Composición, Estructura y Funciones del Peptidoglucano en Bacterias

Peptidoglucano: Composición Química y Estructura

Unidad Disacárida Repetitiva

• N-acetilglucosamina (NAG) unida por enlace β(1→4) con N-acetilmurámico (NAM)
• Las distintas unidades disacáridas se unen entre sí mediante enlaces β(1-4)
• Este enlace puede ser roto por la lisozima

Cadena Tetrapeptídica

• Se extiende desde el grupo -COOH del lactilo de cada NAM
• Suele ser: L-ala → D-glu → m-DAP → D-ala

Peptidoglucano de Bacterias Gram Negativas

• Normalmente: 1 capa de peptidoglucano
• Las distintas cadenas se unen por enlaces peptídicos directos entre el grupo ε-NH2 del m-DAP de una cadena con el -COOH de la D-ala de otra cadena
• Malla floja con grandes poros: 50% NAM carece de tetrapéptidos
• En espiroquetas, el diaminoácido en posición Nº 3 es la L-ornitina (en lugar de m-DAP)

Estructura Global del Peptidoglucano de Bacterias Gram Positivas

• Múltiples capas de peptidoglucano (distintos niveles, hasta 50 en especies de Bacillus)
• Entrecruzamientos entre cadenas del mismo nivel y entre un nivel y el inmediato superior o inferior
• La mayoría de NAM tienen tetrapéptidos
• La mayoría de tetrapéptidos participan en enlaces
• Consecuencia: red tridimensional gruesa, con poros pequeños, más compacta que en Gram negativas

Relaciones Estructura-Función en el Peptidoglucano

• Gran rigidez: aguanta las fuerzas osmóticas del protoplasto (5-15 atm). La rigidez proviene de:
  • El grado de entrecruzamiento
  • El enlace β(1→4) es muy compacto. La alternancia de NAM y NAG da lugar a uno de los polisacáridos más estables que existen
  • La alternancia de aminoácidos en L y en D proporciona estabilidad adicional (cadenas laterales al mismo lado, puentes de hidrógeno)
• Al mismo tiempo, gran flexibilidad: soporta variaciones de presión osmótica del protoplasto
• Condiciona la forma celular
• Es muy permeable
• Puede estar como endotoxina (antígeno somático O)

Pared de las Bacterias Ácido-Alcohol Resistentes (BAAR)

• Pared especial de ciertas Gram-positivas: Nocardia, Mycobacterium
• Resisten la decoloración con clorhídrico-etanol (ácido-alcohol resistentes)
• Esta propiedad deriva de: Ácidos micólicos (ceras) y Glucolípidos

Ácidos Micólicos

• Son β-hidroxiácidos grasos ramificados en α, de cadena muy larga
• Forman parte de un esqueleto muy peculiar de la pared celular:
  • Peptidoglucano → arabinogalactano → ácidos micólicos

Funciones de la Pared BAAR

• Aspecto y consistencia cérea de las colonias en placas de Petri
• En líquidos crecen formando grumos
• Gran impermeabilidad
• Resistencia a la desecación
• Resistencia a agentes antibacterianos:
  • Detergentes
  • Oxidantes
  • Ácidos y bases

Nutrición Microbiana

Conceptos Básicos

• Autotrofía y heterotrofía
• Macronutrientes y micronutrientes
• Nutrientes universales y particulares
• Fijación de N₂
• Factores de crecimiento

Tipos de Metabolismo Energético

• Energía de radiaciones: fototrofía
  • Fotolitotrofía: captación de energía lumínica con nutrición exclusiva a partir de sustancias inorgánicas
  • Fotoorganotrofía: captación de energía lumínica con requerimiento de sustancias orgánicas
• Energía de sustancias químicas: quimiotrofía
  • Quimiolitotrofía: energía química a partir de sustancias inorgánicas
  • Quimioorganotrofía: energía química a partir de sustancias orgánicas

