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PARED CELULAR
INTRODUCCIÓN
La mayor parte de los procariotas posee una pared celular (P.C.) rígida rodeando al
protoplasto. Las excepciones son los micoplasmas (dentro del dominio Bacteria) y
algunas arqueas, como Thermoplasma.
Al microscopio electrónico se puede observar como una capa en íntimo contacto
con la membrana citoplásmica, con un espesor que oscila entre 10 y 80 nm (según
especies) -frente a los 8 nm de la membrana celular- , y con una estructura más o
menos compleja, según los tipos bacterianos.
a) Las paredes celulares más frecuentes en eubacterias siguen dos modelos
alternativos que, como veremos comparten un componente común: paredes de
tipo Gram-positivo o de tipo Gram-negativo.
b) Unas pocas eubacterias (como las del gén. Planctomyces) poseen paredes a
base de proteínas.
c) Las Arqueas poseen paredes diferentes a las de eubacterias y se pueden
agrupar en diversos tipos.
La pared celular bacteriana está hecha de peptidoglicano (también denominado
mureína), que está formado por cadenas de polisacárido entrecruzadas por
péptidos inusuales que contienen aminoácidosD
. Las paredes celulares bacterianas son diferentes de las paredes de
plantas y hongos que están hechas de celulosa y quitina,
respectivamente. También son diferentes de las paredes de Archaea,
que no contienen peptidoglicano. La pared celular es esencial para la
supervivencia de muchas bacterias
En las bacterias Gram-positivas la pared celular contiene una capa
gruesa de peptidoglicano además de ácidos teicoicos, que son
polímeros de glicerol o ribitol fosfato. Los ácidos teicoicos se unen al
peptidoglocano o a la membrana citoplasmática.
En las bacterias Gram-negativas la capa de peptidoglicano es
relativamente fina y se encuentra rodeada por a una segunda
membrana lípida exterior que contiene lipopolisacáridos y lipoproteínas.
La capa de petidoglicano se une a la membrana externa por medio de
lipoproteínas.
La mayoría de las bacterias tienen una pared celular Gram-negativa y
solamente Firmicutes y Actinobacteria (conocidas previamente como
bacterias Gram-positivas de contenido GC bajo y bacterias Grampositivas de contenido GC alto, respectivamente) tienen paredes Grampositivas
• La tinción de Gram es la más importante entre las tinciones llamadas
diferenciales (aquellas que no tiñen de la misma manera a todos los tipos
de bacterias), esta tinción consta de varios pasos:
• 1. Imaginemos un frotis en porta de vidrio con una muestra de varios
tipos de bacterias, que se han fijado por calor. En la primera fase, esta
preparación de trata con un primer colorante llamado violeta cristal o
violeta de genciana.
• 2. A continuación se añade una solución de lugol (yodo-ioduro), que
actúa como “mordiente”, formando una laca relativamente resistente con
el violeta. En este momento todas las bacterias están teñidas de color
violeta
• 3. Ahora realizamos una descoloración diferencial con etanol o una
mezcla de etanol y acetona. Lo que ocurre es que algunas bacterias (las
que llamaremos Gram-negativas) pierden el color violeta (quedarían
práctimante transparentes al microscopio), mientras que otras (las Grampositivas) resisten el tratamiento, y retienen el colorante violeta.
• 4. Finalmente, tratamos el porta con un segundo colorante (colorante
de contraste): se trata de un colorante de color rojo o rosa, como la
fucsina o la safranina. Este colorante tiñe ahora a las bacterias
previamente descoloradas por el etanol. Por lo tanto, el resultado en la
observación al microscopio es que las bacterias Gram-positivas se ven de
color violeta, y las Gram-negativas de color rosa o rojo.
Tinción de
Gram
3. Ahora realizamos una descoloración diferencial con etanol o
una mezcla de etanol y acetona. Lo que ocurre es que algunas
bacterias (las que llamaremos Gram-negativas) pierden el color
violeta (quedarían prácticamente transparentes al
microscopio), mientras que otras (las Gram-positivas) resisten
el tratamiento, y retienen el colorante violeta.
4. Finalmente, tratamos el porta con un segundo colorante
(colorante de contraste), de color rojo o rosa, como la fucsina o
la safranina. Este colorante tiñe ahora a las bacterias
previamente descoloradas por el etanol. Por lo tanto, el
resultado en la observación al microscopio es que las bacterias
Gram-positivas se ven de color violeta, y las Gram-negativas de
color rosa o rojo.
