HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA
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Curso de Microbiología General

de Enrique Iáñez

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ESTRUCTURAS SUPERFICIALES DE LA CÉLULA BACTERIANA


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Contenidos

CÁPSULA| CONCEPTOS GENERALES|  MÉTODOS DE OBSERVACIÓN Y ESTUDIO| COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA| BIOSÍNTESIS| PAPELES BIOLÓGICOS| CAPA S PARACRISTALINA| VAINAS| BOTONES DE ANCLAJE| BIBLIOGRAFÍA| ENLACES| GLOSARIO| AUTOEVALUACIÓN

1. CÁPSULA| a Contenidos

1.1 CONCEPTOS GENERALES

La cápsula se puede definir como una estructura superficial que presentan muchas bacterias en sus ambientes naturales, consistente en acumulación de material mucoso o viscoso, situado externamente respecto de la pared celular (o, en su caso, respecto de la capa S y de la vaina).

Las cápsulas se pueden describir en función de:

  • su grado de asociación con la superficie celular subyacente (sobre todo pared);
  • su consistencia y sus límites externos;

Según ello, podemos tener varios tipos de cápsulas (no necesariamente excluyentes entre sí):

  • rígida: con suficiente consistencia estructural como para evitar la entrada de partículas como las de tinta china o nigrosina. Suele tener un límite exterior definido.
  • flexible: poca consistencia, de modo que no excluye partículas. Además, es deformable y carente de límites precisos.
  • integral: íntimamente asociada con la superficie celular, a saber, con la P.C.
  • periférica: asociada a la superficie celular sólo en determinadas condiciones, pero finalmente se dispersa al medio exterior.

Hay una cierta confusión en la nomenclatura de las cápsulas. Nosotros usaremos los siguientes conceptos:

  • Cápsulas en sentido estricto son aquellas de tipo rígido e integral.
  • Capas mucilaginosas son las de tipo flexible y periférico.
  • Glucocálix es el conjunto de estructuras superficiales bacterianas, exteriores respecto de la P.C., y compuestas de polisacárido.

Las cápsulas son estructuras inertes, "no vivas", carentes de papel activo (metabólico), pero que confieren a las bacterias importantes propiedades:

  • adhesión a otras células: microcolonias y consorcios
  • adhesión a sustratos inertes o vivos: colonización de sus nichos ecológicos (p. ej., tejidos de organismos superiores)
  • protección contra agentes antibacterianos.

1.2 MÉTODOS DE OBSERVACION Y ESTUDIO| a Contenidos

Su observación a microscopía óptica en fresco es difícil, ya que su índice de refracción es similar al del medio. Al ser una estructura muy hidratada (99% de agua), su observación con las técnicas habituales de microscopía electrónica de transmisión (MET) y de barrido (MEB) revela una notable contracción de su estructura. Además, los colorantes habituales tienen poca afinidad hacia ella.

  • A microscopía óptica: Se recurre a tinción negativa por medio de nigrosina o tinta china.
  • A microscopía electrónica: Hay que recurrir a la estabilización previa de la estructura capsular (para evitar su contracción ulterior) por medio de anticuerpos anticapsulares o de lectinas. Tras esta operación, se procede a la tinción por una ferritina catiónica (p. ej., el rojo de rutenio), con afinidad hacia polianiones.
  • Para investigar más sobre la estructura de la cápsula se recurre igualmente a difracción de rayos X del polisacárido capsular.

Aislamiento del material capsular: El material de las capas mucosas (es decir, de las cápsulas flexibles y periféricas) es muy fácil de aislar, ya que tiende a dispersarse continuamente en el medio de cultivo. Por lo tanto, se puede aislar directamente de los sobrenadantes resultantes de la centrifugación del cultivo correspondiente. El material de las cáspulas rígidas e integrales puede aislarse tratando al cultivo con agua caliente o con ácidos o álcalis débiles.

                     Micrografías electronicas de transmisión de Pseudomonas aeruginosa. Al fijador, tanto glutaraldehido como osmio, se agregó rojo de rutenio y lisina. Se aprecia un mayor contraste y aparece el glicocálix como un meteri all electrón denso (flechas pequeñas) rodeando las bacterias. En la pared bacteriana se aprecian fácilmente los elementos constitutivos. La flecha grande señala la capa de peptidglicano, al lado interno aparece la membrana citoplasmática como una línea negra y hacia el exterior el periplasma y la membrana externa.