Fermentaciones

• Regeneración de NAD+ y productos de fermentación
• Algunos tipos de fermentación:
  • Láctica
  • Alcohólica
  • Ácida mixta
  • Butilenglicólica
  • Acetono-butírica

Necesidad de Oxígeno

• Bacterias aerobias: necesitan O₂ para su metabolismo. Realizan la oxidación de la materia orgánica en presencia de O₂ molecular, es decir, realizan la respiración celular.
• Bacterias anaerobias: no utilizan O₂ molecular en su actividad biológica. Obtienen energía mediante catabolismo fermentativo. Se distinguen dos grupos:
  • Bacterias anaerobias facultativas: pueden vivir en ambientes con o sin oxígeno.
  • Bacterias anaerobias estrictas: solo pueden sobrevivir en ambientes carentes de oxígeno. Ejemplo: Clostridium.

Necesidad de Temperatura

• Psicrófilos (0º - 20ºC)
• Mesófilos (20º - 40ºC)
• Termófilos (40º - 90ºC)
• La mayoría de las bacterias son mesófilas, especialmente las patógenas humanas que requieren 37ºC.

Nutrientes y su Función

• Nutrición: captación del medio de las sustancias para crecer (= nutrientes).
• Los nutrientes se necesitan para:
  • Fines energéticos (en quimiótrofos) y mantenimiento
  • Fines biosintéticos (anabolismo, reacciones plásticas)
• Catabolismo y anabolismo: papel de la obtención de energía en vincular estos procesos

Clasificación de Nutrientes

• Macronutrientes: C, H, O, N, P, S, K, Mg
• Micronutrientes (elementos traza): Co, Cu, Zn, Mo, etc.
• El mundo microbiano es de una sorprendente diversidad metabólica. Algunos metabolismos solo han evolucionado en procariotas. Ejemplos:
  • En heterótrofos: desde metilotrofos (usan C1) hasta los versátiles Pseudomonas, que usan más de 100 tipos de C orgánico, incluyendo hidrocarburos alifáticos y cíclicos
  • Los quimiolitoautótrofos crecen en oscuridad en medios a base solamente de sales minerales
  • La fijación de N₂ solo ha evolucionado en procariotas
• Clases de nutrientes:
  • Universales, requeridos en esta forma por todos los procariotas: H₂O, CO₂, PO₄^3- y sales minerales
  • Particulares, elementos que se pueden captar de diferentes maneras, según especies:
    • N: como N inorgánico (oxidado o reducido), como N orgánico; fijación de N₂ (en ausencia de N combinado)
    • S: como S inorgánico u orgánico

Factores de Crecimiento

• Son moléculas orgánicas específicas que determinadas bacterias no pueden sintetizar por sí mismas y que deben tomar del medio ambiente:
• Son requeridas en muy pequeñas cantidades
• No tienen función plástica, ni sirven de fuente de energía
• Suelen ser coenzimas o sus precursores, vitaminas, etc.
• Ejemplos:
  • Brucella requiere biotina, niacina, tiamina y pantoténico
  • Haemophilus necesita hemo y piridín-nucleótidos

Historia y Desarrollo de la Microbiología

Desarrollo de la Asepsia y la Quimioterapia

• Domagk (1935): rojo de prontosilo contra neumococos
• Época de las sulfamidas
• Desarrollo de la asepsia

Antibioterapia

• Fleming (1929): extracto crudo de penicilina (del hongo Penicillium notatum)
• Chain y Florey (1940-4): purificación de la penicilina. Uso en la 2ª Guerra Mundial
• Waksman (1944): Descubrimiento de la estreptomicina de Streptomyces griseus
• Tras la Guerra, se descubren numerosos antibióticos, producidos sobre todo por Actinomicetos

Auge de la Microbiología General: Litotrofía y Autotrofía

Sergei Winogradsky

• 1888: Bacterias del hierro crecen en medios minerales
• 1889: Bacterias del azufre oxidan sulfuros o S y obtienen energía de ello (litotrofia)
• 1890: Bacterias nitrificantes fijan CO₂ con la energía de la oxidación del amonio o nitrato (quimiolito-autotrofia)
• Primer aislamiento de bacteria fijadora de nitrógeno (Clostridium pasteurianum)
• Explica el ciclo del N en la biósfera

