Del Universo Microscópico by CETA

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA

Del Universo Microscópico: elementos de la estructura bacteriana. Un libro electrónico.

Proyecto PAPIME PE207014

Presentación Del Universo Microscópico: elementos de la estructura bacteriana. Un libro electrónico.  Proyecto PAPIME PE207014

"No sólo estamos en el universo,  el universo está en nosotros." Neil DeGrasse Tyson Astrofísico universitario norteamericano. Medalla de la NASA al Servicio Público Distinguido. 2004

Leyendo la Creación (detalle)  Ignacio Zapata Arenas, Eduardo Nasta Luna.  FES Zaragoza Campus II

Presentación

Un libro electrónico es algo más que la transformación de un documento impreso a un formato cuya lectura pueda hacerse en una computadora o en un dispositivo electrónico inteligente, como una tableta o celular. Un libro electrónico es la oportunidad de incorporar diferentes medios (texto, audios, animaciones, interactivos, galerías interactivas, imágenes fijas y vínculos) que faciliten la transmisión de información para el aprendizaje. Este ejemplar es el producto del interés de dos pasantes de las Carreras de Biología y Química Farmacéutico Biológica, por la elaboración de un documento para sus pares, que dé cuenta de su paso por la Facultad. Cuando se habla del uso y desarrollo de herramientas digitales por el docente, pocas veces se enuncia la importancia de que los estudiantes participen en esas dos acciones que finalmente contribuyan, durante la elaboración de un producto de esta naturaleza, a su formación como interlocutores de un proceso de construcción de un documento, que es el resultado del análisis y la síntesis de información indispensable sobre la estructura bacteriana, necesaria para los estudiantes de bachillerato y licenciatura del área químico biológica y de la salud. ii

Del Universo Microscópico: Elementos de la Estructura Bacteriana, es un producto del Programa de Apoyo a Proyectos para la Innovación y Mejoramiento de la Enseñanza (PAPIME) con número PE207014, que no sólo constituye como resultado final a este libro electrónico, sino que fue un trabajo formativo completo de todos los participantes para tener un producto que reúne contenido, tecnología y diseño editorial. Desde el uso de fuentes documentales pertinentes y actualizadas, hasta la edición de audio y video, diseño artístico y editorial conjuntaron a todos los autores para una aportación que resulta con un tratamiento atractivo para los estudiantes, accesible para su disposición y consulta a través de Internet. El abordaje del libro incluye temáticas que van desde el origen de las bacterias, su evolución; y como resultado del conocimiento de su estructura: la interacción con el resto de los seres vivos para el beneficio del hombre, pero también desde el punto de vista de su patogenicidad y la lucha por su eliminación a través del uso de antibióticos. Estoy cierta de que algunos elementos didácticos que se aportan en este libro electrónico serán de gran ayuda para los estudiantes.

Rosalinda Escalante iii

Introducción "La evolución es el movimiento infinito de cuanto existe, la transformación incesante del Universo y de todas sus partes, desde los orígenes eternos y durante el infinito del tiempo." Jacques Élisée Reclus  Geógrafo francés del siglo XIX

Leyendo la Creación (fragmento)  Ignacio Zapata Arenas, Eduardo Nasta Luna.  FES Zaragoza Campus II

Introducción

En condiciones ideales, una bacteria como E. coli, puede reproducirse cada 15 minutos, por lo que, con los nutrientes suficientes, en 10 horas produciría una colonia 40,000 veces más grande que el número de humanos en el mundo actualmente1. La velocidad de reproducción de las bacterias es su principal arma para actuar como protagonistas en un mundo macroscópico. Pero eso sólo es el comienzo de un espectáculo que podemos descifrar con la Microbiología bacteriana, rama de la ciencia que se encarga de descubrir, describir y explicar todo lo relacionado a estos diminutos organismos. Hoy en día, el conocimiento generado por ésta y cualquier otra disciplina, es inmensamente amplio y crece a ritmos antes inimaginables. Medios como la Internet y el uso de dispositivos electrónicos, brindan muy diversas oportunidades de apropiación del conocimiento, diferentes a los métodos tradicionales. Este libro representa un esfuerzo por presentar información relevante y actualizada sobre las bacterias a los alumnos de la FES Zaragoza, recorriendo desde el origen de la vida hasta el uso actual que la biotecnología hace de las bacterias para solucionar problemas de toda índole. Tiene como característica principal un enfoque innovador y atractivo que complementará la información obtenida en el aula. 1

Suponiendo 7,000,000,000 de personas. El número de bacterias después de 12 horas de

reproducción sería 2^48= 281,474,976,710,656 v

El formato electrónico da pauta para el uso de videos, animaciones, interactivos, podcast e imágenes que serían inalcanzables en una versión impresa, con la comodidad de poder ser consultado de manera práctica en celulares y tablets, herramientas de uso extendido entre los estudiantes universitarios. Por último, este libro nace de la iniciativa estudiantil de sus autores, quienes en un intento de afrontar y disminuir la complejidad de dichos temas, buscan con el presente material paliar la brecha entre la información y los medios de estudio de los alumnos. Sabido es que el proceso de enseñanza - aprendizaje requiere de un esfuerzo conjunto, en el cual los alumnos tienen un papel fundamental y, como universitarios, la misión de retroalimentar y aportar para una mejora constante.

Capítulo 1

El origen de las bacterias como el origen de la vida Las bacterias son la forma de vida más antigua que existe (así como la más abundante) y, hasta donde sabemos, su origen es el origen de la vida misma. Los primeros organismos que existieron en este planeta eran más similares a las bacterias que a cualquier otro ser vivo en la actualidad. La vida en nuestro planeta constituye la más compleja organización de la materia que se conoce. Actualmente podemos especular con base científica sobre el origen de ésta, pero a ciencia cierta, el salto entre la materia inorgánica que existe en todo el universo, a la bioquímica de la vida sigue siendo un gran misterio y una controversia latente. Es por ello que actualmente existen aún muchas preguntas sobre el inicio fundamental de la vida en la Tierra. La materia que dio paso a la vida, y a todo lo que se encuentra en el universo, tuvo origen durante el evento conocido como el Big Bang, el origen último de toda historia que se pueda contar acerca de este universo y todo lo que existe en él.

El Big Bang y la evolución química del Universo “…universos cuyas leyes y constantes permiten que la física se convierta, gracias a las estrellas, en química y, gracias a los planetas, en biología.” Richard Dawkins

La composición de toda la materia existente, se reduce a las diferentes combinaciones de sustancias simples llamadas elementos químicos, los cuales a su vez se conforman de átomos (que significa indivisible), formados por partículas subatómicas. De estas, las más importantes son aquellas que se encuentran en el núcleo atómico: los protones, de carga eléctrica positiva, los neutrones, sin carga; además de aquellas que giran alrededor del núcleo, con carga negativa llamadas electrones. Las dos primeras formadas por quarks, un tipo de partículas elementales que, estas si, son indivisibles. 8

Aún no se sabe qué y cómo era el universo en el tiempo cero, pero sabemos que fue una fracción 10-32 S después y a una temperatura de 1026 K cuando se formaron los quarks. Después de la colisión y combinación de estos, se formaron los electrones, protones y neutrones. En este momento ya habían transcurrido 10-5 S (una cienmilésima de segundo), pero la temperatura había disminuido a 1013 K (¡diez billones menos que en la formación de los quarks!). Fue hasta tres minutos después del origen, cuando a 109 K la temperatura fue lo suficientemente baja para permitir reacciones estables de fusión. Un neutrón y un protón se unían para formar un núcleo de deuterio (isótopo de hidrógeno). Las subsecuentes fusiones de esta nueva gama (deuterio, protones y neutrones) formaron elementos como el helio, después litio y berilio. La evolución química del universo había empezado con este proceso formativo conocido como nucleosíntesis.

Imagen 1.1 Breve cronograma del Big Bang a la formación de la materia 9

Animación 1.1 Nucleosíntesis

Aunque durante la formación del universo se originó la materia, horas después de la formación de este, la temperatura era demasiado baja como para permitir la fusión nuclear, que diera paso a nuevos elementos o a más helio. Una química de cuatro elementos es insuficiente para la existencia de la vida como la conocemos, y muy probablemente de cualquier otra manera. Es por ello que una nucleosíntesis diferente era necesaria para la formación de la gran diversidad química, que conforma hoy la tabla periódica. 10

Alquimia estelar: Estrellas y supernovas

Son las estrellas las que toman el papel primordial en la nucleosíntesis estelar, como principal motor de la evolución química después del Big Bang, y hasta nuestros días. La formación de los elementos que van del hidrógeno al hierro, tiene lugar en los núcleos estelares. Este proceso inicia con el colapso gravitacional de grandes nubes de hidrógeno y polvo espacial, que forma a estos cuerpos celestes, los cuales alcanzan temperaturas y presiones tan grandes que les permite funcionar como verdaderos reactores nucleares. Las estrellas recién formadas, con una temperatura alrededor de los 106 K, contienen en el núcleo hidrógeno, que funciona como combustible para la formación de helio. Cabe señalar un hecho importante: la fusión de dos elementos, forma un

Animación 1.2 Formación de elementos más pesados que el helio en el núcleo de las estrellas 11

nuevo núcleo que pesa menos que la suma de los componentes. Esta diferencia se emite como energía, por lo que los procesos de fusión enfrían a la estrella al acumular helio en su centro, con lo que inicia una nueva fase de su evolución. Cuando la mayor parte del hidrógeno se ha consumido, la estrella se contrae y su núcleo, hasta ese momento formado sólo de helio, eleva su

Química interestelar

temperatura aproximada de 108 K y con ello empieza la formación de átomos de carbono. Este proceso continúa hasta la formación de hierro, resultado de la fusión de silicio. En este momento, las reacciones de fusión se detienen, porque la estrella deja de emitir radiación, disminuyendo su temperatura e iniciando una nueva contracción.

Todas ellas producto de la interacción de los átomos en nubes estelares, donde se concentra la materia y existe una mayor

La dinámica estelar enriquece la cantidad de elementos

probabilidad de interacción.

químicos presentes en el universo. Aunque para los

Otro punto destacable es que una gran cantidad de las

compuestos es otra historia. Debido a las bajas

moléculas espaciales tienen un carácter orgánico, es decir, su

concentraciones causadas por su rápida dispersión, hasta

estructura contiene al menos un átomo de carbono.