1.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA| a Contenidos

En general, el material capsular se compone de macromoléculas asimétricas que, en muchos casos constan de una serie de unidades repetitivas: polisacáridos o polipéptidos.

cápsulas polisacarídicas

      heteropolisacáridos aniónicos, cuyas unidades repetitivas constan de :

          azúcares (osas)

          aminoazúcares

          ácidos urónicos

      homopolisacáridos neutros, como

          levanos (polímeros de unidades de fructosa unidas por ß(2 6)

          dextranos

          celulosa

      alginatos (p. ej., en Azotobacter, Pseudomonas), consistentes en una alternancia de distintos tipos de ácidos urónicos.

cápsulas polipeptídicas (sólo encontradas en el género Bacillus). Están formadas por glutamil-polipéptidos. Así p. ej., en B. anthracis el péptido es sólo de D-glutámico.

Las cápsulas y capas mucilaginosas bacterianas constituyen el llamado antígeno K (capsular). Una misma especie puede constar de distintas razas, cada una de ellas con un Ag K distintivo, distinguible del de las demás por su composición química y su inmunorreactividad. Por ejemplo, en Escherichia coli se encuentran unos 70 tipos diferentes de especificidades de Ag K.

Las cápsulas polisacarídicas están unidas a la superficie subyacente, sobre todo a la pared celular.

La estructura es a base de una matriz muy hidratada, con una ordenación regular radial, o a veces, en láminas concéntricas.

1.4 BIOSÍNTESIS| a Contenidos

La mayoría se sintetizan por mecanismos similares a los que veremos para la biosíntesis del peptidoglucano y del polisacárido del lipopolisacárido:

  • a base de precursores nucleotídicos de azúcares (UDP-glucosa, UDP-galactosa, GDP-manosa...), que se van ensamblando mediante undecaprenil-P, un típico transportador lipídico situado a nivel de la membrana citoplásmica.
  • En el caso de los dextranos y levanos (en los géneros Streptococcus, Leuconostoc): su síntesis ocurre fuera de la célula, por transglucosilación de moléculas de sacarosa, catalizada respectivamente por dextránsucrasas y levánsucrasas. Estas reacciones no requieren ATP, ya que la energía requerida procede de la conservación del enlace glucosídico

 

1.5 FUNCIONES| a Contenidos

En laboratorio, muchas bacterias suelen perder la capacidad de formar cápsulas al cabo de varios subcultivos. Así pues, la posesión o no de cápsula es algo que no afecta a la viabilidad de las bacterias. Pero en medios naturales, las cápsulas confieren a las bacterias una serie de propiedades, que dependen del nicho ecológico particular donde viva cada bacteria. Estudiaremos una serie de propiedades o papeles generales, comunes a todas las cápsulas, para concluir con algunos ejemplos de papeles específicos.

1.5.1 PROPIEDADES O PAPELES GENERALES

  1. Mejora en las propiedades de difusión de nutrientes hacia la célula. Los polisacáridos extracelulares aniónicos funcionan como una resina de intercambio.
  2. Protección contra la desecación.
  3. Protección contra la predación por parte de protozoos.
  4. Protección contra agentes antibacterianos:
    • contra metales pesados
    • contra bacteriófagos
    • contra células fagocíticas (p. ej., la cápsula del neumococo)
    • contra detergentes
    • contra anticuerpos
  1. Adhesión a sustratos:
  1. sobre sustratos inertes: propiedad importante, sobre todo en medios acuáticos. La mayoría de las bacterias acuáticas no son planctónicas, sino que viven en interfases (superficies, sedimentos), donde los nutrientes difunden mejor. Veamos cómo se produce el proceso:
    • la bacteria se adhiere por la cápsula al sustrato;
    • la cápsula supone un aumento de superficie bacteriana, lo que se traduce en una mejora en la capacidad de absorber nutrientes;
    • la bacteria se multiplica, formándose una microcolonia donde los individuos están más protegidos frente a los agentes antibacterianos;
    • se forman consorcios con otros microorganismos. Ello permite una "alianza" o colaboración metabólica entre distintas especies, por la que se produce la degradación concertada de sustratos insolubles.

