran medida en cuanto a las vías que poseen. Debido a que todas las células requieren los mismos componentes básicos, aquellos que no pueden producirse dentro de una determinada célula deben obtenerse preformados del ambiente. La biosíntesis requiere metabolitos precursores, energía, aminonitrógeno, azufre y posibilidades de reducción. Los requisitos nutricionales difieren dependiendo de la capacidad de síntesis Existen pocas vías de biosíntesis que sean únicas de las bacterias, pero algunas forman una base para la vulnerabilidad bacteriana o para su patogenicidad. Debido a que las bacterias deben sintetizar ácido fólico en lugar de utilizarlo preformado de su ambiente, la inhibición de esas vías es la base para la acción antibacteriana de las sulfonamidas y trimetroprim. La catalización de la ribosilación de difosfato de adenosina (ADP) (figura 21–16), una reacción enzimática única, es el mecanismo de acción de múltiples toxinas, incluyendo las toxinas de la difteria (DT) y del cólera (TC). Para lograr esto, la unidad activa de la toxina se une tanto con el dinucléotido de nicotinamida y adenina (NAD) de los líquidos corporales como con su proteína blanco. Esto cataliza la transferencia de un grupo de ADPribosa a la proteína provocando que se inactive. El resultado biológico de esta inactivación depende de la función de la proteína blanco. Si ésta es crucial para un proceso como la síntesis de proteína, ese provoca la muerte de la célula. Si es una proteína reguladora, el proceso que controla puede tener una regulación ascendente o descendente. Figura 21–16. Ribosilación de difosfato de adenosina (ADP, adenosine diphosphate) (ADPR). 1. La unidad activa de la toxina se enlaza con el dinucléotido de nicotinamida y adenina (NAD, nicotinamide adenine dinucleotide) que está presente en los líquidos. 2. La toxina también enlaza una proteína celular, su proteína blanco. 3. Un grupo de ADPribosa se transfiere a la proteína inactivándola. 4. La toxina se libera para repetir el proceso. Pocas vías son únicas de las bacterias. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility ✺ La ribosilación de difosfato de adenosina (ADP) es la acción de múltiples toxinas. Page 23 / 51 Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Pocas vías son únicas de las bacterias. ✺ La ribosilación de difosfato de adenosina (ADP) es la acción de múltiples toxinas. Reacciones de polimerización La polimerización del DNA se denomina replicación, la cual siempre inicia en sitios especiales del cromosoma y después procede en forma bidireccional alrededor del cromosoma circular (figura 21–17). Algunos de los agentes quimioterapéuticos derivan su toxicidad selectiva para las bacterias de las características únicas de la replicación del DNA procariota. Los compuestos sintéticos de quinolona inhiben la DNA girasa, una de las muchas enzimas que participan en la replicación del DNA. Figura 21–17. Replicación del DNA en las bacterias. La replicación comienza en el origen de replicación. Dos horquillas de replicación avanzan en direcciones opuestas hasta encontrarse en el sitio de terminación (ter) de la replicación. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). La replicación semiconservadora bidireccional ocurre en las horquillas de replicación. Transcripción es la síntesis de RNA. La transcripción en las bacterias difiere de diversos modos respecto a la que ocurre en las células eucariotas. Una diferencia es que todas las formas del RNA bacteriano (mRNA, tRNA y rRNA) se sintetizan por medio de la misma enzima, RNA polimerasa. Esta enzima es una molécula grande y compleja que localiza secuencias específicas de DNA, llamadas promotores, que anteceden a todas las unidades transcripcionales. Es notable que el mRNA bacteriano se sintetiza, utiliza y degrada en unos cuantos minutos. La RNA polimerasa de las bacterias es el blanco del antimicrobiano rifampicina, que bloquea el inicio de la transcripción. