LA CLULA PROCARIOTA

8 de noviembre de 2011

Microbiologa - Clase I 1

Se hablar de la estructura de la clula procarionte y la eucarionte, pero bsicamente la clase se

centrar en los procariontes. Se sabe que hay tres dominios de la vida. Esta clasificacin es en base

a exmenes filogenticos de la secuencia del cido nucleico. Se analiza la secuencia de todas las

formas de vida existentes y se lleg a la conclusin de que bsicamente hay tres grandes rasgos o

dominios de la vida, los cuales son:

Archaea

Eukarya

Bacteria

De estos tres dominios, el archaea y el de las Bacterias son de naturaleza y estructura procarionte.

Son prcticamente idnticos desde un punto de vista estructural, aunque tambin hay muchas

diferencias como a nivel gentico y en cuanto a estructura qumica de algunos componentes

celulares y eso es lo que hace que estn en dos dominios completamente diferentes.

Entonces, se puede ver una fotografa de microscopio electrnico al lado izquierdo de los tres

dominios; las archaeas, dentro de las bacterias est la Escherichia Coli ubicada en el tracto

intestinal y al final un representante unicelular de una Eukarya, la levadura de la cerveza. Si se

comparan las dos primeras fotografas, (archaea y bacteria) se observa claramente que son

prcticamente iguales, ambas de forma bacilar, unicelular y no hay gran diferencia a nivel

superficial, eso es porque desde el punto de vista estructural hay poca diferencia entre ambas, por

otro lado, ambas son procariontes.

Sin embargo, hay una diferencia esencial entre stas dos, que va ms all de la estructura, es algo

que las diferencia de todo el resto de los microorganismo y esta diferencia est relacionada al

ambiente, tanto archaeas como bacterias viven en el agua como tambin en los ambientes

extremos. Una gran diferencia de las archaeas con respecto a las bacterias, es que stas ltimas

viven en ambientes enormemente extremos e inhspitos, las encontraremos por ejemplo; en

lugares donde no se van a encontrar eucariontes, animales ni bacterias comunes.

Por ejemplo dentro del mundo de los eucariontes (desde los metazoos hasta los mamferos) el

lmite de temperatura en el cual pueden vivir, proliferar y reproducirse un eucarionte, como el

metazoo, es de a lo ms 50 C. Pero hay un animal que puede resistir ms de esa temperatura,

ste es un insecto, llamado oso de agua o Tardigrada, muy pequeo el cual puede sobrevivir a

extremos.

Dentro de los metazoos, el extremo de temperatura lo tiene el gusano poliqueto denominado

Alvinella pompejana que vive en las profundidades marinas (aprox. 4 a 5mil metros de

profundidad) en esos lugares hay chimeneas hidrotermales que liberan aguas a altas temperaturas

y a su alrededor vive este gusano.

Una caracterstica que tiene es que en un extremo puede estar muy frio como 30-35 C mientras

que en el otro extremo del animal su temperatura corporal puede ser de 70 a 80 C lo que es

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extrao es esa diferencia de temperatura en el mismo cuerpo y este es un ejemplo de animal que

puede soportar altas temperaturas en los eucariontes.

Pero las archaeas ganan enormemente en relacin a estas condiciones extremas. Dentro de stas,

podemos ver algunas que son Hipertermfilas, sobreviviendo a temperaturas tan altas como 113

C (y eso que se habla de un ptimo de T) y adems de aquello, a veces en esas chimeneas

termales se encuentran rodeadas de cido sulfrico, todo muy extremo. Se han encontrado

archaeas en lugares muy profundos como en el centro de la tierra, en minas de Uranio, en aguas

termales, en ambientes salinos (zonas hipersaturadas de sal), zonas polares, en profundidades

marinas (thermococcus barophilus). Por tanto, las archaeas viven en ambientes demasiado

extremos, entonces no se puede esperar que si se compara una de stas con una bacteria como

E.Coli cuya temperatura ptima es de 35 C y que vive en el tracto intestinal, tengan una

membrana celular y una pared celular exactamente iguales, por ende, hay modificaciones y

aunque aparentemente dentro de los procariontes estos dos grupos se ven iguales no lo son tanto.