      Esta propiedad tiene una serie de importantes secuelas económicas:

    • corrosión y obstrucción de cañerías;
    • formación de placa dental y caries;
    • formación de biopelículas en catéteres y prótesis quirúrgicas
  1. sobre sustratos vivos (tejidos de organismos superiores):
    • En sistemas "normales" (efectos benéficos): La flora (= microbiota) autóctona que coloniza los epitelios de los animales superiores está englobada en glucocálix, estando las bacterias adheridas a la superficie tisular. Es decir, las cápsulas pueden actuar como adhesinas (moléculas para la adhesión). Otro ejemplo de ello lo da la microflora autóctona de la simbiosis del rumen
    • En sistemas patológicos: La cápsula es uno de los factores de virulencia, de los que depende el inicio de muchas infecciones por parte de bacterias patógenas. Si, además, la flora autóctona del individuo afectado está alterada o disminuida, esto supone un nicho ecológico vacío o perturbado, que puede ser colonizado por bacterias patógenas, en parte gracias a su glucocálix, que además las protege frente a surfactantes, células fagocíticas, anticuerpos, etc. Muchas cápsulas polisacarídicas no son reconocidas como material extraño por el sistema inmune, debido a que su estructura "mimetiza" estructuras del propio hospedador. Otras cápsulas sobrapasan la capacidad de respuesta del sistema inmune, o bien no activan eficientemente al sistema complemento.

1.5.2 PROPIEDADES PARTICULARES

Como receptores para ciertos bacteriófagos.

  1. En las bacterias tropicales fijadoras de N2 atmosférico, de los géneros Derxia y Beijerinckia la gruesa y espesa cápsula actúa como barrera frente a la difusión de O2, con lo cual evitan la inactivación de la enzima nitrogenasa.
  2. En Rhizobium (fijador de N2 en simbiosis con las raíces de leguminosas) el polisacárido extracelular actúa en la fase de reconocimiento entre la bacteria y la planta específica, a través de lectinas de esta última.
  1. En Acetobacter xylinum la cápsula es a base de fibrillas de celulosa que retienen burbujas de aire, lo cual hace que la bacteria flote hasta su nivel adecuado.

2. CAPA "S" (CAPA SUPERFICIAL PARACRISTALINA)| a Contenidos

Capa que, en muchas bacterias (sobre todo Gram-positivas), envuelve a la pared celular, formada por el ensamblaje regular de subunidades idénticas de proteínas o glucoproteínas. En muchas Arquebacterias es la única capa que rodea al protoplasto, por lo que en ellas cumple funciones de auténtica pared celular.

 

Disposición

Unidades morfológicas

Simetría binaria: filas oblicuas paralelas

Dímeros

Simetría cuadrangular

Tetrámeros

Simetría hexagonal

Hexámeros

 

La unión entre los monómeros se realiza por enlaces no covalentes:

  • hidrófobos
  • iónicos, bien directos, o por mediación de cationes
  • puentes de hidrógeno

Papel:

  1. En eubacterias provistas de P.C. la capa S cumple un papel de tamiz molecular protector que impide la entrada de agentes antibacterianos.
  2. En Arqueobacterias da forma y rigidez a muchas especies. En arqueobacterias halófilas (p. ej., Halobacterium) la capa S de glucoproteína contiene glucopéptidos especiales, y está estabilizada por altas concentraciones de sodio, presentes en su nicho. En termoacidófilas (Sulfolobus) existen glucoproteínas en matrices hexagonales, ricas en aminoácidos polares (Ser, Thr), estando la capa S estabilizada por los bajos pH del medio.

 

3. VAINAS| a Contenidos

Son estructuras tubulares (ramificadas o no) compuestas de un heteropolímero, a base de proteína, lípido y polisacárido, que engloban a conjuntos de células bacilares en cadenetas o filas. La vaina está en contacto con la P.C subyacente, pero no hay enlaces entre ambas.

En Sphaerotilus y Leptothrix las vainas se recubren de acúmulos de óxidos e hidróxidos de Fe y Mn.

Conforme se dividen por fisión binaria, las células de los extremos del filamento van sintetizando nuevo material de la vaina que las va rodeando

Las Arqueobacterias Methanothrix y Methanospirillum poseen vainas proteicas con subunidades dispuestas en anillos, y son las que confieren la forma.