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP isen200.3.145.12 La replicación bidireccional ocurre las horquillas de replicación. CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Los inhibidores de DNA girasa tienen una toxicidad selectiva para las bacterias. Page 24 / 51 Una diferencia es que todas las formas del RNA bacteriano (mRNA, tRNA y rRNA) se sintetizan por medio de la misma enzima, RNA polimerasa. Esta Universidad Pontificia Bolivariana enzima es una molécula grande y compleja que localiza secuencias específicas de DNA, llamadas promotores, que anteceden a todas las unidades Access Provided by: transcripcionales. Es notable que el mRNA bacteriano se sintetiza, utiliza y degrada en unos cuantos minutos. La RNA polimerasa de las bacterias es el blanco del antimicrobiano rifampicina, que bloquea el inicio de la transcripción. La replicación bidireccional ocurre en las horquillas de replicación. Los inhibidores de DNA girasa tienen una toxicidad selectiva para las bacterias. ✺ Una sola RNA polimerasa compone todas las formas del RNA bacteriano. Traducción es el nombre que se da a la síntesis de proteínas. Las bacterias activan los 20 componentes básicos de proteína durante su unión con moléculas específicas de RNA de transferencia. Factores proteínicos solubles llevan los aminoaciltRNA a los ribosomas y allí los aminoácidos se polimerizan en cadenas de polipéptidos, siguiendo la secuencia de codones en el mRNA que se está traduciendo. Al haber donado sus aminoácidos, el tRNA se libera del ribosoma para regresar a otro ciclo de aminoacilación. Muchos agentes antimicrobianos derivan su toxicidad selectiva para las bacterias de las características y proteínas únicas del aparato de traducción procariota. De hecho, la síntesis de proteínas es el blanco de una mayor variedad de antimicrobianos que cualquier otro proceso metabólico. La transcripción y la traducción se ilustran en la figura 21–18. Figura 21–18. Conjunción de la transcripción y traducción en las bacterias. A medida que se transcribe el DNA, los ribosomas se enlazan con el extremo libre 5’ del mRNA. De este modo, comienza la traducción antes de que se termine la transcripción. Múltiples ribosomas están unidos al mRNA, formando un polirribosoma. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley, & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Los residuos de aminoácidos se polimerizan a partir de tRNA específicos. Los antimicrobianos actúan sobre la maquinaria de traducción de las bacterias. La traducción del mRNA ocurre en forma simultánea con la transcripción. Síntesis de peptidoglucano Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Otras reacciones de polimerización implican síntesis de peptidoglucano, fosfolípidos, LPS y polisacárido capsular. Todas estas reaccionesPage implican los 25 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, componentes básicos activados que se polimerizan o ensamblan dentro o en la superficie exterior de la membrana citoplásmica. La más peculiar de ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility éstas es el peptidoglucano, que está completamente ausente en las células eucariotas. La síntesis del peptidoglucano ocurre en tres compartimientos de la célula. A continuación se resumen los pasos implicados, los cuales se ilustran en la figura 21–19 junto con los puntos de La traducción del mRNA ocurre en forma simultánea con la transcripción. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Síntesis de peptidoglucano Otras reacciones de polimerización implican síntesis de peptidoglucano, fosfolípidos, LPS y polisacárido capsular. Todas estas reacciones implican los componentes básicos activados que se polimerizan o ensamblan dentro o en la superficie exterior de la membrana citoplásmica. La más peculiar de éstas es el peptidoglucano, que está completamente ausente en las células eucariotas. La síntesis del peptidoglucano ocurre en tres compartimientos de la célula. A continuación se resumen los pasos implicados, los cuales se ilustran en la figura 21–19 junto con los puntos de ataque de algunos antimicrobianos que bloquean pasos del proceso: 1. En el citosol, una serie de reacciones conducen a la síntesis, sobre un portador nucleótido (UDP), de un residuo de ácido Nacetilmurámico (NAM, Nacetylmuramic acid) que lleva un pentapéptido. 2. Después, este precursor se adhiere, con la liberación de UMP, a un portador especial parecido a un lípido en la membrana celular denominado bactoprenol. Dentro de la membrana celular, la Nacetilglucosamina (NAG, Nacetylglucosamine) se añade al precursor, junto con cualesquiera aminoácidos que en esta especie particular formarán el puente entre tetrapéptidos adyacentes. 