Se puede observar la tpica ultra estructura de una clula procarionte que a diferencia de una

clula eucarionte, no posee orgnulos que estn rodeados de una doble membrana como

mitocondrias, cloroplastos, etc. lo que se cumple tanto para archaeas como bacterias (diferencia

evidente y muy conocida). Como todo procarionte, las archaeas y bacterias poseen una bicapa

lipdica como membrana plasmtica, pero las bacterias a diferencia de la membrana plasmtica

eucarionte no poseen colesterol entre los fosfolipidos sino que poseen hopanoides los cuales son

muy similares al colesterol a nivel estructural (no idnticas) ms an, poseen la misma funcin. En

este caso las archaeas no poseen hopanoides.

Aparte de esa pequea diferencia, lo que es el resto de estructura macro de la membrana

plasmtica, archaeas y bacterias y eucariontes, son iguales en lo que respecta a bicapa lipdica.

Pero esta bicapa lipdica no es til ni funcional para una archaea que vive a 120 C, entonces ah es

donde se ve otra diferencia (muy notable) entre la especie bacteria y archaea, donde esta ltima

en condiciones de extremas temperaturas en relacin a una bacteria que vive por ejemplo a

nuestra temperatura corporal, no poseer una doble capa de lpidos sino que una monocapa de

lpidos. Se hace nfasis en que esta caracterstica no es de todas las archaeas sino que solamente

de las que se encuentran en ambientes extremos.

Por ejemplo, habrn archaeas que a temperaturas de 50-60 C tienen una bicapa, pero a medida

que la temperatura aumenta y se coloca ms caliente el ambiente, la archaea se adaptar e ir

variando su bicapa lipdica por una monocapa la cual ser una estructura mucho ms rgida. Y esto

es porque al ser una monocapa sta no tendr la capacidad de abrirse, en el caso de la bicapa (son

dos hoja donde una da hacia el espacio extracelular y la otra hacia el citosol) cuando aumenta la

temperatura se empieza a separar, de esa forma se pierde la integridad, la archaea simplemente

se va a lisar y se funde la membrana a altas temperaturas, en cambio con la monocapa que se

obtiene con la adaptacin no ocurre aquello, no hay posibilidad de que se separen las dos hojas.

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Esta adaptacin es propia de las archaeas, no la poseen las bacterias aun cuando ambas son

procariotas ni aunque stas tambin pueden encontrarse en altas temperaturas como 70 -80 C

por ende, no se adaptan a una monocapa como las archaeas.

Aparte de stas pequeas diferencias, considerando ahora tanto archaeas como bacterias, el

gnero Procarionte posee una pared celular (si bien vara entre un dominio y otro), hay cuerpos de

inclusin, ribosomas (que varan respecto al de eucariontes) y un nucleoide donde bsicamente se

encuentra el material nuclear, ADN. El nucleoide no posee membrana nuclear aunque se han visto

algunos procariontes que tendran membrana nuclear pero es algo ms bien extrao.

En la fotografa de microscopio electrnico se puede observar claramente el cromosoma como

una estructura un poco amorfa donde el ADN est muy enrollado. Se sabe que en el caso de los

eucariontes el ADN est asociado a histonas (protenas) y en bacterias el ADN no est asociado a

histonas, pero si a unas protenas similares a histonas denominadas histona like (son como

histonas pero no lo son).

TAMAO Y FORMA

Hablando derechamente de procariotas (bacterias como archaeas) se encuentran bacterias con

formas:

Cocoides

Bacilares

Espiroquetas

Espirilo

con apndices

Filamentosas: como bacilos alargados.

Las cuatro primeras son las ms comunes. Se pueden encontrar bacterias en forma aislada o en

agrupaciones, se ven conglomerados que se asocian entre s, algunas en cadenas o bien

simplemente aisladas. En general la forma de agrupaciones es bastante variada entre las bacterias.