1973 se consideraba poco probable que se formaran

Moléculas interestelares (Modificado de Lazcano, 1987).

compuestos químicos como resultado de la interacción de

Inorgánicas

Orgánicas

H2O agua

HCN

ácido cianhídrico

SiS

monosulfuro de silicio

H2CO

formaldehído

cianógeno (CN-), un par de moléculas orgánicas, las cuales se

H 2S

ácido sulfhídrico

HNCO

ácido isociánico

creían inexistentes en el espacio. Por medios

SO2

dióxido de azufre

HNCO

ácido isociánico

NH3

amoniaco

CH3OH

metanol

CH3CHO

acetaldehído

CH3CH2OH

etanol

NH2CN

cianamida

estos elementos. Fue en este año que se descubrieron moléculas interestelares como los radicales metildina (CH+) y

radioastronómicos, se han detectado grandes concentraciones de moléculas mucho más complejas, como el etanol, ácido fórmico, o la cianamida.

Al contraerse, la estrella se calienta y el hierro acumulado en el núcleo tiene suficiente energía para empezar a fusionarse. Este proceso, a diferencia de todos los anteriores, es endotérmico¸ por lo que la estrella no emite energía, sino que la absorbe. El proceso enfría paulatinamente la estrella, con lo que la presión disminuye de forma drástica y la estrella colapsa sobre sí misma. Las capas más cercanas al núcleo rebotan contra este y son dirigidas hacia las capas exteriores, donde colisionan abruptamente. La energía liberada por esta explosión da origen a una supernova. Muchos de los átomos que se encontraban hasta ese momento en la estrella, se rompen, liberando los protones y neutrones que, al colisionar con otros núcleos atómicos, forman el resto de elementos de mayor peso molecular que el hierro, hasta llegar al uranio. La onda de choque de esta explosión, además, puede comprimir polvo y gas estelar lo suficiente, para que este nuevo conjunto tenga un colapso gravitacional, que produzca una nueva generación de estrellas (el Sol de nuestro sistema solar, es una estrella de tercera generación, lo cual significa que se formó a partir de los restos de dos estrellas anteriores), iniciando nuevamente el proceso y enriqueciendo el mosaico de elementos químicos en el universo.

De la formaciĂłn del sistema solar a la Tierra primitiva: un paso antes del origen de la vida

â&#x20AC;&#x153;Somos polvo de estrellas que piensa acerca de las estrellasâ&#x20AC;? Carl Sagan

Hasta donde sabemos, nuestro sistema planetario no presenta

efecto centrífugo, se concentra cerca de la protoestrella

características muy peculiares. Los procesos físicos que dieron

central, y la más ligera se aleja de esta.

lugar a su formación, deben ser muy semejantes a otros sistemas planetarios. La receta planetaria más aceptada para describir la formación de un planeta, conocida como hipótesis nebular, es un proceso que se puede resumir de manera general como: a. Un inmenso cúmulo de polvo y gas estelar que colapsa de manera más o menos esférica. En la parte central inicia la formación de una protoestrella principal, tal cómo se describió anteriormente. b. Esta transformación conlleva a la aceleración del giro de este cúmulo. La materia más densa, por gravedad y

c. Las partículas sólidas del disco se atraen entre sí por gravedad y, al chocar, forman cuerpos más grandes, por lo que sucesivamente se forman grupos o planetesimales¸ que funcionarán como núcleos de acumulación para la formación de cuerpos cada vez mayores. d. Los planetesimales se atraen entre sí y se agrupan, dando origen a protoplanetas, los cuales son lo suficientemente masivos para atraer gas cercano y el resto de la materia del disco. e. El material que no alcanza a condensarse forma cometas y meteoritos.

Podcast 1.1 Reflexiones sobre el origen del Universo Comparando el micro y el macro cosmos 15

Animaciรณn 1.3 Formaciรณn del sistema solar

Una consecuencia directa de este proceso de formativo, es que todos los planetas de nuestro sistema tienen aproximadamente el mismo tiempo desde su formación. Cerca de 4,550 millones de años. Lo que se ha comprobado por dataciones radiométricas de isótopos, como el uranio-238 obtenido de meteoritos. Durante este tiempo las condiciones del planeta Tierra han cambiado drásticamente. Cuando terminó su formación, la superficie de este se encontraba expuesta a condiciones altamente extremas: vientos solares, bombardeo constante de meteoritos y radiactividad a causa del material inestable que se encontraba presente, por mencionar algunas. Estos procesos mantenían una temperatura superficial suficiente para que elementos como el hierro y el níquel se encontraran en estado líquido en la superficie, los cuales, debido a su alta densidad, se desplazaron eventualmente al núcleo terrestre. Las elevadas temperaturas también impedían la retención de una atmósfera, la cual era evaporada constantemente hacia el espacio. El enfriamiento paulatino permitió que la abundante actividad volcánica en el planeta formara una superficie rocosa y una atmósfera primitiva, la cual contenía vapor de agua, dióxido de carbono y nitrógeno de manera abundante. La maduración de esta atmósfera, permitió la formación de compuestos como el metano, amoniaco y el ácido cianhídrico. Pero la principal característica no era la presencia de estos compuestos básicos, sino la completa ausencia de oxígeno libre, fuera en forma atómica, molecular o como ozono (O, O2 y O3, respectivamente). La mínima presencia del oxígeno reaccionaba con los demás gases presentes, lo que impedía su presencia como elemento libre. Esto se tradujo en que la primera atmósfera tenía un carácter altamente reductivo. Por otra parte, la actividad volcánica y el enfriamiento terrestre tuvieron una segunda consecuencia: la precipitación torrencial y continua del agua contenida en la atmósfera, lo que significó el inicio del ciclo del agua y permitió una gran concentración de sales minerales en la superficie terrestre, así como la formación de los primeros océano, los cuales tenían un carácter básico y una temperatura que permanecía cerca al punto de ebullición del agua. Estas condiciones nada favorables prevalecían justo al inicio de la vida en el planeta. 17

El surgimiento de la vida en la Tierra

“omnis cellula e cellula”  (Toda célula proviene de otra célula) Rudolf Virchow

En el tercer enunciado de la Teoría celular, declarado en el siglo

Las rocas más antiguas que se han encontrado en la Tierra tienen

XIX por R. Virchow,

bien se pudiera reemplazar célula por ser

cerca de 4,030 millones de años. Sin embargo, las primeras

vivo, conservando la misma validez. Todo organismo surge

evidencias de actividad biológica registradas, aparecen en rocas

siempre de un ser preexistente que, por definición, también está

con 3,800 millones de años de antigüedad. Suponiendo que esta

vivo. Ambos enunciados desembocan en una aparente paradoja.

cifra es un buen indicativo del origen de la vida, significa que los

Si cada ente biológico siempre surge de algo vivo, visto en

primeros 700 millones de años, el planeta permaneció

retrospectiva ¿de dónde proviene el primer ser vivo? El origen de

deshabitado y en algún momento de este lapso surgieron los

la vida se remonta al inicio del planeta, por lo que es difícil contar

primeros sistemas vivos. Y aunque es una suposición bastante

con evidencia de este suceso. Sin embargo, en la actualidad

robusta, al intentar reconstruir las condiciones en que surgió la

contamos con dos herramientas para conocer el pasado de la

vida, la especulación aumenta.

vida en nuestro planeta: el registro fósil y la biología molecular. La segunda tiene, en principio, como límite el surgimiento del DNA. Así que es el registro fósil nuestra principal opción para responder preguntas sobre nuestro pasado geológico. Aunque incluso este tiene grandes limitantes hoy en día.

La teoría clásica de la Tierra primitiva, formulada en el siglo XX, sugiere que las condiciones estaban gobernadas por una atmósfera reductora, donde una gran acumulación de compuestos orgánicos, formados en la misma atmósfera, serían 18

concentrados en los océanos primitivos, dando lugar a sucesivos pasos de síntesis de moléculas, donde cada una generaría compuestos de mayor complejidad que en el paso anterior; dando lugar a sistemas prebióticos que en última instancia darían origen a la primer célula, a partir de la cual evolucionaría el resto de la biósfera. Esta hipótesis ha sido atacada y replanteada en numerosas ocasiones desde que fue propuesta, dado que enfrenta dificultades como el hecho de que una atmosfera reductora sería altamente inestable, además de los grandes y constantes impactos de meteoritos que volatilizarían frecuentemente los océanos primitivos, etc. Sin embargo, hoy en día se han planteado nuevas hipótesis

Descifrando el origen de la vida.

sobre el surgimiento de la vida que pudieran resolver las

Oparin-Haldane y Muller-Urey.

dificultades en menor o mayor medida a las que la hipótesis de Oparin y Haldane se enfrenta. Algunas de ellas son:

En 1924, el bioquímico soviético, Alexander Oparin, postuló por primera vez una explicación científica en

La hipótesis de las micas. Planteada en 2007 por Helen

su libro El origen de la vida sobre los inicios de los

Hansmam, propone que la vida en nuestro planeta podría

seres vivos en nuestro planeta. Según este, el paso de

haberse originado como el relleno orgánico de un

materia inorgánica a moléculas orgánicas hacia las

“sándwich” multicapa de láminas de mica.

formas más primitivas de vida, habían surgido en la

El mundo de las arcillas de Cairns-Smith. Según esta hipótesis, la vida pudiera haber surgido a partir de un

superficie terrestre, donde la atmósfera, no contenía oxígeno libre y, en cambio se encontraba vapor de

proceso de replicación de cristales de arcilla, moléculas de

agua, metano (CH4), amoniaco (NH3) e hidrógeno

tipo inorgánico. Esto pudiera ser el origen de un mecanismo

molecular (H2) en grandes cantidades, lo que le daba

de autorreplicación de moléculas, las cuales pudieran llevar

un fuerte carácter reductor. Además las fuentes de

a cabo funciones primitivas de herencia de información,

energía como las tormentas eléctricas, la gran cantidad

hasta la aparición de ácidos nucleicos.

de radiación ultravioleta y el calor emitido por la gran

El mundo de la pirita de Wächtähäuse. De igual manera que

actividad volcánica habrían, según Oparin, permitido

la hipótesis anterior, este autor propuso que la pirita pudiera 19

ser el origen de un incipiente metabolismo. La formación de este mineral es llevada a cabo a través de reacciones fuertemente reductoras, las cuales, en ausencia de oxígeno, genera hidrógeno y

La paradoja de Sorites

puede formar aminoácidos, purinas, pirimidinas y varios

¿Se puede delimitar qué es un montón de rocas?

compuestos orgánicos más. Esto pudiera ser el origen de un primer

¿Cuándo un montón de rocas deja de serlo?