Como veremos enseguida, esta diferencia de comportamiento
ante la tinción de Gram refleja el hecho de que ambos tipos de
eubacterias poseen dos tipos estructuralmente diferentes de
pared celular, aunque ambas posean en común la posesión de
peptidoglucano. A continuación estudiaremos con cierto
detalle la pared celular de eubacterias.
BACTERIAS GRAM POSITIVAS
BACTERIAS GRAM NEGATIVAS
BACTERIAS ÁCIDO-ALCOHOL RESISTENTES
PAREDES DE LAS EUBACTERIAS
COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA BÁSICAS DEL
PEPTIDOGLUCANO
Está formado por repeticiones de una unidad disacarídica
fundamental unida a su vez a un tetrapéptido. Distintas cadenas
(formadas por el esqueleto de azúcares) se unen entre sí por
determinados enlaces peptídicos entre tetrapétidos de cadenas
diferentes. La unidad disacarídica repetitiva: consiste en Nacetilglucosamina (NAG) unida por enlace ß(14) a N-acetilmurámico
(NAM). Obsérvese que el NAM es el 3-O-D-lactil-éter de la NAG (o sea,
se deriva de unir el ácido D-láctico con el OH del C-3 de la NAG).
Las distintas unidades disacarídicas se van uniendo entre sí por
enlaces ß(14) entre el NAM de una unidad y la NAG de la siguiente.
Este enlace es susceptible a la rotura catalizada por el enzima lisozima.
El número de repeticiones (n) puede oscilar entre 10 y 100.
La cadena tetrapeptídica: Desde el grupo carboxilo de cada ácido NAM,
y mediante un enlace amido, se encuentra unido el tetrapéptido. Un
tetrapéptido típico de muchas bacterias es:
L-alanina - D-glutámico - meso-diaminopimélico - D-alanina
Fórmula de un peptidoglucano típico. Observar:
• La unidad disacarídica NAG-NAM
• Las distintas unidades disacarídicas se unen entre sí por
enlaces β(1à4) entre el NAM de una unidad y el NAG de la
siguiente. Este enlace es susceptible de rotura por lisozima
en muchas bacterias
• El tetrapéptido, con su alternancia de aminoácidos en L y
en D
Comparación entre el meso-diaminopimélico (m-DAP) y la Llys. Ambos son diaminoácidos. El m-DAP se puede considerar
como una Lys en la que el –H terminal de la cadena lateral
está sustituido por un carboxilo (-COOH)
m-DAP
L-lys
LA ESTRUCTURA GLOBAL:
Las distintas cadenas polisacarídicas, con sus respectivos
tetrapéptidos, se unen entre sí por medio de puentes o enlaces
peptídicos, entre un aminoácido de una cadena (p. ej., el
aminoácido nº3, como el meso-DAP del ejemplo) y otro
aminoácido de una cadena adyacente (la D-ala terminal). De este
modo, la estructura global es una sola macromolécula gigante
que envuelve al protoplasto, formando un sáculo rígido, a modo
de tejido continuo, que tiene el volumen y la forma de la bacteria
respectiva
Ejemplos de entrecruzamientos en el
peptidoglucano
Directo (muchas
Gram-negativas)
Puente pentaglicina (algunas
Gram positivas
Comparación de las
envolturas celulares
bacterianas. Arriba:
Bacteria Grampositiva. 1-membrana
citoplasmática, 2peptidoglicano, 3fosfolípidos, 4proteínas, 5-ácido
lipoteicoico. Abajo:
Bacteria Gramnegativa. 1-membrana
citoplasmática
(membrana interna), 2espacio periplasmático,
3-membrana exterior, 4fosfolípidos, 5peptidoglicano, 6lipoproteína, 7proteínas, 8lipopolisacáridos, 9porinas.
BACTERIA GRAM NEGATIVA
Las bacterias Gram-negativas presentan dos membranas lipídicas entre las
que se localiza una fina pared celular de peptidoglicano, mientras que las
bacterias Gram-positivas presentan sólo una membrana lipídica y la pared
de peptiglicano es mucho más gruesa. Al ser la pared fina, no retiene el
colorante durante la tinción de Gram.