 

4. BOTONES DE ANCLAJE| a Contenidos

Son acúmulos de mucopolisacáridos ácidos, segregados en puntos concretos de la célula, a nivel de P.C., extremos de prostecas y pedúnculos o de tallos inertes en algún momento del ciclo de vida de ciertas bacterias. Facilitan la unión de las bacterias que los poseen a sus sustratos.

Discos adhesivos ("holdfast") en el extremo de las prostecas de Caulobacter .

BIBILIOGRAFÍA| a Contenidos

BEVERIDGE, J.T. (1988): The bacterial surface: general considerations towards design and function. Can. J. Microbiol. 34: 363-372.

BEVERIDGE, J.T., L.L. GRAHAM (1991): Surface layers of bacteria. Microbiol. Rev. 55: 684-705.

BOULNOIS, G.J., K. JANN (1989): Bacterial polysaccharide capsule synthesis, export and evolution of structural diversity. Molec. Microbiol. 3: 1819-1823.

COSTERTON, J.W., G.G. GEESEY, K.-J. CHENG (1978): El mecanismo de adherencia en las bacterias. Inv. y Ciencia (marzo): 66-77.

COSTERTON, J.N., R.T. IRVIN, K.-J. CHENG (1981): The bacterial glycocalix in nature and disease. Ann. Rev. Microbiol. 35: 299-324.

GOTTESMAN, S., V. STOUT (1991): Regulation of capsular polysaccharide synthesis in Escherichia coli K12. Molec. Microbiol. 5: 1599-1606.

KOVAL, S.F. (1988): Paracrystalline protein surface arrays on bacteria. Can. J. Microbiol. 34: 407-414.

LECHENER, J., F. WIELAND (1989): Structure and biosynthesis of prokaryotic glycoproteins. Annu. Rev. Biochem. 58: 173-194.

MESSNER, P., U.B. SLEYTR (1992): Crystalline bacterial cell surfaces. Adv. Microbiol. Physiol. 33: 213-275.

SLEYTR, U.B., P. MESSNER (1983): Crystalline surface layers on bacteria. Ann. Rev. Microbiol. 37: 311-339.

WHITFIELD, C. (1988): Bacterial extracellular polysaccharides. Can. J. Microbiol. 34: 425-420.

 ENLACES|a Contenidos

Haemophilus influenzae no capsulado en las reagudizaciones de la obstrucción crónica al flujo aéreo http://www.prous.com/seq/revista/0497/edit1.html

Factores de Virulencia de Streptococcus GrupoB
con importancia en las infecciones neontales
http://www.drwebsa.com.ar/aam/bol146/146_06.htm

GLOSARIO|a Contenidos

Dextranos: Son polisacáridos de alto peso molecular (PM), formados por polímeros de glucosa.

Glucocálix: es el nombre que se le da a la estructura mas periférica de la membrana exeptuando metafitas, algas y células procariotas. El glucocálix es una rejilla de carbohidratos, principalmente polisacáridos. Los carbohidratos pueden estar unidos a la bicapa lipídica donde reciben el nombre de glucolípidos o pueden estar unidos a las proteínas transmembranas donde reciben el nombre de glucoproteínas.Cuando son glucoproteínas se pueden destacar que el eje principal de esta glucoproteina es ácido hialurónico, el cual tienes ciertas ramificaciones.

Halófilas: desarrollan en ambientes salinos. Requieren una concentración de al menos  10% de cloruro de sodio para su crecimiento. 

Lectinas: son un grupo muy heterogéneo de glicoproteínas que se agrupan en función de su capacidad para reconocer específicamente y unirse a carbohidratos. 

Microbiota: Conjunto de microorganismos que se encuentran generalmente asociados a tejidos sanos (piel, mucosas, etc.) del cuerpo humano. Los microorganismos residen en estos lugares de forma más o menos permanente y en algunos casos realizan funciones específicas. El término flora debería abandonarse debido a que hace referencia a las plantas y los microorganismos pertenecen al grupo protista. La palabra microbiota se adecua mejor, por lo que deben emplearse los términos microbiota normal, microbiota intestinal, microbiota cutánea, etc.

Mucopolisacáridos: Son carbohidratos que contienen aminoazúcares y ácidos urónicos. 

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actualizado el 17 de agosto de 1998

(C) 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines educativos.

Se agradecen los comentarios y sugerencias. Escríbame a eianez@goliat.ugr.es

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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