(e incipiente) sistema metabólico. A pesar de los grandes avances

Cualquiera estaría de acuerdo que dos rocas no

en el estudio sobre el origen de la vida, hasta hoy en día la

forman un montón, y que 1,000 rocas si lo hacen.

especulación e incertidumbre sobre las verdaderas condiciones en

Pero si tomamos una a una, las rocas de este

las cuales se desarrollaron los primeros organismos vivos, además

conjunto (de 1,000 a 999, a 998, a 997, a 996), ¿en

de los procesos que llevó a la materia inerte a los primeros sistemas

qué roca podemos dejar de llamarlo “montón”?, o si

realmente con vida está presente y con menor oportunidad de ser

por el contrario, a dos rocas le sumamos una tercera,

aclarada de lo que se desearía.

y a esta una cuarta, ¿en qué número se convierte indudablemente en un montón de rocas? La respuesta a esto es que la definición de montón de rocas no establece una discontinuidad o un límite entre el conjunto de rocas que forman un montón, al conjunto del que no lo hace. Se trata, entonces, de un sistema continuo. Y a este hace referencia la paradoja de Sorites. ¿En qué momento un color deja de serlo para convertirse en otro? Un ejemplo más de la paradoja

Animación 1.4 La Paradoja de Sorites

Las características de la vida Aunque no estamos seguros cómo, las conclusiones de qué

Sea lo que fuere, los primeros seres vivos,

tuvo que resultar en los sistemas prebióticos y los primeros

unicelulares y de una simplicidad mucho mayor a la

organismos vivos son mucho más claras. Las principales son:

de cualquier bacteria, se verían obligados a producir

Información hereditaria

moléculas que contenían información para formar un nuevo organismo con características similares a las de su

Tal vez la característica más representativa de cualquier ser vivo

antecesor. Este paso fue el definitivo entre los organismos

actual o extinto, es la capacidad de transmitir información

vivos y la materia inanimada.

hereditaria de una generación a la siguiente, a través de un sistema de autorreplicación. En la actualidad este papel lo

Metabolismo

cumple el DNA en prácticamente todas las formas de vida, sin

Los primeros organismos vivos tuvieron que ser heterótrofos,

embargo, todo apunta a que en el inicio de la vida esto no fuera

por lo que absorbían sustancias orgánicas de su medio, fuese

así. La teoría más aceptada es que en un inicio, los sistemas

una sopa primitiva o un conglomerado orgánico entre minerales,

vivos poseían una transmisión de información hereditaria basada

substancias de las cuales obtenían la materia y energía

en una molécula de menor complejidad, la cual aún juega un

necesaria para sobrevivir y producir las moléculas que

papel fundamental en los seres vivos actuales, el RNA, esta

lo conformaban,

teoría es conocida por ende como el mundo del RNA. Sin

además que le

embargo, en un inicio los sistemas prebióticos debieron de

permitían

contar con sistemas mucho más simples, como pudieran ser

replicarse de

otros ácidos nucleicos como lo son el TNA (ácido treoso-

alguna manera.

n u c l e i c o ) y e l P N A ( á c i d o p é p t i d o - n u c l e i c o ) .  21

Una gran cantidad de evidencia apoya la propuesta que los primeros organismos, que a lo largo del tiempo dieron origen a toda la diversidad biológica actual, fueron también poseedores de una herramienta metabólica que comparten todas las formas de vida en nuestro planeta: la glucólisis, es decir, la obtención de energía a través de la degradación de carbohidratos. Todas las plantas, bacterias, así como animales y hongos, utilizan el ATP como medio de transporte energético, es otra característica que tuvo, por lo menos, el antecesor común de todas las formas de vida actuales.

Individualización La separación del medio original por parte de las protocélulas, fue posible a la formación de una membrana celular. A través de esta se produce el intercambio de sustancias, nutrientes y desechos.

La aparición de la membrana, permitió el control del medio celular y, al mismo tiempo, ponerla en contacto con su entorno. Esta característica fue necesaria al inicio de la vida; pues de este modo los primeros seres vivos pudieron concentrar las moléculas necesarias para su ciclo vital, impidiendo la dispersión de tales sustancias,

facilitando su

interacción y la posibilidad de sufrir un proceso selectivo y evolutivo.

Animación 1.5 Reloj evolutivo

Historia mínima de la microbiología previa al siglo XX Aunque desde la época clásica se sospechaba de la existencia de formas de vida de menor tamaño de las que se podían observar, es

hasta 1664 que

Robert Hooke describe algunas estructuras de algunos mohos, cuando la humanidad tiene un acercamiento a los microorganismos. Es a finales del siglo XVII que el holandés Anton van Leewenhoek perfecciona el microscopio óptico, y en 1675 cuando lleva a la Royal Society de Londres el primer trabajo de microbiología, el cual se publica en 1984 traducido al inglés. Sin embargo, la importancia del universo microscópico es relegada durante casi 200 años meramente a curiosidades científicas, a pesar de la alta descripción de bacterias, hongos y protozoos conocidos generalmente como «animáculos» en este tiempo. El desarrollo de la microbiología se detiene hasta la el siglo XIX, cuando la controversia de la generación espontánea, aunada a la descripción de la naturaleza de las enfermedades contagiosas, impulsa el estudio de los microorganismos. A finales del mismo siglo ambas controversias quedaron resueltas y, con ello, se sentaron las bases de la microbiología como una nueva ciencia en desarrollo.

La generación espontánea « (…) Si colocamos ropa interior llena de sudor con trigo en un recipiente de boca ancha, al cabo de veintiún días el olor cambia y el fermento, surgiendo de la ropa interior y penetrando a través de las cáscaras de trigo, cambia al trigo en ratones. (…) Lo que es verdaderamente increíble es que los ratones no son pequeños, ni deformes ni defectuosos, sino que son adultos perfectos. » Johann B. van Helmont. Ortus Medicine, 1667 Citas parecidas eran comunes antes del siglo XVII, la proliferación de microorganismos y formas vivientes en cualquier porción de materia orgánica, propiciaba la falsa apariencia de que la vida puede surgir a partir de materiales inanimados. Esto era apoyado por el concepto de la «élan vita», o fuerza vital, y sus seguidores los vitalistas, que afirmaban que esta fuerza obligaba a la materia en descomposición a generar nuevas formas de vida.

El obstáculo puesto a Spallanzani de “la descomposición del aire” al calentarlo y por ende, la destrucción del supuesto élan vita contenido en él, fue resuelta por Pasteur con un experimento lleno de genialidad. En matraces de bola cuyos cuellos había alargado, curvado y adelgazado por medio de calor (matraces cuello de cisne), colocó agua con levadura de cerveza y la sometió a ebullición. El vapor que salía esterilizaba el cuello, y al enfriarse no mostraba crecimiento microbiano alguno. Pues aunque el aire entraba por la boca del tubo, las partículas, y bacterias se sedimentaban a lo largo del cuello y no lograban llegar a la infusión. Al inclinar el balón y dejar que el líquido se desplazara hasta la mitad y regresara al fondo, era suficiente para hacer crecer bacterias en él. Esta fue la prueba de que los microorganismos eran retenidos en el cuello del matraz. Pasteur recibió el premio de la Academia por su trabajo después de un certero e histórico discurso:

« (…) Y por lo tanto, caballeros, yo podría señalar este líquido y decirles que he tomado mi gota de agua de la inmensidad de la creación, y que la he tomado plena de los elementos apropiados para el desarrollo de organismos microscópicos. (…) rogándole que recomience para mí el hermoso espectáculo de la creación primera. Pero es mudo, (…) mudo porque lo he mantenido aislado de la única cosa que el hombre no sabe producir: (…) la vida. La doctrina de la generación espontánea no se recuperará jamás del golpe mortal que le asestó este simple experimento » 25

Ligas de interés • Laboratorio de origen de la Vida, Facultad de Ciencias UNAM. Responsable: Dr. Antonio Eusebio Lazcano Araujo http:// bacteria.fciencias.unam.mx/ • Sociedad Mexicana de Astrobiología (SOMA). Presidencia a cargo de la Dra. Antígona Segura Peralta (2011-2013) http:// www.nucleares.unam.mx/soma/index.php/inicio-alias • Directorio de Astrobiología y Origen de la vida. Investigadores en México y Colombia https://sites.google.com/site/ directorioastrobiologia/

Artículos (Sobre el origen de material orgánico en la Tierra a partir de material cometario). • Could life have evolved in cometary nuclei?. A. Bar-Nun, A. Lazcano-Araujo, J. Oro. - Origins of life, 1981 – Springer • The contribution of cometary volatiles to the primitive Earth. J Oro, G Holzer, A Lazcano-Araujo - Life sciences and space …, 1979 europepmc.org

Lecturas recomendadas • Stewart Ian. El segundo secreto de la vida. Editorial Crítica, colección Drakontos. • Javier Sampedro. Deconstruyendo a Darwin, los enigmas de la evolución a la luz de la nueva genética. Editorial Crítica, colección Drakontos. • Lynn Margulis. El origen de la célula. • Antonio Lazcano. El origen de la vida. Editorial Trillas 26

Capítulo 2

Evolución y diversidad microbiana El planeta en el que habitamos tiene alrededor de 4,500 millones de años de existencia, y durante la mayor parte de este tiempo ha estado habitado sólo por bacterias. Como veremos, las bacterias presentan casi todas las características que existen dentro de los seres vivos, en ellas se encuentra la mayor parte de los tipos de metabolismo y son, por mucho, los seres vivos cosmopolitas por excelencia. Es casi imposible encontrar un rincón del planeta tierra sin la presencia de las bacterias. En una primera impresión, la Tierra es un mundo de vida bacteriana.