3. Fuera de la membrana celular, esta subunidad de disacáridos se une al extremo de la cadena de glucano en desarrollo y después se forman por medio de transpeptidasas los enlaces cruzados entre cadenas que dan su fortaleza a la macromolécula (figura 21–20). Estas enzimas también se denominan proteínas de unión a la penicilina (PBP, penicillinbinding proteins) por su propiedad de enlazar este antibiótico. Estas transpeptidasas participan en la formación, desintegración y reformación de los enlaces de péptidos entre las cadenas de glucano que son necesarias para permitir la expansión del saco de peptidoglucano durante el desarrollo celular. Los detalles del proceso de formación de enlaces cruzados varían entre especies de bacterias. Figura 21–19. Síntesis de peptidoglucano. NAM es ácido Nacetilmurámico. y NAG es Nacetilglucosamina. El pentapéptido contiene Llisina en Staphylococcus aureus y ácido diaminopimélico en Escherichia coli. Se presenta la inhibición por medio de bacitracina, cicloserina y vancomicina. En la figura 21–20 se muestra la transpeptidación y la acción de las penicilinas. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Figura 21–20. Transpeptidación. Se presentan las reacciones de transpeptidación en la formación del peptidoglucano de Escherichia coli y Staphylococcus aureus. Los antibióticos betalactámicos enlazan las transpeptidasas y bloquean la formación de enlaces cruzados de las moléculas del esqueleto de peptidoglucano. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 26 / 51 Figura 21–20. Universidad Pontificia Bolivariana Transpeptidación. Se presentan las reacciones de transpeptidación en la formación del peptidoglucano de Escherichia coli y Staphylococcus Access Provided by: aureus. Los antibióticos betalactámicos enlazan las transpeptidasas y bloquean la formación de enlaces cruzados de las moléculas del esqueleto de peptidoglucano. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Secreción de proteínas Sacar las macromoléculas del interior de la célula hacia su lugar preciso en la pared, membrana externa y cápsula es un proceso complejo. De hecho, muchas proteínas se translocan a través de todas las capas de la envoltura celular hacia el ambiente exterior. Este último caso es de particular interés para la medicina cuando la proteína es una exotoxina u otra proteína implicada en la virulencia. Secreción de proteínas se ha vuelto el término general para aludir a todos los casos de translocación de proteínas fuera del citosol (es decir, ya sea que la proteína deje la célula o que se vuelva parte de la envoltura). El proceso es bastante sencillo en las bacterias grampositivas, en las que las proteínas, después de exportarse a través de la membrana citoplásmica, sólo tienen que moverse a través de la capa relativamente porosa de peptidoglucano. En las bacterias gramnegativas, también es necesario cruzar el espacio periplásmico y la membrana externa. Las proteínas se transportan a lugares en la estructura celular o hacia el exterior. En las bacterias gramnegativas, el periplasma y la membrana externa constituyen barreras adicionales. El mecanismo más sencillo y común para la secreción de proteínas, que se denomina vía secretoria general (G S P, general secretory pathway), es utilizado tanto por las bacterias grampositivas como por las gramnegativas. Las proteínas secretadas por medio de la GSP se llaman preproteínas debido a que tienen un péptido señalizador en su extremo anterior que les permite ser guiadas por las proteínas chaperonas del citosol a través de la maquinaria de transporte (figura 21–21). Una vez que ha pasado la GSP, se elimina el péptido señalizador, y la proteína terminada se dobla hasta adquirir su forma final. Figura 21–21. Vía secretoria general. La terminación aminoterminal de la preproteína tiene un péptido señalizador que facilita el transporte a través del aparato mediante proteínas chaperonas (SecB) y proteínas que forman canales (SecY, SecE, SecG) o tienen acciones propulsoras (SecA). El péptido señalizador se elimina en el exterior. Se requiere energía en la forma de hidrólisis de ATP (trifosfato de adenosina). (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 27 / 51 Vía secretoria general. La terminación aminoterminal de la preproteína tiene un péptido señalizador que facilita el transporte a través del aparato Universidad Pontificia Bolivariana mediante proteínas chaperonas (SecB) y proteínas que forman canales (SecY, SecE, SecG) o tienen acciones propulsoras (SecA). El péptido Access Provided by: señalizador se elimina en el exterior. Se requiere energía en la forma de hidrólisis de ATP (trifosfato de adenosina). (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). La GSP utiliza péptidos señalizadores y proteínas chaperonas. En las especies gramnegativas se han descubierto cinco vías adicionales que exportan proteínas a través de la membrana externa hacia el ambiente (figura 21–22). En la actualidad, se conocen al menos ocho sistemas de secreción bacteriana; dos de éstos (tipos II y V) proporcionan un