En lo que respecta tamao, es muy variado. La tpica bacteria sera como la E. Coli, es como el

tamao promedio de una bacteria, entre 1 3 m. Pero existen ms pequeas, algunas que son

mucho ms pequeas que la E. Coli o bien algunas muy gigantescas como la ms grande que se

conoce, el Epulopiscium fishelshoni que se encuentra en el esturin. Se puede ver la comparacin

con un eucarionte como es el paramecio, el cual es muchsimo ms grande que la E. Coli, ms an,

el Epulopiscium fishelshoni es al menos cuatro veces ms grande que ese paramecio.

Esta bacteria que es realmente grande mide de largo 600 m lo cual equivale a 0.6 mm, posible de

ver considerando que el lmite de resolucin humano a simple vista y sin la ayuda de un

microscopio es de 0.1 mm.

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PARED CELULAR

Aqu se presenta una gran diferencia entre bacterias y archaeas. Hay ciertas diferencias qumicas

en composicin celular de la pared celular de la archaeas (que no se nombraran).

En la imagen hay un sacado en blanco donde la fotografa queda dividida en dos, observndose

claramente la pared de bacterias como de las archaeas al lado. En el caso de las archaeas es muy

simple; citoplasma, membrana plasmtica, pared celular. Pero en una bacteria, se presenta la

membrana plasmtica, peptidoglicano y membrana externa, que corresponden ambas a la pared,

es decir, en una bacteria es mucho ms compleja la pared celular pues tiene ms componentes.

En relacin a las archaeas, la cual posee su membrana plasmtica que dependiendo de las

condiciones ser bicapa o monocapa, despus viene una estructura totalmente formada por

protenas que se llama capa S la cual es una capa geomtrica hexagonal. Se observa en la imagen y

parece muy simple, sin embargo, es una estructura muy resistente a ambientes extremos. En

cambio en la bacteria la capa S no se ve, se ver algo como membrana plasmtica, peptidoglicano

y la membrana externa, que si bien es mucho ms compleja es mucho menos resistente.

Es decir, la resistencia de las archaeas a las altas temperaturas es en parte pos la membrana

plasmtica y su capacidad de adaptarse a monocapa como tambin a causa de la pared celular.

En bacterias, de acuerdo a ciertas caractersticas tintoriales, se podr dividir este dominio en dos

grupos, de acuerdo a como est compuesta su pared celular en:

Bacterias Gram Positivas: Hay una membrana plasmtica y por fuera de sta una gruesa

capa de polmero (que en la imagen se ven en naranjo), un glucano llamado

peptidoglicano o murena (su componente principal y ms abundante).

Bacterias Gram Negativas: La pared celular es mucho ms compleja an y mas distinta.

Est la membrana plasmtica y por fuera de sta una capa de peptidoglicano al igual que

las Gram positivas, pero muchsimo ms delgada. Adems, por fuera de los peptidoglicano

los GN poseen una membrana plasmtica externa, una especie de segunda membrana

plasmtica. Por otra parte, las GN no tienen esta membrana externa si no que solo hasta

el peptidoglicano.

El componente ms importante sin duda es el peptidoglicano. Es as como se ordena la pared

celular en ambos grupos de bacterias. Por su parte las archaeas no tienen peptidoglicano.

ESTRUCTURA DEL PEPTIDOGLICANO

Bsicamente el peptidoglicano est conformado por unidades alternadas de dos compuestos

(que en la imagen se ve con G y M) denominadas; N-acetilglucosamina y N-acetilmurmico ambas

unidas mediante un enlace denominado (1-4). De esta forma forman el peptidoglicano.

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Intervencin: La diferencia entre las GN y GP tienen que ver por el lugar donde viven? R: no, se

pueden encontrar tanto bacterias GN como GP en el mismo ambiente, lo nico que podra generar

un poco de variante es que las GP (algunas, no todas) se pueden encontrar en ambientes un poco

ms hostiles que las GN porque algunas de ellas forman endosporas que son estructuras de

resistencia y que se presentan ms comnmente en las GP. Pero eso es vlido solo para algunos

grupos.