Diversidad microbiana

“Entre la primer célula procariota y Shakespeare ha pasado alguna cosa...” Jorge Wagensber

Durante 3,800 millones de años el grado de complejidad de la

rápida reproducción. Algunas bacterias, como Escherichia colli

vida no fue superior a las primeras bacterias que poblaron la

duplican su población en 18 minutos en condiciones ideales. El

Tierra. La gran diversidad de vida con la que estamos

genoma de las bacterias también es relativamente pequeño para

familiarizados, la vida multicelular, fue una brecha superada hace

este fin. Vidas cortas y de gran simplicidad.

relativamente poco tiempo. Esta brecha entre las bacterias y todas las demás formas de vida es un asunto limitado, en principio, a la organización que tienen a nivel celular. Por ejemplo, a nivel morfológico, las bacterias son relativamente simples.

Todas las características mencionadas son relativamente simples, pero ¿relativo en comparación con qué? Con las células eucariotas. Aunque todos los seres vivos están compuestos por células, organismos como las amebas, los hongos, plantas y animales, están compuestos por células eucariotas, que

Como se explicará en el Capítulo 5, la morfología bacteriana

guardan su información genética dentro del núcleo, a diferencia

adopta pocas formas generales en comparación con la gran

de las células baterianas, a las cuales se les denomina

variedad de formas que hongos, plantas y animales presentan en

procariotas por la ausencia de núcleo.

la actualidad. El modo de vida de las bacterias es relativamente simple, dado que se basa en un metabolismo eficiente y una

Este es el principal carácter diferencial entre procariotas y eucariotas, aunque las diferencias son muchas más. 28

PRINCIPALES DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS Células procariotas

Células eucariotas

El único cromosoma circular se encuentra en contacto directo con el citoplasma.

Los cromosomas se encuentran envueltos en una membrana nuclear de doble capa, el núcleo.

No contienen mitocondrias ni cloroplastos.

Generalmente presentan mitocondrias. Los fotosintéticos presentan cloroplastos.

División celular por fisión binaria, fisión múltiple, fisión ternaria o gemación.

La división celular implica mitosis o meiosis.

La pared celular, cuando existe, incluye peptidoglucanos o compuestos derivados.

La pared celular, cuando existe, incluye moléculas estructurales como la celulosa o la quitina, pero nunca peptidoglucanos.

Microtúbulos ausentes.

Gran cantidad de microtúbulos con diferentes funciones.

Un solo tipo de ribosoma. Tamaño de 70S.

Ribosoma de dos tamaños, menor, de 70S en mitocondrias y/o cloroplastos, uno mayor en el citoplasma de 80S.

Estructura cromosómica relativamente simple.

El DNA forma complejos con proteínas llamadas histonas.

Cuando hay flagelos, están compuestos de una única fibra proteica. Son rotatorios.

Cuando existen flagelos o cilios, están compuestos por elementos microtubulares en un patrón de 9 dobletes externos y 2 unidades individuales centrales. No es rotatorio.

No presenta orgánulos membranosos.

Presenta orgánulos internos membranosos (como vacuolas, aparato de Golgi, retículo endoplasmático).

Los genes no contienen intrones ni exones.

Los genes pueden dividirse en exones e intrones.

Imagen 2.1 Célula procariota y eucariota

Podcast 2.1 Quesos por bacterias humanas ¿Porqué los pies huelen a queso?

Procariotas: arqueas y bacterias Desde su descripción y su clasificación, hasta mediados del siglo XX, los procariotas fueron considerados como un solo grupo de organismos. La clasificación de estos estuvo en función de su bioquímica, morfología y metabolísmo. Todo cambió cuando las clasificaciones basadas en las secuencias genéticas revolucionaron la sistemática de las bacterias, al igual que la de todos los organismos. Fueron Carl Woese y George Fox, en 1977, quienes después de analizar la secuencia de el RNA ribosómico de muchos organismos diferentes, publicaron un nuevo árbol de la vida. Este reafirmaba que los eucariotas son un grupo aparte de los procariotas, pero rompía con otra gran afirmación, los procariotas no son un grupo homogéneo, sino que había dos grandes divisiones, por un lado las bacterias, por el otro las arqueas. Lo que significaba que las arqueas estaban tan separadas de las bacterias como estas de los eucariotas, si no es que más. Esta clasificación dividía, entonces, la vida en tres dominios: Bacteria, Archea y Eucarya.

Animación 2.1 Los tres dominios según Carl Woese 31

Cuando Carl Woese publicó su artículo, sólo se conocían los metágenos como miembros del dominio Archea, los cuales se diferenciaban por vivir en ambientes extremos (por lo cuál se les conoce como extremófilos), conforme fue transcurriendo el tiempo, se descubrieron nuevos grupos o se reconoció a otros como Arqueas. Grupo del cuál en la actualidad se reconoce una gran diversidad, con multiples hábitats, que van desde el océano y el suelo, hasta habitantes de la flora intestinal de los rumiantes. Actualmente, la gran cantidad de secuencias de genes y genomas completos de los que disponemos, nos ha permitido construir árboles filogenéticos que muestren de una manera más precisa las relaciones entre los grupos de seres vivos. Ahora, por ejemplo, sabemos que los hongos y los animales están más emparentados, que cualquiera de ellos con las plantas.

Imagen 2.2 Carl Woese Fuente: Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Woese) 32

La teoría endosimbiótica

¿Cómo surgen nuevas especies de organismos? En una simplificación del paradigma central de la biología, la teoría evolutiva, nos dice que es la acomulación de cambios genéticos en un linaje a través del tiempo, de acuerdo a un proceso de reproducción diferencial lo que las produce. Dígase entonces, que algunos individos se reproducen más que otros, por lo que su información genética se hereda a las siguientes generaciones y, con el paso del tiempo, las caracteristicas heredadas de un grupo son suficientes para diferenciarse de otros, es así como se diferencían dos especies. Sin embargo, un suceso tan trascendental en la diversificación de la vida como lo es el origen de la célula eucariota, se escapa de esta explicación darwiniana. Como ya vimos, el 80% inicial del tiempo en el que ha existido vida en nuestro planeta fue habitado únicamente por seres sin núcleo pero, ¿cómo surgió el grupo de los eucariotas entonces? La respuesta es compleja y aún incompleta: la fusión de varios procariotas para formar un nuevo tipo de organismo. Este proceso es conocido como endosimbiosis.

Imagen 2.3 El agua, origen de la vida en la Tierra (fragmento). Diego Rivera 33

La descripción de este proceso como lo conocemos fue obra de

doble membrana, la interna originada de la membrana del

una bióloga estadounidense, Lynn Margulis. Basada en que

procariota que fue ingerido, mientras que la membrana externa

algunos organelos fundamentales de las células eucariotas, como

sería un vestigio del proceso de fagocitosis (véase animación

las mitocondrias y los cloroplastos (en el caso de los seres

2.2). En el caso del DNA dentro de las mitocondrias, mucho del

fotosintéticos) poseen membranas propias, así como DNA,

material genético que necesita, se ha mudado hacia el núcleo de

aunque a diferencia del material genético contenido en el núcleo,

las células, pero conservando mucho de su material necesario

este tiene un solo cromosoma circular, además de que se divide

para su ciclo vital. Esto permite, en parte, que sea la célula

por bipartición, de manera muy similar a muchas bacterias.

huesped la que regule la actividad de la mitocondria.

El primer proceso de endosimbiosis, según Margulis, sería aquel en el que una célula procarionte consumidora de azufre y una espiroqueta. De estas surgiría una membrana interna que daría paso al núcleo celular, siendo este el lugar de recidencia del material genético, el DNA. En un segundo proceso, un organismo anaeróbico fagocitó a un segundo aeróbico, pero sin digerirlo. Este sería el origen de las mitocondrias dentro de prácticamente todos los eucariotas actuales. Si observamos las mitocondrias, notaríamos que estas tienen una

Imagen 2.4 Lynn Margulis, Origin of Eukaryotic Cells. 34

Que las células animales y vegetales se originaron mediante simbiosis ya no es materia de controversia. La biología molecular, incluyendo la secuenciación genética, ha reivindicado este aspecto de mi teoría de la simbiosis celular. La incorporación permanente de bacterias dentro de las células animales y vegetales en forma de plastos y mitocondrias es la parte de mi teoría de la endosimbiosis serial que aparece ahora incluso en los libros de texto de los institutos. Pero el impacto completo de la visión simbiótica de la evolución todavía no se ha sentido; y la idea de que especies nuevas aparecen a partir de fusiones simbióticas entre miembros de las antiguas todavía no ha merecido siquiera discusión por parte de la sociedad científica respetable.

Margulis, Planeta simbiótico

Los cloroplastos de los organismos fotosintéticos, tendrían un origen posterior, una segunda endosimbiosis. En el caso de este organelo, también cuenta con más de una membrana. De manera similar a las mitocondrias, cuenta con una membrana interna y una externa, además de poseer unas estructuras llamadas tilacoides, los cuales también poseen una membrana propia. Estas estructuras son las encargadas del aprovechamiento de la luz solar como fuente de energía para producir energía química. El origen de esta estrucutra recaería en procariotes previamente fotosintéticos, las cianobacterias. Margulis incluyó dentro de su teoría un tercer conjunto de organelos que tendrían origen en un proceso endosimbiótico, los cilios y flagelos (a los cuales llamó undulipodios) que también

Animación 2.2 Modelo autógeno-simbiogenético de la eucariogénesis. 35

Una bacteria, una arquea y algo más En 2002 Hyman Hartman y Alexei Fedorov realizaron un estudio, en el cual analizaban una gran cantidad de genomas previamente secuenciados en todo el mundo, con darían origen a otras estructuras, como los microtúbulos del

la finalidad de encontrar el genoma eucariota fundamental.

citoesqueleto, los cuales tienen implicaciones directas durante

Aquellos genes que compartimos todos los eucariotas:

la mitosis celular. Sin embargo, la comunidad científica rechaza

protistas, hongos, plantas y animales.

actualmente esta posibilidad. Fue F.J. Taylor quien postuló en

todos compartimos 2,136 genes. El ancestro de todos los

1974 la teoría SET (Teoría de la Endosimbiosis Seriada, por sus

eucariotas nos heredó esa carga genética.