segundo paso para las proteínas que ya se han secretado por medio de la GSP. Las otras se extienden a través de ambas membranas, y dos de ellas (tipos III y IV) tienen un elaborado dispositivo tipo jeringa que literalmente inyecta las proteínas a través de una tercera membrana, la de la célula hospedadora. Estos sistemas de secreción por inyección son uno de los principales mecanismos para transmitir exotoxinas y otras proteínas importantes para la patogénesis de las infecciones humanas. Los sistemas tipo IV tienen la propiedad adicional de ser capaces de inyectar DNA al igual que proteínas, y son importantes para la transferencia genética, como se analiza en el siguiente texto. Un sexto tipo de sistema de secreción recién descubierto semeja los dispositivos para punción de célula de bacteriófagos y, así, puede inyectar hacia bacterias, así como hacia células eucariontes. Desde el punto de vista funcional, parece similar a los sistemas de secreción para inyección tipos III y IV. Figura 21–22. Sistemas de secreción de bacterias gramnegativas. Tipo I. Las proteínas se exportan directamente a través de las membranas citoplásmica y externa sin utilizar una vía secretoria general (GSP, general secretory pathway). Tipo II. La GSP u otro sistema denominado Tat secretan dentro del espacio periplásmico y después las proteínas se transportan a través de la membrana externa. Tipo III. Las proteínas se transportan a través de las dos membranas y después se inyectan mediante un aparato de jeringa. Tipo IV. Como en el tipo III, pero también inyecta DNA. Tipo V. Como el tipo II, excepto que la proteína se autotransporta a través de la membrana externa. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 28 / 51 espacio periplásmico y después las proteínas se transportan a través de la membrana externa. Tipo III. Las proteínas se transportan a través de las Universidad Pontificia Bolivariana dos membranas y después se inyectan mediante un aparato de jeringa. Tipo IV. Como en el tipo III, pero también inyecta DNA. Tipo V. Como el tipo II, Access Provided by: excepto que la proteína se autotransporta a través de la membrana externa. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Seis sistemas transportan a través de la membrana externa. ✺ Los sistemas de secreción por inyección emplean una jeringa para penetrar en las células hospedadoras. CONCLUSIONES CLAVE CONCLUSIONES CLAVE Excepto por la velocidad, los procesos metabólicos bacterianos son similares a los de las células eucariotas. Los nutrimentos deben difundirse o transportarse activamente a través de la pared celular hacia el citoplasma. Los canales de porina facilitan el transporte a través de la membrana externa gramnegativa. La fermentación y la respiración oxidativa generan energía en forma de ATP. Las bacterias anaerobias sólo fermentan y son sensibles al oxígeno molecular. La replicación, transcripción y traducción del DNA se adaptan al cromosoma bacteriano circular. Las proteínas, incluidas las toxinas sintetizadas por bacterias, son secretadas por estructuras especializadas que incluyen inyectores en forma de jeringa. Las toxinas estimulan reacciones enzimáticas únicas como la ADPribosilación que inactiva las proteínas objetivo. CRECIMIENTO Y REGULACIÓN CELULAR Las bacterias se multiplican por fisión binaria. El tiempo necesario para que un cultivo duplique su masa o número de células está en el rango de 30–60 minutos para la mayoría de las bacterias patógenas en medios con nutrientes adecuados. Algunas especies pueden duplicarse en 20 minutos (E. coli y microorganismos relacionados), y algunas (p. ej., ciertas micobacterias) tardan casi tanto como las células de los mamíferos: 20 horas. Cuando se Downloaded 2024214 P Yourlíquidos IP is 200.3.145.12 inoculan por primera vez,2:45 los cultivos de bacterias muestran de manera característica un periodo de latencia seguido de una fase de 29 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos,crecimiento exponencial o logarítmico. A medida que se agotan los nutrimentos y sePage duplicación celular máxima constante, llamada acumulan ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility los productos de desecho, el crecimiento se vuelve progresivamente limitado (fase estacionaria) y al final se detiene. La curva de crecimiento generada por este ciclo se ilustra en la figura 21–23. CRECIMIENTO Y REGULACIÓN CELULAR Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Las bacterias se multiplican por fisión binaria. El tiempo necesario para que un cultivo duplique su masa o número de células está en