Muchas especies de bacterias Gram-negativas causan enfermedades. Los
cocos Gram-negativos causan la gonorrea (Neisseria gonorrhoeae),
meningitis (Neisseria meningitidis) y síntomas respiratorios (Moraxella
catarrhalis), entre otros. Los bacilos Gram-negativos incluyen un gran
número de especies. Algunos de ellos causan principalmente
enfermedades respiratorias (Hemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae
, Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa), enfermedades
urinarias (Escherichia coli, Proteus mirabilis, Enterobacter cloacae, Serrati
marcescens) y enfermedades gastrointestinales (Helicobacter pylori,
Salmonella enteritidis, Salmonella typhi). Otros están asociadas a
infecciones nosocomiales (Acinetobacter baumanii
EL PEPTIDOGLUCANO DE BACTERIAS GRAM-NEGATIVAS
En la mayor parte de Gram-negativas el peptidoglucano corresponde a la
composición y estructura que acabamos de describir. Sin embargo, en las
espiroquetas, el diaminoácido en posición 3, en vez de ser meso-DAP, está sustituido
por la L-ornitina (que también es un diaminoácido).
El enlace entre cadenas polisacarídicas se realiza normalmente mediante
unión peptídica directa entre el grupo carboxilo de la D-ala terminal y el grupo amino del meso-DAP. Ahora bien, en este enlace participan solamente el 50% de los
tetrapéptidos. Los demás péptidos no participan en enlaces, y entre estos últimos se
encuentran incluso dipéptidos y tripéptidos.
El resultado es una capa simple de PG (de 1 nm de espesor), a modo de malla
floja, y con grandes poros (los “huecos” dejados por las zonas donde no hay enlace
peptídicos). Ello explica el comportamiento de las bacterias Gram-negativas en la
tinción de Gram: al añadir el alcohol, se produce una deshidratación que tiende a
contraer la estructura del PG, pero los poros son grandes y por ellos sale el primer
colorante (el violeta de genciana). El ulterior tratamiento de la preparación con el
colorante de contraste (fuchsina o safranina) tiñe a estas bacterias de rojo.
La envoltura celular de las bacterias Gram-negativas está compuesta por una
membrana citoplasmática (membrana interna), una pared celular delgada de
peptidoglicano, que rodea a la anterior, y una membrana externa que recubre la
pared celular de estas bacterias. Entre la membrana citoplasmática interna y la
membrana externa se localiza el espacio lásmico relleno de una sustancia
denominada periplasma, la cual contiene enzimas importantes para la nutrición
en estas bacterias.
La membrana externa contiene diversas proteínas, siendo una de ellas las
porinas o canales proteícos que permiten el paso de ciertas sustancias.
También presenta unas estructuras llamadas lipopolisacáridos (LPS), formadas
por tres regiones: el polisacárido O (antígeno O), una estructura polisacárida
central (KDO) y el lípido A (endotoxina).
Las bacterias Gram-negativas pueden presentar una capa S que se apoya
directamente sobre la membrana externa, en lugar de sobre la pared de
peptidoglicano como sucede en las Gram-positivas. Si presenten flagelos, estos
tienen cuatro anillos de apoyo en lugar de los dos de las bacterias Grmapositivas porque tienen dos membranas. No presentan ácidos teicoicos ni
ácidos lipoteicoicos, típicos de las bacterias Gram-positivas. Las lipoproteínas
se unen al núcleo de polisacáridos, mientras que en las bacterias Grampositivas estos no presentan lipoproteínas. La mayoría no forma endosporas
(Coxiella burnetti, que produce estructuras similares a las endosporas, es una
notable excepción).
PARED GRAM NEGATIVA
Otra imagen general de las envueltas de una bacteria Gramnegativa (vale la pena recordar...!.
Observa la estructura general de la pared celular:
• el espacio periplásmico contiene el PG, el cual se une
covalentemente con la lipoproteína de Braun, que a su vez
contacta con la lámina interna de la membrana externa
• la membrana externa es una bicapa proteolipídica muy
asimétrica:
• su lámina externa contiene el LPS (observa las cadenas
laterales proyectadas hacia el exterior)
• atravesando la membrana externa hay varios tipos de
proteínas, incluyendo los trímeros de porinas, con sus
correspondientes canales internos, que solo dejan pasar
moléculas hidrófilas por debajo de cierto tamaño
El lipopolisacárido
El lípido A: Dos unidades de glucosamina unidas por
enlace ß(1à6), pero donde todos los grupos -OH (menos
uno) y -NH2 están sustituidos (unidos a otras moléculas):
Obsérvese que
A.G. saturados
(C-14): betahidroximirístico
·existen 5 (a veces 6) ácidos grasos, todos ellos saturados,
con predominio de ß-hidroximirístico (un ácido graso C14).