Encontraron que

siglas en inglés). Cabe resaltar que nunca ha sido del todo aceptada esta teoría, contrastando con hipotesis de origen autógeno, las cuales describen que los organelos con membranas dentro de la céula eucariota habrían surgido por evaginaciones de la membrana exterior de las células. Estas hipótesis son fuertemente respaldadas para el origen de organelos como, por ejemplo, el aparato de Golgi y parcialmente en cuanto al núcleo celular. Actualmente se considera que el de las células eucariotas se

Lo interesante de este dato es que de estos 2,136 genes, el 84% se puede encontrar en bacterias ó arqueas, lo que respalda la teoría endosimbiótica del origen de la célula eucariota. Pero ¿y el otro 16%? 347 genes que compartimos todos los eucariotas, no se encuentran en ningún procariota. Es más, estos son responsables de tres procesos que de igual manera, sólo son propios de los seres nucleados:

originó de ambas formas, contando con sucesos de endosimbiosis, como en el caso de las mitocondrias, y procesos

1.-La endocitosis: Proceso por el cual una célula puede

de tipo autógenos, como en el caso del retículo endoplasmático

engullir otras células, virus o moléculas.

y, posiblemente, el núcleo celular. 2.-La traducción de señales: Proceso que consiste en translucir los mensajes extracelulares (como la comunicación entre células, o el efecto de hormonas) al 36

Literatura citada • 1GDIF [en línea]: Global Biodiversity Information Facility [Internacional]: Bacteria Kingdom in GBIF Backbone Taxonomy <http://www.gbif.org/species/3> [Consulta: septiembre 2014].

Lecturas recomendadas • Artículo original de Carl Woese y George Fox “Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms” www.pnas.org/content/74/11/5088.full.pdf+html

Capítulo 3

Estructura bacteriana externa Si contemplamos a las bacterias desde el exterior hacia el interior, encontramos que éstas se encuentran rodeadas por un complejo conjunto de capas superficiales y apéndices los cuales difieren en su composición de una especie a otra. Así como se usan los bloques o tabiques para iniciar una construcción de un edifico, las biomoléculas son consideradas los bloques de la vida. En este capítulo abordaremos la estructura externa de esta célula procariota y el papel que desempeñan las diferentes macromoléculas en la composición de la bacteria.

Biomoléculas: un panorama general en la estructura bacteriana Si pudiéramos realizar una disección bioquímica de una bacteria intestinal, como Escherichia coli, encontraríamos que el principal componente es el agua, seguido por grandes cantidades de macromoléculas y cantidades menores de los monómeros precursores de éstas y finalmente varios iones inorgánicos. Cerca del 95% del peso seco de una célula se debe a las macromoléculas tales como: proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos. Las proteínas son polímeros constituidos de los elementos C, H,

Interactivo 3.1 Enlace peptídico

O, N, S y en algunos casos fósforo. Se forman mediante la unión de aminoácidos (monómeros), moléculas que en su mayoría contienen: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno a excepción de dos de los 21 aminoácidos más comunes que componen a las células que también poseen azufre y además, uno de esos, selenio. Estos monómeros contienen un grupo carboxílico (-COOH) y otro grupo amino (-NH2) que permiten la

Aminoácido 1

formación de las proteínas a través del enlace peptídico.

Las propiedades químicas de los aminoácidos dependen

Lípidos

fundamentalmente de la naturaleza de la cadena lateral, que los puede agrupar por “familias”. Dicha diversidad permite a las

Los lípidos son moléculas orgánicas, compuestas de carbono,

células producir un número enorme de proteínas químicamente

hidrógeno, oxígeno, fósforo, azufre y nitrógeno. Son

distintas, lo que genera una diversidad bioquímica muy amplia.

componentes esenciales para la célula y poseen propiedades

Las proteínas se encuentran en la bacteria y desempeñan diversas funciones tanto estructurales como enzimáticas. Es

tanto hidrofóbicas como hidrofílicas, por lo que se conocen como antipáticos.

decir, forman parte integral de la célula procariota y las enzimas

Los ácidos grasos de cadena larga, insolubles en agua, forman

actúan como catalizadores en las reacciones químicas que se

ésteres con los alcoholes y producen tioésteres con la coenzima

efectúan dentro de la célula.

A. Algunos compuestos de importancia biológica, tales como las

Polisacáridos Conocidos generalmente como carbohidratos o azúcares, son

prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, son derivados de ácidos grasos poliinsaturados de 20 carbonos como el ácido araquidónico.

compuestos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Los

En los acilgliceroles (o acilglicéridos), uno o más de los grupos

que tienen mayor importancia biológica son aquellos compuestos

hidroxilo (OH) de la molécula de glicerol, están esterificados de

con 4, 5, 6 y 7 átomos de carbono. Los azúcares de 5 átomos

ahí que se dividan en monoacil, diacil y triacilgliceroles; en estos

(pentosas) tienen relevancia porque forman parte de la estructura

últimos, todos los hidroxilos del glicerol (3), están esterificados

molecular de los ácidos nucleicos.

con ácidos grasos. Estos ácidos grasos pueden ser iguales entre ellos o diferentes y dependiendo de la largo de las cadenas que esterifican al glicerol y de su grado de insaturación, los triacilgliceroles (triacilglicéridos), se dividen en grasas (sólidas) o 40

aceites (líquidos). Estas moléculas, son hidrofóbicas y no forman micelas. La función biológica más importante de estas moléculas, consiste en formar parte de las membranas celulares, recordemos que en su estructura se encuentran presentes los lípidos. La mayoría de las funciones que tienen los lípidos, se debe a la capacidad que tienen para interactuar con otras biomoléculas. Recordemos que los lípidos casi nunca se encuentran en estado libre, por lo general están unidos a carbohidratos formando glucolípidos o a proteínas formando compuestos denominados lipoproteínas.

Podcast 3.1 ¿Qué son las biomoléculas? ¿Y tú de qué estás hecho?

Estructuras celulares procariotas externas “¡Claro que no somos sólo química! También somos… somos… ¡Seguro que debe haber algo más! ¿O no? ” Pere Estupinyá

Existen células procariotas que secretan materiales viscosos en su superficie: cómo son polisacáridos o proteínas, o solamente polisacaridos: mejor conocidos como el glycocalix(glyco= “dulce”; calyx = “capa”). Estos materiales no se consideran parte de la pared celular porque no aportan ninguna resistencia estructural significativa para la bacteria. Para describir estas formaciones se utilizan los términos “cápsula” y “capa mucosa”.

Capsulas y capas mucosas Las capsulas y las capas mucosas pueden ser gruesas o finas, rígidas o flexibles, esto va a depender de la composición y del grado de hidratación que presente. Si el material se organiza como una matriz gruesa que no permite penetrar pequeñas partículas, como la tinta china o el colorante rojo congo (véase fig 3.1), se denomina cápsula.

Imagen 3.1 Cápsula bacteriana 42

Si el material es fácilmente deformable en donde no se excluirán

representa un factor de virulencia. Existen algunas hipótesis en

a las pequeñas partículas por lo que resultara más difícil de

donde los científicos piensan que la repulsión entre la bacteria y

observar; entonces se denomina capa mucosa o capa de limo.

el fagocito se debe a la fuertes cargas negativas de las capsula y

Además, cabe recalcar que las capsulas están unidas firmemente

la superficie del fagocito.

a la pared celular (que veremos más adelante), mientras que las capas limo presentan uniones débiles y pueden desprenderse de la superficie celular. En las bacterias, estas capas polisacáridos pueden tener varias funciones relacionadas con la fijación de los microorganismos a superficies sólidas. Por ejemplo: un microorganismo patógeno que logra penetrar en el cuerpo de los animales por rutas específicas, se une primero de modo selectivo a componentes superficiales de los tejidos del hospedador. A menudo, dicha interacción está mediada por los polisacáridos superficiales de la célula bacteriana. Los polisacáridos extracelulares desempeñan un papel esencial en el establecimiento de biofilms1.Por ejemplo

Por otra parte, como las capas polisacáridas externas retienen una significativa cantidad de agua, es probable que tengan alguna función en la resistencia de las células frente a la desecación. Una capa de limo regularmente contiene una masa de fibras de polisacáridos llamada dextrina el cual se encuentra entrelazdo entre si.Dichas fibras se unen a la superficie del tejido para colonizar, ejemplo de ello es el caso de Streptococcus mutans.

Fimbrias y pelos

esta particularidad

Las células procariotas tienen que responder y monitorear su

permite que V. cholerae se adhiera a la pared del intestino del

entorno externo. Esto se hace difícil por tener una pared celular

hospedador.

que hace que tenga una especie de "vendas en los ojos" sobre

Además, las bacterias patógenas con cápsula son más difícilmente fagocitadas por las células del sistema inmune que las reconoce y destruye, esta caraceristica del glycocaclyx

la célula. Muchas procariotas han resuelto este problema de detección al poseer estructuras que se extienden desde la superficie de la célula hacia el exterior y desempeñan varias funciones. 43

Las fimbrias, compuestos por proteínas: actúan como un armazón sobre el cual las moléculas adhesivas específicas, llamadas adhesinas, se adjuntan. Por ende ayudan a la bacteria a fijarse sobre superficies formando películas o biofilms y, en el caso de los microorganismos patógenos humanos, para formar microcolonias en células humanas y superficies de tejido. Una situación muy destacable, ya que estas estructuras favorecen el desarrollo de la enfermedad; esto ocurre por ejemplo, en especies de Salmonela (salmonelosis), Neisseria gonorrhoeae (gonorrea) y Bordetella pertusis (tosferina). Los pelos o pili son similares a las fimbrias pero típicamente son estructuras más largas, y se presentan sólo uno o unos pocos sobre la superficie celular. Además de unirse a superficies, como hacen las fimbrias, los pelos tienen funciones adicionales. Una función muy importante es facilitar el intercambio genético entre células procariotas en el proceso de conjugación: transferencia de genes de una bacteria a otra mediante un mecanismo que implica el contacto entre células. Un biofilm o biopelícula es una población de bacterias que se asocian a una superficie, inmersa en una matriz de polímeros extracelulares. El primer paso en la formación de biopelículas consiste en la colonización o unión inicial de una nueva superficie, por un grupo de bacterias, las cuales se denomina células “pioneras”. Una vez que se origina la adhesión esta es seguida por la proliferación celular y agregación, generando una capa basal de microcolonias de anclaje. Cuando un número suficiente de células se han agregado para formar microcolonias, éstas comienzan a producir una matriz extracelular. En principio, los compuestos extracelulares que forman la matriz, y que están contenidos en el biofilm, son segregados por las células que forman el biofilm, o de la lisis de algunas fracciones de la colonia.