el rango de 30–60 minutos para la mayoría de las bacterias patógenas en medios con nutrientes adecuados. Algunas especies pueden duplicarse en 20 minutos (E. coli y microorganismos relacionados), y algunas (p. ej., ciertas micobacterias) tardan casi tanto como las células de los mamíferos: 20 horas. Cuando se inoculan por primera vez, los cultivos líquidos de bacterias muestran de manera característica un periodo de latencia seguido de una fase de duplicación celular máxima constante, llamada crecimiento exponencial o logarítmico. A medida que se agotan los nutrimentos y se acumulan los productos de desecho, el crecimiento se vuelve progresivamente limitado (fase estacionaria) y al final se detiene. La curva de crecimiento generada por este ciclo se ilustra en la figura 21–23. Figura 21–23. Curva de crecimiento. Fases del crecimiento bacteriano en un medio líquido. Después de una fase de latencia, los cultivos exhiben crecimiento exponencial. El agotamiento de nutrientes y la acumulación de productos de desecho terminan el crecimiento. REGULACIÓN Y ADAPTACIÓN Las bacterias tienen poco control sobre su ambiente, de modo que deben adaptarse a éste de manera flexible. Logran esta proeza utilizando muchos mecanismos reguladores, algunos de los cuales operan para controlar la actividad enzimática, mientras que otros controlan la expresión genética. Control de la actividad enzimática Con mucho, el medio más frecuente por el que las células bacterianas modulan el flujo de material a través de las vías energéticas y biosintéticas es mediante el cambio de la actividad de las enzimas alostéricas a través de enlace reversible con ligandos de bajo peso molecular (figura 21–24). En las vías energéticas es común que el AMP, ADP y ATP controlen la actividad de las enzimas al causar cambios en la conformación de las enzimas alostéricas, que por lo general se localizan en puntos esenciales de ramas donde hay una intersección de vías. Por este medio, el flujo del carbono de los principales sustratos proveniente de diversas vías se ajusta para adecuarse a las demandas de la biosíntesis. En las vías biosintéticas es común que el producto final de la vía controle la actividad de la primera enzima en la vía. Este patrón, llamado inhibición por retroalimentación o inhibición por producto final, garantiza que cada componente básico esté formado exactamente a la tasa que se emplea para la polimerización (figura 21–25). Esto también garantiza que no haya un desperdicio en la duplicación por síntesis de los componentes básicos provistos en el medio. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 Figura 21–24. Page 30 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Regulación alostérica. En este ejemplo de la estructura y función de una enzima alostérica, el efector o modulador se une primero con un sitio regulador independiente, y causa un cambio en la conformación de las enzimas que provoca una alteración en la forma del sitio activo. Ahora, el sitio alostéricas, que por lo general se localizan en puntos esenciales de ramas donde hay una intersección de vías. Por este medio, el flujo del carbono de Universidad Pontificia Bolivariana los principales sustratos proveniente de diversas vías se ajusta para adecuarse a las demandas de la biosíntesis. En las vías biosintéticas es común que Access Provided by: el producto final de la vía controle la actividad de la primera enzima en la vía. Este patrón, llamado inhibición por retroalimentación o inhibición por producto final, garantiza que cada componente básico esté formado exactamente a la tasa que se emplea para la polimerización (figura 21–25). Esto también garantiza que no haya un desperdicio en la duplicación por síntesis de los componentes básicos provistos en el medio. Figura 21–24. Regulación alostérica. En este ejemplo de la estructura y función de una enzima alostérica, el efector o modulador se une primero con un sitio regulador independiente, y causa un cambio en la conformación de las enzimas que provoca una alteración en la forma del sitio activo. Ahora, el sitio activo puede unirse de manera más eficiente con el sustrato; este efector es positivo porque estimula el enlace del sustrato y la actividad catalítica. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Figura 21–25. Inhibición por retroalimentación. La inhibición por retroalimentación en una vía bifurcada con dos productos finales. Las enzimas de la ramificación, que catalizan la conversión de un producto E intermedio en F y G, se regulan mediante inhibición por retroalimentación. Los productos P y Q también inhiben la reacción inicial en la vía. Una línea en color con un signo de menos en un extremo indica que un producto final, P o Q, inhibe a la enzima que cataliza el siguiente paso después del signo. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 31 / 51 ramificación, que catalizan la conversión de un producto E intermedio en F y G, se regulan mediante inhibición por retroalimentación. Los productos P Universidad Pontificia Bolivariana y Q también inhiben la reacción inicial en la vía. Una línea en color con un signo de menos en un extremo indica que un producto final, P o Q, inhibe a la Access Provided by: enzima que cataliza el siguiente paso después del signo. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). La mayoría de las vías metabólicas están controladas por enzimas alostéricas. La inhibición por retroalimentación proporciona economía y eficiencia. Control de la expresión génica A un mayor grado que en las células eucariotas, las bacterias regulan su metabolismo al cambiar las cantidades de diversas enzimas, lo cual se logra principalmente al administrar sus tasas de síntesis; es decir, al controlar la expresión de genes. Esto funciona con rapidez en las bacterias debido a su velocidad de crecimiento; detener la síntesis de una enzima particular produce en poco tiempo la reducción de su nivel celular debido a la dilución causada por el crecimiento de la célula. Los cambios en la expresión genética transforman con rapidez la síntesis de enzimas. La mayoría de los genes bacterianos que conocemos se organizan como operones multicistrónicos. Un cistrón es un segmento de DNA que codifica un polipéptido. Un operón es la unidad de transcripción; los cistrones comprendidos en esta unidad se cotranscriben como un solo mRNA. La estructura de un operón típico (figura 21–26) consiste en una región promotora, una región de operador, cistrones componentes y un terminador. La RNA polimerasa reconoce la región promotora y se enlaza con el DNA. Figura 21–26. Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 32 / 51 CAPÍTULO Bacterias. Conceptos básicos, Operón lac21:. El operón lac consiste en tres genes: lacZ, lacY y lacA, que se transcriben como una sola unidad proveniente del promotor lacPage. El operón ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility está regulado tanto en forma positiva como negativa. El control negativo ocurre a causa del represor lac, que es el producto del gen lacl. El operador es el sitio de enlace del represor lac. El control positivo proviene de la acción de CAP. CAP se enlaza con el sitio CAP que está justo arriba del promotor lac. La mayoría de los genes bacterianos que conocemos se organizan como operones multicistrónicos. Un cistrón es un segmento de DNA que Universidadcomo Pontificia Bolivariana codifica un polipéptido. Un operón es la unidad de transcripción; los cistrones comprendidos en esta unidad se cotranscriben un solo mRNA. Access Provided by: La estructura de un operón típico (figura 21–26) consiste en una región promotora, una región de operador, cistrones componentes y un terminador. La RNA polimerasa reconoce la región promotora y se enlaza con el DNA. Figura 21–26. Operón lac. El operón lac consiste en tres genes: lacZ, lacY y lacA, que se transcriben como una sola unidad proveniente del promotor lac. El operón está regulado tanto en forma positiva como negativa. El control negativo ocurre a causa del represor lac, que es el producto del gen lacl. El operador es el sitio de enlace del represor lac. El control positivo proviene de la acción de CAP. CAP se enlaza con el sitio CAP que está justo arriba del promotor lac. CAP es parcialmente responsable de un fenómeno conocido como represión por catabolito, un ejemplo de una red de control global en la que numerosos operones están bajo el control de una sola proteína. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Los genes se organizan como unidades transcripcionales denominadas operones. La RNA polimerasa se enlaza al promotor. Cerca del promotor en muchos operones está un operador al que se puede enlazar una proteína reguladora o factor de transcripción específico. En algunos casos, la unión de este regulador bloquea el inicio; en tal caso de control negativo, el regulador se denomina represor. El funcionamiento de los tipos positivo y negativo de regulación del inicio de la transcripción se ilustra en la figura 21–27. Algunos sistemas reguladores pueden actuar en múltiples etapas. El sistema de dos componentes que se ilustra en la figura 21–28 muestra una señal ambiental