· El -OH original en 4´ está sustituido por arabinosaminafosfato.
· El -OH en 1 está sustituido por fosforil-etanolamina (a
veces pirofosforil-etanolamina).
El oligosacárido medular (también llamado corazón o
núcleo): se une al lípido A a través del -OH en 3´. Se
pueden considerar dos fracciones:
· núcleo interno, a base de dos tipos de azúcares
exclusivos de Gram-negativas: 2-ceto-3-desoxioctónico
(KDO) y L-glicero-D-manoheptosa (Hep).. Alguna de las
Hep y alguno de los KDO pueden a su vez estar unidos a
fosforil-etanolamina (o pirofosforil-etanolamina). Esta
región es muy rica en grupos cargados, especialmente
con carga negativa (de los fosfatos y KDO).
· La fracción del núcleo externo está constituida a base de
hexosas (glucosa, galactosa, NAG, y a veces algunas
hexosas más raras).
Cadena lateral específica: polisacárido repetitivo, que se
proyecta hacia el exterior celular. Consiste en la
repetición (n<40 veces) de unidades tri-, tetra- o
pentasacarídicas (en estos dos últimos casos uno de los
azúcares de cada repetición queda lateral respecto del
esqueleto lineal que forman los demás).
Unidad repetitiva de
la cadena lateral
Núcleo externo
Núcleo interno
Glucosaminaß(16)glucosamina, con
–OH en 1
sustituido con –Petanolamina
Bacteria Gram positiva
La envoltura celular de las bacterias Gram-positivas comprende la membrana
citoplasmática y una pared celular compuesta por una gruesa capa de
peptidoglicano, que rodea a la anterior. La pared celular se une a la membrana
citoplasmática mediante moléculas de ácido lipoteicoico. La capa de
peptidoglicano confiere una gran resistencia a estas bacterias y es la responsable
de retener el tinte durante la tinción de Gram. A diferencia de las Gram-negativas,
estas bacterias no presentan una segunda membrana lipídica externa.
Incluyen especies tanto móviles como inmóviles con forma de bacilo (Bacillus,
Clostridium, Corynebacterium, Lactobacillus, Listeria) o coco (Staphylococcus,
Streptococcus); con gruesas paredes celulares o sin ellas (Mycoplasma). Algunas
especies son fotosintéticas, pero la mayoría son heterótrofas. Muchas de estas
bacterias forman endosporas en condiciones desfavorables.
La célula bacteriana está rodeada por una envoltura que observada al
microscopio electrónico, se presenta como una capa gruesa y homogénea
denominada pared celular. Entre la membrana plasmática y la pared celular se
encuentra el periplasma o espacio periplasmático, luego en sección (corte) se
observa una estructura semejante a dos líneas paralelas formada separando
una capa menos densa; esto corresponde a la llamada envoltura bacteriana. En
el interior de la membrana plasmática se encuentra el citoplasma que está
constituido por una disolución acuosa, el citosol, en el cual se encuentran
ribosomas y otros agregados de macromoléculas, y en el centro se ubica la
zona menos densa llamada nucleoide, que contiene una madeja de hebras
difícil de resolver (distinguir) y cuyo principal componente es el ADN.
La pared externa de la envoltura celular de una bacteria Gram positiva tiene
como base química fundamental el peptidoglucano, que es un polímero de Nacetil-2-D-glucosamina, unido en orientación ß-1,4 con N-acetil murámico, a
éste se agregan por el grupo lactilo 4 ó más aminoácidos.
Esta molécula se polimeriza gran cantidad de veces, de modo que se forma una
malla especial, llamada sáculo de mureína. Dicho compuesto es de vital
importancia para conservar la forma y darle rigidez a la célula bacteriana (si este
compuesto no existiese, la célula reventaría debido a su gran potencial osmótico).
Las siguientes características son presentes generalmente en una bacteria Grampositiva:
Membrana citoplasmática.
Capa gruesa de peptidoglicano.