Animación 3.1 Aparición de caries por biofilms

El flagelo El flagelo bacteriano es una estructura filamentosa que sirve para impulsar la célula bacteriana. Tiene una estructura única, completamente diferente de los demás sistemas presentes en otros organismos, como los cilios y flagelos eucariotas, y los flagelos de las arqueas. Presenta una similitud notable con los sistemas mecánicos artificiales, pues es una compleja estructura compuesta de varios elementos (piezas) y que rota como una hélice. La disposición de los flagelos varía según las bacterias:

Imagen 3.2 Disposición de flagelos 45

Los flagelos están compuestos por cerca de 20 proteínas, con aproximadamente otras 30 proteínas para su regulación y coordinación. El filamento del flagelo bacteriano está compuesto de subunidades de una proteína llamada flagelina. La forma y la longitud de onda de un flagelo ,están determinadas en parte por la estructura de la flagelina y también por la dirección de rotación del filamento. Proteinas Mot: controlan realmente el motor flagelar provocando la rotación del filamento. Proteinas de Fli: funcionan como un conmutador del motor, invirtiendo la rotación del flagelo en respuesta a señales intracelulares.

REGIÓN EXTERNA

GANCHO O CODO

MOTOR DEL FLAGELO

CUERPO BASAL

Interactivo 3.2 Flagelo bacteriano

4 46

¿Quimio… qué?

Cuántas veces hemos estado inmersos en situaciones de la vida

medio. Lo anterior es importante para que las bacterias

en donde, “huir o permanecer” son nuestras únicas opciones.

encuentren su alimento nadando hacia la mayor concentración

Sin duda nuestro razonamiento y sentido critico nos ayudan a

de moléculas de los alimentos, o para huir de las sustancias

decidir; pero ¿qué hacen las bacterias cuando se encuentran en

tóxicas. Por supuesto, que esto sólo ocurre con aquellas

una situación similar a la nuestra? claro, refiriéndonos a la

bacterias móviles que cuentan generalmente con flagelos.

respuesta que tienen los microorganismos a diversas sustancias químicas presentes en su entorno. En el caso de la bacteria el movimiento flagelar, se da en presencia de un gradiente de protones a través de las proteínas Mot en el cuerpo basal. La rotación se da en sentido contrario a las manecillas del reloj. Se conoce como Quimiotaxis bacteriana: “quimio”= químico y “taxis”= movimiento. Al fenómeno por el cual las bacterias dirigen sus movimientos conforme a la presencia de las sustancias químicas que tengan en su medio. Dicho fenómeno es importante ya que sus movimientos son de acuerdo a la presencia de ciertas sustancias químicas que tienen en su Animación 3.2 Desplazamiento bacteriano 47

Las animaciones 3.3 y 3.4 representan de forma esquemática los movimientos de una bacteria que se encuentra en presencia de una sustancia capaz de atraerla, en comparación con el trayecto que sigue cuando se encuentra frente a otra que no es capaz de atraerla, o bien, esencialmente porque esta representa un material que no es nutritivo, o simplemente no lo atrae. Cuando una bacteria móvil se encuentra cerca de un material nutritivo, cuya concentración aumenta en alguna región cercana, lo que hace es nadar hacia aquel de manera irregular; para ello hace girar sus flagelos en un sentido. Cuando los materiales del

Animación 3.4 Movimiento bacteriano sin gradiente químico

medio le son indiferentes, da saltos en direcciones al azar haciendo girar sus flagelos en sentido contrario. Taxis (Taxias) •Aerotaxia. Migración ante un gradiente de O2:   Bacterias anaerobias: aerotaxia negativa   Bacterias microaerófilas: atraídas hacia tensiones de O2 menores que la atmosférica   Bacterias aerobias y facultativas: aerotaxia positiva   •Fototaxia: migración en función de la luz.  •Quimiotaxia: migración ante un gradiente espacial de una sustancia química.

Animación 3.3 Movimiento bacteriano con gradiente químico

Ligas de interés http://www.scielo.org.pe/scielo.php?pid=S1726-46342011000100004&script=sci_arttext

RIVEROS, Maribel et al. Patrones de adherencia de cepas de Escherichia coli Difusamente adherente (DAEC) provenientes de niños con y sin diarrea. Rev. perú. med. exp. salud publica [online]. 2011, vol.28, n.1 [citado 2016-03-28], pp. 21-28 . Disponible en: <http:// www.scielo.org.pe/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1726-46342011000100004&lng=es&nrm=iso>. ISSN 1726-4634.

Olivares D., Gisbert J. P.. Factors involved in the pathogenesis of Helicobacter pylori infection. Rev. esp. enferm. dig. [revista en la Internet]. 2006 Mayo [citado 2016 Mar 29] ; 98(5): 374-386. Disponible en: http://scielo.isciii.es/scielo.php? script=sci_arttext&pid=S1130-01082006000500008&lng=es.

lmeida-González Lourdes, Franco-Paredes Carlos, Pérez Luis Fernando, Santos-Preciado José Ignacio. Enfermedad por meningococo, Neisseria meningitidis: perspectiva epidemiológica, clínica y preventiva. Salud pública Méx [revista en la Internet]. 2004 Oct [citado 2016 Mar 28] ; 46( 5 ): 438-450. Disponible en: http://www.scielo.org.mx/scielo.php? script=sci_arttext&pid=S0036-36342004000500010&lng=es.

Capítulo 4

Estructura bacteriana interna Las células procariotas y eucariotas se encuentran alejadas por una gran distancia evolutiva,incluso se calcula que las bacterias existen en la Tierra aproximadamente desde hace más de 3500 millones de años y que fueron los únicos habitantes por millones de años, antes de la aparición de las primeras eucariotas. Existen diferencias entre ellas que se pueden encontrar entre estos tipos celulares son: tamaño, formas, estructura y condiciones de vida en donde se desarrollan.En este capítulo nos enfocaremos los componentes internos de la estructura, la importancia de la microbiota y como es que algunas bacterias pueden generar daño al ser humano.

Pared celular “Lo que verdaderamente importa es de qué estás hecho en tu interior” Anónimo

Las bacterias pueden dividirse en dos grupos, con la tinción de Gram, grampositivas (se observan de color azul debido al colorante cristal violeta) y gramnegativas (pierden el cristal violeta y conservan la safranina se aprecian de color rojo o rosado). Esto se debe a que las bacterias se tiñen de forma distinta debido a las diferencias constitutivas en la estructura de la pared celular, la cual sirve para dar su tamaño y forma al organismo así como para prevenir la lisis osmótica. La bacteria grampositiva tiene protegida su membrana citoplasmática con una gruesa pared celular, el constituyente principal de la pared es un complejo polímero, compuesto de azúcares y aminoácidos: llamado Mureína o Peptidoglucano. La mureína está constituida por cadenas de azúcares de NImagen 4.1 Hans Christian Gram (1853-1938)

acetilglucosamina más N-acetilmurámico y un tetrapéptido que están entrecruzadas entre sí. 51

Las bacterias grampositivas contienen además otro tipo de polímeros, como los ácidos teicoicos, los cuales se encuentran

Interactivo 4.1 Estructura de la pared celular

constituidos por cadenas de ribitol o glicerol unidas por enlaces fosfodiéster, estos ácidos portan una fuerte carga negativa la cual probablemente sirva para "secuestrar" cationes además de ser muy antigénicos. Las bacterias gramnegativas presentan una estructura diferente a las grampositivas, poseen una membrana

ÁCIDOS TEICOICOS

CARBOHIDRATOS

externa, la que se encuentra fuera de la pared celular de mureina. Dicha membrana es químicamente distinta de las membranas biológicas, además de que es capaz de resistir los productos químicos dañinos. Se encuentra estructurada en forma de bicapa, pero la capa exterior tiene un componente exclusivo además de fosfolípidos: el lipopolisacárido (LPS), molécula que se encuentra constituida por tres partes bioquímicamente diferentes: • Una cadena de azúcares, hasta 40 azúcares de longitud. Las

RECEPTORES Y/O

LÍPIDOS

CANALES

cadenas hidrofílicas de el polisacárido llamado antígeno somático u “O”, que se utiliza para tipificar cepas bacterianas. • Una porción lipídica, el lípido A, que está anclado a los lípidos de la membrana y es tóxica para el humano y animales. 1

4 52

• Y entre las dos anteriores se encuentra el polisacárido central, llamado core. Los bacilos ácido-alcohol resistente (BAAR) como Mycobacterium, tienen una pared compuesta de una capa muy delgada de peptidoglucano, una gran cantidad de lípidos (60%), principalmente ácidos micólicos, responsables en parte de la ácido-alcohol resistencia, así como de la hidrofobicidad y la consistencia "de cera" de estos microorganismos. Los peptidoglucanos les confieren una forma estable e impiden la ósmosis lítica. La técnica que se utiliza para teñir estas bacterias, se denomina de Ziehl-Neelsen y es una mezcla de fucsina básica y fenol, calor y contraste con azul de metileno; al finalizar la técnica, los organismos ácido-alcohol resistentes se aprecian rojos, mientras que el fondo se tiñe de azul.

La membrana citoplásmica

Debajo de la pared celular se encuentra la membrana citoplasmática, la capa más interna, compuesta por proteínas y fosfolípidos (bicapa lipídica). Sus funciones son: la permeabilidad selectiva y transporte de solutos (la mayor parte de las moléculas que la atraviesan no lo hacen de forma pasiva), la fosforilación oxidativa en los organismos aeróbicos, la liberación de enzimas hidrolíticas y el reciclamiento de receptores.