que se percibe en la membrana citoplásmica y que conduce a la activación de un regulón independiente. Esta relación entre percepción ambiental y regulación se lleva a otro nivel con sistemas de dos componentes utilizados por los patógenos para el despliegue de factores de virulencia. Bordetella pertussis emplea un sistema de este tipo para producir proteínas de unión y toxinas justo en el momento preciso de la producción de la tos ferina. Figura 21–27. Proteínas reguladoras bacterianas. Estas proteínas tienen dos sitios de enlace: uno para una pequeña molécula efectora y el otro para el DNA. La unión de la molécula efectora cambia la capacidad de la proteína reguladora para enlazar el DNA. A. Sin inductor, la proteína represora bloquea la transcripción. El inductor previene que el represor enlace el DNA y ocurre la transcripción. B. Sin un correpresor, el represor no puede enlazar el DNA y ocurre la transcripción. Cuando el correpresor está unido al represor, este último puede enlazar el DNA y se bloquea la transcripción. C. La proteína activadora es capaz de enlazar el DNA y activa la transcripción sólo cuando está unida con el inductor. D. El activador enlaza el DNA y promueve la transcripción, a menos que esté presente el inhibidor. Cuando hay un inhibidor, el activador atraviesa por un cambio de conformación que impide que enlace al DNA; esto inhibe la transcripción. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Downloaded 2024214 2:45 P Your IP is 200.3.145.12 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, ©2024 McGraw Hill. All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility Page 33 / 51 activadora es capaz de enlazar el DNA y activa la transcripción sólo cuando está unida con el inductor. D. El activador enlaza el DNA y promueve la Universidad Pontificia Bolivariana transcripción, a menos que esté presente el inhibidor. Cuando hay un inhibidor, el activador atraviesa por un cambio de conformación que impide que Access Provided by: enlace al DNA; esto inhibe la transcripción. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Figura 21–28. Sistema de transducción de señal de dos componentes y la regulación de las proteínas porinas. En este sistema, la proteína sensora cinasa EnvZ se entrelaza en la membrana citoplásmica, de modo que sus extremos Cterminal y Nterminal están en el citosol. Cuando EnvZ percibe un incremento en osmolaridad, autofosforila un residuo de histidina en su extremo Cterminal. Después, EnvZ pasa el grupo fosforilo al regulador de respuesta OmpR, que lo acepta en un residuo de ácido aspártico localizado en su extremo Nterminal. Esto activa OmpR, de modo que pueda enlazar el DNA, reprimir la expresión de ompF y aumentar la expresión de ompC. (Reproducida con autorización de Willey JM: Prescott, Harley & Klein’s Microbiology, 7th edition. New York, NY: McGraw Hill, 2008). Las proteínas activadoras y represoras regulan la transcripción al enlazarse con la región operadora de los operones. Los sistemas de dos componentes relacionan la percepción ambiental con la regulación. Células de fase estacionaria Downloaded 2024214la2:45 P YouraIP 200.3.145.12 Para algunas bacterias, adaptación unisestado sin crecimiento implica la formación de una célula diferenciada llamada célula de fase estacionaria. Page 34 / 51 CAPÍTULO 21: Bacterias. Conceptos básicos, Su envoltura se hace resistente por muchas modificaciones de su estructura, la agregación de su cromosoma y el ajuste de su metabolismo a un ©2024 McGraw Hill. más All Rights Reserved. Terms of Use Privacy Policy Notice Accessibility modo de mantenimiento. Estos estados pueden ser importantes en enfermedades como la tuberculosis, la cual tiene largos periodos de latencia después de la infección primaria, o el cólera en que las células persisten en un estado latente en el ambiente entre epidemias. Los sistemas de dos componentes relacionan la percepción ambiental con la regulación. Universidad Pontificia Bolivariana Access Provided by: Células de fase estacionaria Para algunas bacterias, la adaptación a un estado sin crecimiento implica la formación de una célula diferenciada llamada célula de fase estacionaria. Su envoltura se hace más resistente por muchas modificaciones de su estructura, la agregación de su cromosoma y el ajuste de su metabolismo a un modo de mantenimiento. Estos estados pueden ser importantes en enfermedades como la tuberculosis, la cual tiene largos periodos de latencia después de la infección primaria, o el cólera en que las cél

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