Entre capas, especficamente entre las unidades de N-acetilmurmico hay una conexin, las capas

estn interconectadas entre s a travs de uniones entre las letras M (N-acetilmurmico) y esa

conexin es bsicamente un pptido. Entonces ah hay una conexin entre un enlace peptdico. Se

puede observar en la imagen, que hay una serie de aminocidos; alanina, glutmico entre otros,

que permiten conectar las diferentes capas de estos glucanos. En la imagen donde estn los

aminocidos se muestra la conexin entre las letras M en el otro esquema. Y esto es el

peptidoglicano.

ESTRUCTURA GENERAL BACTERIA GRAM POSITIVA

Es sumamente simple, presentndose la membrana plasmtica, la tpica capa lipdica y por fuera

unida a esta membrana estar la pared celular que bsicamente y casi exclusivamente es

peptidoglicano. Y aparte de peptidoglicano (que es lo mayoritario) tienen tambin otros

componentes como el cido glicoico, el cido teitoico, etc. pero bsicamente peptidoglicano (muy

grueso). Hay por supuesto sistemas transportadores, como poros, no es una estructura 100%

rgida, lgicamente hay cierta selectividad dada principalmente por la membrana plasmtica.

Entonces la pared en GP es bastante simple.

ESTRUCTURA GENERAL BACTERIA GRAM NEGATIVA

En las GN, est la membrana plasmtica. Pero la capa de peptidoglicano es muy delgada,

bsicamente solo una monocapa de este componente. Hasta ac cierta similitud con las bacterias

GP, pero despus de esto est otra bicapa lipdica la cual est ausente en las GP, llamada

membrana externa, tambin en esta hay dos capas de fosfolipidos pero tiene a diferencia de la

membrana plasmtica tradicional aparte de los lpidos, tiene LPS (Lipopolisacrido) y adems de

poseer LPS existen porinas que permiten el transporte de molculas hacia el interior.

Todo esto; bicapa, LPS, porinas entre otros componentes, corresponden a la membrana externa. Y

esto, es lo que est ausente en las bacterias GP.

Importante tener claro entonces que desde el peptidoglicano hacia afuera, todo es pared celular,

incluyendo peptidoglicano y membrana externa en general.

El LPS es importante desde un punto de vista patognico porque es una toxina, por ende, es un

factor de virulencia.

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Una infeccin con bacterias GN por ejemplo, si hay toxemia debido a LPS, se producir fiebre,

vmito y diarrea. Incluso puede causar la muerte si ya la cantidad de toxina es alta. Lo importante

es saber que el LPS no es solamente un componente de la pared celular sino que tambin es un

factor de virulencia.

Lo ltimo sobre la pared celular es que entre la membrana plasmtica y la membrana externa hay

un espacio que se llama periplasma el cual es un espacio acuoso rico en enzimas, donde ocurren

muchas reacciones enzimticas como de oxidacin, algunas de las enzimas que se encuentras son

fosfatasas y nucleasas. En las bacterias Gram Positivas no hay, est bsicamente en las Gram

negativas, pero hay evidencias de que tal vez haya periplasma. Sin embargo no est

completamente verificado.

En el laboratorio, existe una tincin denominada Tincin de Gram, debido a diferencias de la

pared celular entre GN y GP. Si se hace bien el trabajo, se podr ver que la bacteria GN se torna de

color rojo en cambio las bacterias GP adquieren un color purpura o violeta y es debido a la

composicin de la pared celular.

ESTRUCTURA DE LA PARED

Por fuera de la pared se pueden encontrar otras estructuras que no estn presentes en todas las

bacterias, estas son:

CPSULA:

Hay muchas bacterias que la poseen por fuera de la pared celular. En la fotografa se

observa una bacteria cocoide que forma cadenas. Por fuera de la clula cocoide seguida

de la pared hay una estructura ms o menos amorfa, bsicamente compuesta por

polisacridos y mucha agua, que secreta la bacteria hacia el exterior.

Entre otras cosas, tiene propiedades fagocticas.

Las bacterias con cpsula, son mucho ms resistentes que las bacterias sin cpsulas.

Son antifagocticas.

No est presente en todas las bacterias.

No es una estructura permanente (esto es muy importante), la pared como tal es

permanente pues la bacteria nace y muere con ella, pero la cpsula slo en ciertas

condicione es producida por las bacterias.

FIMBRIAS:

Son estructuras que no estn en todas las bacterias, solo algunas las poseen.