Animación 4.1 Funciones de la membrana bacteriana 54

Nucleoide

A diferencia de los eucariotas, las bacterias no poseen un organelo membranoso que contenga la información genética (DNA), sin embargo, sí se distingue una zona específica, por lo regular en la parte central de la célula, donde se localiza el único cromosoma bacteriano, que se conoce como nucleoide. El material genético bacteriano consta de una doble cadena de DNA, que es circular y está compactada por proteínas similares a las histonas eucariotas, conocidas como H-NS, HU, FIS, IHF, entre otras. Sin embargo, la principal estrategia para disminuir el tamaño del DNA, mientras éste no se expresa, es el superenrollamiento que se realiza con ayuda de la enzima DNA girasa, la cual invierte el sentido de la hélice, minimizando la

Podcast 4.1 Senectud bacteriana El secreto de la vida eterna.

distancia, en cada vuelta, de los ácidos nucleicos. Cuando una bacteria está por dividirse, el DNA bacteriano localizado en el nucleoide se duplica, además de sintetizar las proteínas necesarias para la división celular. Durante

separación de las nuevas células los dos cromosomas se reparten, de tal manera que cada bacteria contenga un solo DNA cromosómico, idéntico entre ellas y entre el de la célula madre.

Microbiota normal

El ser humano está constituido por millones de células, entre ellas miles de especies de bacterias y en menor número arqueobacterias, hongos y protozoarios. La mayoría de estos convive con nosotros sin causar daño, y en algunos casos hasta nos proporcionan un beneficio. Los integrantes de la microbiota normal cambian con el tiempo, aunque la cantidad sigue siendo formidable; este tipo de flora transitoria puede incluir bacterias

TRÁQUEA

potencialmente patógenas para el individuo u otras personas que interactúan con él. Cabe mencionar que la flora transitoria

ESTÓMAGO E INTESTINOS

de la piel puede ser eliminada con el lavado de manos. En otras partes del cuerpo también existen pequeñas cantidades de microorganismos que habitualmente no suelen colonizar, por

APARATO GENITOURINARIO

ejemplo los que habitan en el resto de las vías respiratorias y el tubo digestivo, el útero y la vejiga. Si se encuentran microorganismos patógenos en los sitios mencionados, se

PIEL

supone una posibilidad importante de que existe alguna enfermedad, aunque no es determinante. Por otra parte existen algunos órganos y tejidos que por lo general son estériles; si hay presencia de microorganismos es un signo importante en el ámbito del diagnóstico clínico; estos sitios abarcan tejidos profundos, sangre, líquido sinovial y cefalorraquídeo.

Interactivo 4.2 Partes del cuerpo que se encuentran colonizadas por la microbiota normal en gran cantidad 56

cuerpo la microbiota normal ayuda a mantener limitados a los

Importancia de la microbiota

patógenos, por ejemplo ciertas bacterias comensales producen La microbiota normal representa un importante mecanismo de

antibióticos o proteínas que son letales, llamadas bacteriocinas,

defensa del hospedero que produce efectos directos e indirectos.

e inhiben a otras bacterias. Cuando la microbiota es destruida con antimicrobianos, los microorganismos, tanto endógenos

Efectos directos

Efectos indirectos

Elaboración y consumo de nutrientes esenciales. Producción de bacteriocinas y metabolitos tóxicos.

Estimulación de la producción de anticuerpos y de la fagocitosis. Desconjugación de ácidos biliares.

como exógenos, pueden producir enfermedades, tal es el caso de Clostridium diﬃcile, agente responsable de la colitis seudomembranosa que causa diarrea debido a la toxinas liberadas en el intestino. Lo anterior se presenta después de administrar antibióticos de amplio espectro y por tiempo

La microbiota contribuye al desarrollo de la respuesta

prolongado. Una biomasa tan grande y metabólicamente activa

inmunológica debido a la producción de inmunoglobulinas, por

como la que tenemos en el intestino grueso, desempeña un

ejemplo la IgA, que es secretada a través de las membranas de la

papel importante en el equilibrio nutricional del hospedero. La

mucosas; aunque el papel de dicho anticuerpo no está del todo

digestión de polisacáridos complejos es llevada a cabo por la

comprendido, probablemente es una importante primera línea de

microbiota y diversas bacterias , como E. coli y Bacteroides , las

defensa e interfiere con la colonización de microorganismos

que sintetizan vitamina K y, como consecuencia, se pueden

comensales en algunos tejidos más profundos, ya que por lo

convertir en fuente importantes de esta vitamina, tanto para

general los microorganismos para iniciar la infección deben

humanos como para animales.

primero colonizar los epitelios. Allí, seguramente compiten con los integrantes de la microbiota por factores tales como receptores celulares y nutrientes. En algunos sitios de nuestro

El metabolismo de diversos compuestos involucra su excreción que va desde el hígado hacia el intestino y su regreso. En esta ruta de enterohépatica circulan las sales biliares y hormonas 57

esteroides sexuales. Los compuestos son excretados en la bilis en forma de conjugados ya sea como glucurónidos o sulfatos pero estos no pueden ser reabsorbidos en esta forma, por ende las bacterias intestinales sintetizan glucuronidasas y sulfatasas que provocan la desconjugación de los compuestos. La importancia de este fenómeno es tal, que ha llevado a considerar al intestino como el “segundo higado”. Las bacterias para poder colonizar el cuerpo humano, deben evadir o resistir los mecanismos del hospedero que podrían destruirlas o desalojarlas, no suficiente con ello deben competir contra otras especies microbianas.

¿Cómo nos enferman las bacterias?

Las bacterias poseen mecanismos de

Colonización

patogenicidad específicos que emergen al superar las defensas del hospedero. Un patógeno tiene la capacidad de producir daño, a cualquier nivel, en hospedero que sea susceptible. Debido a la eficiencia de estos mecanismos una bacteria puede ser poco o muy virulenta (virulencia).

Daño

Invasión

Podemos definir a la enfermedad infecciosa bacteriana como el desequilibrio que existe entre los factores de virulencia de una cepa de bacteria y los mecanismos de defensa del hospedero.

Evolución del proceso infeccioso Se denomina infección a la multiplicación en el

Evasión de los

interior del huésped de la bacteria patógena. La

mecanismos de defensa

Diseminación

mayor parte de las infecciones bacterianas se diferencian las siguientes fases:

Interactivo 4.3 Evolución del proceso infeccioso 59

Toxinas

nombre de acuerdo a las bacterias que las produce o a la enfermedad que están asociadas. Por ejemplo la toxina shiga

Endotoxina. La parte lipídica del lipopolisacárido de la pared de

producida por Shigella sp, causa la disentería bacteriana; toxina

las bacterias gramnegativas, específicamente el lípido A, se

colérica producida por Vibrio cholerae, causante del cólera.

denomina endotoxina porque si es liberado provoca efectos tóxicos en el hospedero. Esta endotoxina tiene efectos biológicos que son idénticos en todas las demás: • Fiebre. • Leucopenia o leucocitosis. • Shock endotóxico.,Solo por mencionar algunos. Las exotoxinas son proteínas de elevado peso molecular y que se excretan al medio donde se desarrolla la bacteria. Las que dañan una gran variedad de tipos celulares se conocen citotoxinas,

Características

Exotoxinas

Endotoxinas

Composición

Proteica

Lipídica

Toxicidad

Alta

Media

Mecanismo de acción

Específico para cada tipo

Único

Termoresistencia

Transformación en toxoides

Immunogenicidad

Alta

Escasa

Producción en

Algunas grampositivas y algunas gramnegativas

Todas las gramnegativas

mientras las exotoxinas que dañan un tipo específico de células se designan de acuerdo al tipo de célula u órgano afectado por ejemplo neurotoxina y cardiotoxina. También se les asigna

Lecturas y ligas de interés Un enemigo marino silencioso vibrio parahaemolyticus. http://www.revista.unam.mx/vol.6/num4/art33/abr_art33.pdf Fundamental, la microbiota para prevenir infecciones de bacterias potencialmente patógenas. http://www.dgcs.unam.mx/boletin/ bdboletin/2012_456.html La vida interior .http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/106/la-vida-interior. Gamiño-Arroyo, Ana Estela; Barrios-Ceballos, Minerva Paola; Cárdenas de la Peña, Lydia Patricia; Anaya-Velázquez, Fernando; PadillaVaca, Felipe Flora Normal, Probióticos y Salud Humana Acta Universitaria, vol. 15, núm. 3, septiembre-diciembre, 2005, pp. 34-40 Universidad de Guanajuato Guanajuato, México. El microbioma humano. http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/167/el-microbioma-humano

Capítulo 5

Clasificación bacteriana Rodeados de incontables formas de vida, la humanidad ha intentado proponer categorías que las ordenen para poder estudiarlas, utilizarlas o simplemente disfrutarlas. El primer intento de clasificación del que se tiene registro fue obra de Aristóteles, quien propuso dos grandes grupos: el reino vegetal y el reino animal, divididos a su vez en categorías internas de acuerdo a características diferenciales, por ejemplo, la presencia de sangre en el caso de los animales.. Aunque poco práctico, este trabajo marcó una pauta para ordenar el mundo natural.

Taxonomía bacteriana: el manual Bergey

En los trabajos Systema naturae (1735) y Species plantarum

en medios de cultivo, las características físicas, etc. Todo esto

(1753) de Carlo von Linné, éste propuso agrupar la diversidad

para facilitar el estudio y convivencia con los seres más diversos

natural en animales, plantas y minerales, así como la asignación

y numerosos en este planeta.

a cada especie de un nombre compuesto por dos palabras: una que representa al género, y que agrupa a especies altamente emparentadas; así como una segunda palabra conocida como epiteto específico, que le concede distinción. En conjunto esta etiqueta confiere identificación exclusiva y distintiva a cada especie. Con dicho sistema, Linné buscaba describir el orden natural de la vida.

Las primeras clasificaciones para agrupar a las bacterias se basaban en su morfología. Al conocerlas sólo a través de microscopios rudimentarios, los caracteres físicos eran lo único con lo que los científicos contaban para intentar encontrar el orden natural de este grupo. En la actualidad, la taxonomía busca clasificar a las especies con base en su parentesco evolutivo. Las categorías taxonómicas nos ayudan a agruparlas:

Este sistema binomial de clasificación sigue siendo utilizado hoy

los géneros representan las especies más relacionadas, las

en día, busca describir la historia evolutiva de cada especie con

familias hacen lo propio con los géneros con un mayor grado de

ayuda de herramientas moleculares, integrando a cada grupo en

parentesco, etc.

diferentes categorías taxonómicas superiores, como familia, orden, clase, phylum, reino y dominio.