ácido teicoicos y lipoteicoicos, sirven como agentes quelantes y en ciertos tipos de
adherencia.
Polisacáridos de cápsula
Si un flagelo está presente, este contiene dos anillos como soporte en oposición a
los cuatro que existen en bacterias Gram-negativas porque las bacterias Grampositivas tienen solamente una capa membranal.
Tanto las bacterias Gram-positivas y las Gram-negativas pueden tener una
membrana llamada capa S. En las bacterias Gram-negativas, la capa S está unida
directamente a la membrana externa. En bacterias Gram-positivas, la capa S está
unida a la capa de péptidoglicano. Es único a las bacterias Gram-positivas la
presencia de ácidos teicoicos en la pared celular. Algunos ácidos teicoicos
particulares, los ácidos lipoteicoicos, tienen un componente lipídico y pueden asistir
en el anclaje del péptidoglicano, en tanto el componente lipídico sea integrado en
la membrana.
Un ácido ribitol-teicoico
Ácidos teicurónicos: Ciertas bacterias Gram-positivas,
cuando se someten a un régimen de limitación de fosfato
son incapaces de sintetizar ácidos teicoicos, pero en su lugar
producen ácidos teicurónicos. Los teicurónicos consisten en
polímeros aniónicos formados por la alternancia de ácidos
urónicos (que tienen grupos -COOH libres) y aminozúcares
como la N-acetil-galactosamina.
Ácidos lipoteicoicos: Están presentes en todas las bacterias
Gram-positivas, aun en condiciones de carencia de fosfato.
Se trata simplemente de ácidos glicerol-teicoicos que se
encuentran unidos a la membrana citoplásmica,
concretamente se unen por enlace fosfodiéster con
glucolípidos de membrana, mientras que el otro extremo de
la cadena queda expuesto al exterior.
Otra imagen que muestra la estructura global de la pared de
Gram-positivas. Observar que el PG está inmerso en la matriz
a base de:
•Teicoicos (unidos al PG)
• Lipoteicoicos (unidos a glucoproteínas de la pared celular)
Ambos tipos de polímeros pueden sobresalir de la pared
hacia fuera.
Funciones de los polímeros de la matriz:
· Parece ser que su papel principal es suministrar una carga
neta negativa a la pared celular, lo que permite captar
cationes divalentes (p. ej., Mg++), que a su vez se necesitan
para muchas actividades enzimáticas de la membrana
citoplásmica o del espacio periplásmico, que participan de la
morfogénesis y división de la pared celular.
·Como ya dijimos, los ácidos teicoicos y teicurónicos son
buenos antígenos. Cuando no están cubiertos por estructuras
más externas (como cápsulas), constituyen el antígeno
somático O de las bacterias Gram-positivas.
·Finalmente, en algunas bacterias, sumistran, junto con el PG,
receptores específicos para la adsorción de ciertos
bacteriófagos.
PARED DE LAS BACTERIAS ÁCIDO-ALCOHOL RESISTENTES (AAR)
Pared especial de ciertas Gram-positivas: Nocardia, Mycobacterium
Resisten la decoloración con clorhídrico-etanol ( ácido-alcohol resistentes)
Esta propiedad deriva de:
Ácidos micólicos, Glucolípidos, Y Ceras
Ácidos micólicos Son ß-hidroxiácidos grasos ramificados en α, de cadena muy larga
Forman parte de un esqueleto muy peculiar de la pared celular:
PGarabinogalactanoácidos micólicos
Otros lípidos de en la pared de bacterias AAR
Glucolípidos:
Micolatos de trehalosa
Sulfolípidos de trehalosa
Micósidos (unión éster entre micólicos y azúcares)
Ceras: unión de micólicos con alcoholes ramificados de cadena larga (C30-C34)
Papeles conferidos por la pared AAR
Aspecto y consistencia cérea de las colonias en placas de Petri
En líquidos crecen formando grumos
Gran impermeabilidad
Resistencia a desecación
Resistencia a agentes antibacterianos
Detergentes
Oxidantes
Ácidos y bases
PARED CELULAR ACIDO-ALCOHOL RESISTENTE: 1-lípidos externos, 2ácido micólico, 3-polisacáridos (arabinogalactano), 4-peptidoglicano, 5-membrana
plasmática, 6-lipoarabinomanano (LAM), 7-fosfatidilinositol manosido, 8-esquema de
la pared celular.