Estn fuera de la pared, se proyectan a partir de la superficie

Son pequeas proyecciones proteicas, muy cortas ( tanto en GP como GN)

Tienen una importancia no slo estructural sino que tambin funcional, no son para

motilidad si no que son para adhesin.

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Su rol es fundamental especialmente en bacterias patognicas. En una cepa que cause

diarrea, la persona ingiere un alimento en mal estado, a travs de ese alimento ingresa

una bacteria patgena la cual llegar al intestino donde se encontrar con movimientos

peristlticos el cual es una de las defensas primarias del cuerpo para que la bacteria se

desprenda y sea eliminada, sin embargo, ste patgeno gracias a las fimbrias se pega,

stos pelos le facilitan el anclaje bacteriano y as las bacterias se salvan de removerse en el

interior corporal. Y as es como hay bacterias que invaden el sistema respiratorio,

genitourinario, etc. Hay muchas bacterias que tienen stas como factor de adhesin.

Ej. Salmonella (bacteria GN)

En la imagen se observa la Salmonella, que posee unos pelos largos llamados flagelos, pero

tambin se pueden encontrar unos pelos ms pequeos como hebras, muchos ms abundantes

que los flagelos y stas son las fimbrias, las cuales pueden encontrarse por miles en la superficie.

FLAGELO:

Tiene como funcin fundamental la motilidad

Hay bacterias que tienen un solo flagelo (flagelacin polar), ms de uno como un penacho

de flagelos (multipolar) y otras que tienen flagelos por todos lados (flagelacin pertrica).

Si bien funcionalmente el flagelo procarionte y eucarionte hacen lo mismo,

estructuralmente son diferentes. El espermatozoide sigue un movimiento como el de una

onda, pero en el caso de las bacterias el flagelo tiene un movimiento de rotacin y este es

anti horario y eso le permite a la bacteria la movilizacin por el medio acuoso. La

estructura tambin difiere entre eucarionte y procarionte en que en el caso de los

eucariontes tienen un Citoesqueleto formado por tres tipos de protenas; filamentos

intermedios, microtbulos y filamentos de actina. En el caso de los filamentos

intermedios, stos son el componente principal de los flagelos eucariontes. La disposicin

9 + 2 corresponde a un tpico flagelo eucarionte, son 9 pares de tbulos perifricos

alrededor de un par de microtbulos centrales unido a travs de protenas.

Las bacterias no poseen microtbulos. La estructura del flagelo eucarionte no es vlida

para el flagelo procarionte.

El flagelo bacteriano es mucho ms complejo en estructura, bsicamente tiene como

principal componente la protena Flagelina, todo el flagelo est principalmente formado

por sta protena. Y miles de unidades de flagelina se unen para formar el filamento.

Hay otra serie de protenas que estn ms bien asociadas a la pared celular y a la

membrana, que bsicamente le dan el movimiento (exactamente seran como el motor).

Est la protena anillo P, la protena MOS, etc. lo importante es saber que la estructura

macro entre procariontes y eucariontes son diferentes, sin embargo, la funcin es la

misma.

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NUCLEOIDE BACTERIANO:

Solo tener claro que esta muy enrollado en el citoplasma de la bacteria.

No hay una membrana nuclear como en eucariontes.

De acuerdo a las ltimas investigaciones que se han hecho se ha encontrado que en el

nucleoide bacteriano, en este caso se tomo como modelo la E.Coli, el ADN y las protenas

se enrollan en las formas que se muestra en la imagen y se entrecruzan como si fueran

dedos. No sera tan amorfo como lo que se tena claro hace aos donde supuestamente

era una estructura superenrollada, circular y en algn punto los extremos se tocaban y se

unan. Hoy en da se sabe que no es tan simple.

RIBOSOMAS:

Son fundamentales como el sitio donde se sintetizan las protenas.

Difieren entre eucariontes y procariontes.

Al estar disociado forma dos subunidades, una mayor y una menor.

En Procariontes: 2 subunidades; una mayor de 50s y una menor de 30s sumando ambas una

estructura total de 70s.