Beijerinck

• Descubre Azotobacter (1901)
• Demuestra que incorpora el N de la atmósfera (1909)
• (Beijerinck 1888; Hellriegel y Willfahrt, 1888), Papel de Rhizobium en la simbiosis fijadora de las leguminosas
• Incorporación de la Microbiología agrícola a las universidades y estaciones experimentales

Diferencias entre Células Procariotas y Eucariotas

Procariotas

• Genóforo
  • Un solo cromosoma
  • ADN circular de doble cadena
  • No membrana nuclear (no hay núcleo auténtico)
  • No histonas
• Replicación: no mitosis
• Organización del citoplasma
  • No orgánulos de tipo eucariótico
  • No citoesqueleto
• Ribosomas de tipo 70S

Tamaño, Forma y Agrupaciones Bacterianas

Tamaño de los Procariotas

• Por lo general, más pequeño que el de las células eucarióticas
• Pero existen bacterias:
  • Gigantes (≥ 0,5 mm)
  • Enanas (< 0,1 micras)
• Un tamaño típico: 0,5 x 3 micras
• Tamaño pequeño: consecuencias metodológicas
  • Hay que recurrir a microscopios y normalmente a tinciones
  • La inmensa mayoría de los estudios se realiza con poblaciones enormes, de las que se sacan promedios
  • Es muy raro estudiar un individuo cada vez

Formas Típicas

• Cocos
• Bacilos
• Espirilos
• Vibriones
• Otras formas:
  • Filamentos
  • Anillos casi cerrados
  • Con prolongaciones (prostecas)

Agrupaciones Bacterianas

• Un solo plano de división:
  • De dos células: Diplococos, diplobacilos
  • Cadenetas de varias células: Estreptococos, estreptobacilos
• Dos o más planos de división (en cocos):
  • Dos planos perpendiculares: tétradas
  • Tres planos ortogonales: sarcinas (paquetes cúbicos)
  • Muchos planos aleatorios: estafilococos

Estructuras de la Célula Procariótica

• Cápsula
• Pared celular*
• Membrana citoplasmática*
• Citoplasma, incluye:
  • Genoma (nucleoide), constituido por un cromosoma*
  • Ribosomas*
• Pueden existir, además:
  • Plásmidos
  • Flagelos
  • Fimbrias (= pelos)
  • Espora

Cápsula y Capas Mucilaginosas: Conceptos Generales

• Cápsulas en sentido estricto son rígidas e integrales
• Las capas mucilaginosas son flexibles y periféricas
• Glucocálix: capas superficiales compuestas de polisacárido
• Sirven para adhesión entre células, y colonización de nichos. En muchas patógenas sirven, además, para protegerse de agentes antibacterianos

Cápsula: Composición Química y Estructura

• Composición química
  • Cápsulas polisacarídicas:
    • Heteropolisacáridos aniónicos
    • Heteropolisacáridos neutros (levanos, dextranos, pentanos, celulosa)
    • Alginatos
  • Cápsulas polipeptídicas (en Bacillus)
• Constituyen el antígeno capsular K

Funciones de la Cápsula

• Mejora la difusión de nutrientes
• Protección contra la desecación
• Evita la fagocitosis
• Protección contra agentes antibacterianos
• Adhesión a sustratos:
  • A sustratos inertes: microcolonias de la misma especie y consorcios de diferentes especies, con ventajas metabólicas. Ello tiene secuelas económicas:
    • Corrosión de cañerías
    • Formación de placa dental y caries
    • Formación de biopelículas en catéteres y prótesis
  • A sustratos vivos: actúan como adhesinas;
    • Efectos benéficos: colonización de flora autóctona en intestino de mamíferos
    • En sistemas patológicos: como factores de virulencia; a veces sirven para escapar del sistema inmune