En Eucariontes: dos subunidades; una mayor de 60s y una menor de 40s lo que da al final una

estructura total de 80s.

En general, los ribosomas estn compuestos bsicamente por protenas y cidos ribonucleicos. En

el caso de las protenas, son 52 las que conforman el ribosoma procarionte. La velocidad de

sedimentacin consiste en medir la velocidad con la que sedimentan en este caso las subunidades

al colocarlas en una centrifuga, eso indica s, pero no solamente en base al tamao si no que

tambin a la forma.

En el caso del cido ribonucleico, se denomina cido ribonucleico ribosomal y hay de tres tipos;

est el 23s junto con el 5 s que son la subunidad mayor, mientras que la 16s forma la subunidad

menor. Esto es en procariontes.

Una excepcin: existe una bacteria denominada Gemmata obscuriglobus, (la nica que se conoce)

que tiene un nucleoide con una membrana, as como en los eucariontes. Esta, es como cualquier

bacteria, vive y come como una bacteria comn, pero la diferencia es que tiene un nucleoide

rodeado de una membrana nuclear. Ms an, genticamente es una bacteria.

Entonces cuando uno quiere hacer una diferencia entre bacterias y eucariontes, no basta basarse

en el tamao, porque si bien los eucariontes son ms grandes que las bacterias igual existe una

bacteria ms grande que un eucarionte, en el caso de los compartimientos tampoco, porque se

tiene una bacteria con compartimentalizacin interna. Si se habla de Citoesqueleto tampoco,

porque las bacterias tambin tienen un Citoesqueleto, rudimentario, pero lo tienen.

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Microbiologa - Clase I 9

Entonces hay que tomar algn otro factor en cuenta en el momento de tratar de diferenciar

ambos dominios.

CUERPOS DE INCLUSIN

Estructuras que se encuentran en el citoplasma de las bacterias.

Son bsicamente vacuolas que estn rodeadas de una membrana lipdica donde en su

interior hay componentes nutricionales que la bacteria guarda cuando hay pocos

nutrientes, los cuales empezar a absorber cuando los requiera.

El componente ms ocupado y almacenado como fuente de C y N son los grnulos de PHD

o grnulos de poli--hidroxibutirato.

La bacteria al estar en un rico ambiente de nutrientes guardar PHD en estas vacuolas

para cuando las condiciones no sean tan buenas empiece a utilizar este compuesto

almacenado.

OTROS CUERPOS DE INCLUSIN

Glucgeno: para fuente de C.

Grnulos de polifosfato: (cuando se requiere)

Gas: hay bacteria, principalmente acuticas, que almacenan gas en especie de vesculas.

Requieren gases como hidrgeno, metano y CO2 (todos en composicin variable y

provenientes de la atmsfera) para la flotacin o ms claro Boyantes y as poder

controlar su posicin en las columnas de agua. Estas no nadan, simplemente flotan, es

algo totalmente pasivo. Un ejemplo; un da caluroso, a medio da, el sol est fuerte y la

bacteria est en la superficie del mar qu ocurrir? A la bacteria no le va a gustar estar

exponindose a los dainos rayos UV ni soportar tanto calor, entonces lo que har ser ir

variando la composicin de los gases que almacena para de esta forma bajar cuando lo

requiera o bien, subir de acuerdo a la luminosidad que ella encuentre ptima. Estas

vesculas de gas son bastante abundantes en un tipo de bacteria denominado

Cianobacterias, porque estas bacterias son fotosintticas. Estos gases no son ningn tipo

de producto de desecho, bsicamente son gases que captura de la atmsfera para

almacenarlas en su interior.

Las bacterias tambin produces gases, los flatos por ejemplo, son producto bacteriano con

mezclas de metano e hidrgeno entre otros. Dentro del tracto intestinal se tiene una rica

flora de microorganismos y esas bacterias estn produciendo varios gases como metano e

H, y estos dos si se prende un fosforo se inflama pues son gases explosivos. En la literatura

mdica existen casos donde pacientes han explotado, como es el caso de una ciruga

donde en el paciente sus bacterias haban fermentado formando estos gases y al tomar

contacto con el cautn elctrico se produjeron micro explosiones.