La mejor referencia en cuanto a la clasificación bacteriana, es el Bergey's Manual of Sistematic Bacteriology, conocido como el

Las bacterias no son la excepción y se ha refinado su

Manual Bergey. Publicado por primera vez en 1923, por David

clasificación taxonómica acorde a su diversificación evolutiva,

Hendricks Bergey, a quien debe su nombre. Las actualizaciones

sin embargo existen diferentes clasificaciones que las agrupan

de la nomenclatura han sido publicadas desde entonces,

de acuerdo con otros criterios como su patogenicidad, su

modificando la clasificación con base en la información que se

respuesta a los fármacos o métodos de tinción, el crecimiento

genera sobre las bacterias. En la actualidad, los criterios de 63

clasificación son los análisis filogenéticos basados en las

Según la iniciativa Global Biodiversity Information Facility,

secuencias de DNA, RNA y algunas proteínas.

conocemos más de 10,200 especies de bacterias, agrupadas en

Se reconocen 21 phylums que forman al Reino de las bacterias:

Imagen 5.1 Phylum bacterianos

2,753 géneros.

Clasificación bacteriana de acuerdo a su forma

Las bacterias pueden adoptar, principalmente tres formas

c a r e c e n d e u n a f o r m a c l a r a m e n t e d e fin i d a . L o s

básicas:

estreptobacilos,se tratan de bacilos entrelazados entre sí, por lo

Esféricas. Una particularidad que tienen estos microorganismos es que pueden vivir de manera aislada o bien, entrelazarse y vivir en forma de cadenas o racimos. A los cocos ligeramente

que conforman una especie de cadena. Por último, los diplobacilos son aquellos bacilos que se encuentran unidos entre sí en sus extremos.

alargados, en parejas, se les conoce como diplococos. Mientras que los cocos que se disponen en forma de cadena suelen ser llamados estreptococos y los que adquieren forma de racimo, estafilococos. Espirales:de este tipo hay dos clases ,unas que son más o menos rígidas conocidos como espirilos y otros que son más flexibles, llamadas espiroquetas, las cuales se asemejan a un tornillo o un sacacorcho. Bacilos: bacterias como estas adquieren forma de bastón y suelen ser las causantes de intoxicaciones o fiebre tifoidea. Incluso, algunas variantes más peligrosas originan ántrax, gangrena y tétanos. De acuerdo a cómo se encuentren dispuestos, los bacilos pueden ser llamados de distintas maneras. Por ejemplo, los cocobacilos son bacterias que Imagen 5.2 Formas bacterianas 65

Clasificación de acuerdo a sus requerimientos de oxígeno El oxígeno, como componente universal de las células, es un

Facultativos, emplean alternativamente oxígeno molecular u otros

sustento proporcionado en grandes cantidades por el agua; sin

compuestos inorgánicos u orgánicos como aceptores finales de

embargo, la mayoría de las bacterias requieren además oxígeno

electrones por lo que crecen indistintamente en condiciones

molecular. Con base en esta necesidad o tolerancia de esta

aerobias o anaerobias.

molécula, sabemos que las bacterias se clasifican en cinco grupos:

Anaerobios estrictos, no requieren

Aerobios estrictos u obligados,

presencia de éste inhibe su

bacterias que crecen de manera

desarrollo o incluso provoca su

obligada en condiciones óxicas o

muerte. Por ejemplo las bacterias

de O2 para su desarrollo y la

aeróbicas con presencia de tensiones normales de oxígeno

(21%), el que utilizan como aceptor

electrones y lo reducen a metano.

necesidades energéticas. Microaerofílicos, son bacterias

bacterias metanogénicas que utilizan el CO2 como aceptor de

final de electrones para cubrir sus

reductoras de sulfatos y de las

Aerotolerantes, son organismos

B D

anaerobios que pueden crecer en

que crecen en tensiones de O2

presencia o en ausencia de

menores a las del aire o

oxígeno, toleran el O2 y crecen en

condiciones microóxicas (2-10%)

su presencia aunque no puedan utilizarlo. 1

Interactivo 5.1 Requerimientos de oxígeno

5 66

Bacterias de acuerdo al pH

Los ácidos y las bases tienen una característica que permite medirlos,

la concentración de los iones de hidrógeno. Los

ácidos fuertes tienen altas concentraciones de éstos y los ácidos débiles tienen concentraciones bajas. Por ende el pH es una medida de la acidez o de la alcalinidad de una sustancia, que expresa la concentración de iones de hidrógeno. Cada especie bacteriana crece en un rango determinado de pH.

Alcalófilos Los microorganismos alcalófilos tienen un crecimiento óptimo en valores de pH entre 9 y 12. Estos microorganismos crecen en lagos, suelos alcalinos que sean ricos en carbonatos y otros entornos de pH alto. Neutrófilos

según el pH óptimo de los microorganismos pueden clasificarse

Los valores de pH neutro, entre 6 y 8, son más comunes en la

en:

naturaleza. A lo largo de su evolución, la mayoría de los

Acidófilos

microorganismos se han adaptado para tener crecimientos óptimos en entornos de acidez neutra. Estos microorganismos

Los microorganismos que tienen un crecimiento óptimo en

se denominan neutrófilos e incluyen a la mayoría de especies de

niveles de pH inferiores a 5 se llaman acidófilos. Muchos hongos

microalgas y otros organismos que forman el fitoplancton, así

y bacterias crecen mejor a pH. Estas bacterias se encuentran en

como algunas bacterias y levaduras que viven en el suelo.

varios entornos, incluyendo los géiseres y las piscinas sulfúricas, así como en el estómago humano. Ejemplos de estos microorganismos son Acidithiobacillus y algunas Archaea como Sulfolobus, y Ferroplasma solo por mencionar algunas.

El pH intracelular es ligeramente superior al del medio exterior (relativamente cercano al neutro) esto se debe a que en la mayoría de los

casos, la obtención de energía metabólica

depende de la existencia de una diferencia en la concentración de protones en ambos lados de la

membrana citoplásmica.

Además de prevenir la destrucción de las macromoléculas. 67

Las bacterias en cuanto a la temperatura

La temperatura es uno de los parámetros ambientales más importantes que condiciona el crecimiento y la supervivencia de las bacterias. La temperatura afecta la velocidad de crecimiento de los microorganismos. Cada especie bacteriana (suponiendo que el resto de condiciones ambientales se mantienen constantes), muestra una curva característica de tasa de crecimiento que está en función de la temperatura, donde podemos distinguir tres puntos característicos llamados, temperaturas cardinales: Temperatura mínima: por debajo de ella no hay crecimiento; Temperatura máxima: por encima de ella tampoco existe crecimiento; Temperatura óptima: permite la máxima tasa de crecimiento

Imagen 5.3 Tasa de crecimiento 68

La temperatura mínima se puede explicar en función de: •Un descenso de la fluidez de la membrana, de tal forma que se detienen los procesos de transporte de nutrientes y el gradiente de protones; •Existe un aumento de la viscosidad del citoplasma; •Se debilitan los enlaces hidrófobos de las proteínas (debido a cambios físicos en la estructura del agua de solvatación), lo cual provoca la inactivación de enzimas y de la actividad funcional de los ribosomas. Por encima de la temperatura mínima la tasa de crecimiento va aumentando proporcionalmente hasta alcanzar la temperatura óptima, debido a que las reacciones metabólicas catalizadas por enzimas se van aproximando a su óptimo. En dicha temperatura óptima las enzimas y reacciones se dan a su máxima tasa posible. Aumentar la temperatura más allá de la óptima, produce un descenso acusado de la tasa de crecimiento hasta alcanzar la temperatura máxima. Lo anterior se ve reflejado en la desnaturalización e inactivación de proteínas enzimáticas esenciales, acompañado del colapso de la membrana citoplásmica, hasta llegar finalmente a la lisis de la bacteria. Cada especie bacteriana tiene diferentes temperaturas cardinales, de tal forma que una bacteria puede presentar una temperatura óptima superior distinta a la de otra especie.

Según el rango de temperaturas en el que pueden crecer las

celular aumenta la proporción de ácidos grasos insaturados, por

distintas bacterias, se establecen tres tipos principales:

eso se piensa que la membrana sigue en estado semifluido, lo

a) Las psicrófilas o criófilas: se caracterizan por crecer en el intervalo de temperatura -5 a 5ºC. Dentro de las psicrófilas se encuentran las obligadas y las facultativas. Las obligadas tienen temperatura óptima entre 15-18ºC, ejemplo de estos microorganismos es, Flavobacterium psychrophilum agente causal de la “enfermedad de agua fría”.

que evita su congelación. b) Los mesófilos presentan temperaturas óptimas a los 25-40ºC y máximas entre 35 y 47ºC. La mayor parte de las eubacterias (incluyendo las patógenas) pertenecen a esta categoría. La mayoría de estos microorganismos viven en ambientes templados y tropicales, incluyendo los simbiontes y parásitos. c) Las únicas formas de vida capaces de vivir por encima de 65ºC son todas procariotas. Los termófilos presentan óptimos a

Las facultativas o también llamadas psicrotrofas crecen a

50-75ºC y máximos entre 80 y 113ºC. Dentro de esta categoría

temperaturas inferiores a 7°C, independientemente de su

es frecuente distinguir las termófilas extremas (hipertermófilas),

temperatura óptima que oscila entre los 20-30ºC y temperaturas

que pueden llegar a presentar óptimos cercanos a los 100ºC, y

m á x i m a s d e 3 5 º C . E l e j e m p l o m á s c l a ro d e e s t o s

que taxonómicamente pertenecen al dominio de las Archaea.

microorganismos son las bacterias y hongos que se reproducen y deterioran los alimentos de nuestro refrigerador.

Los hábitats naturales con temperaturas permanentemente altas (por encima de 45-50ºC) están restringidos a unas pocas zonas

Dentro de las principales adaptaciones que experimentan este

de la biósfera, normalmente relacionadas con fenómenos

tipo de microorganismos tenemos: enzimas termoestables,

volcánicos: fuentes termales volcánicas terrestres.

acompañadas de sistemas de transporte adaptados a bajas temperaturas, además de que los fosfolípidos de la membrana 70

Agua, salinidad y presión osmótica

Las bacterias se encuentran separadas del medio por su

Por otra parte, la salinidad también afecta la estructura terciaria

membrana, que posee la característica de ser semipermeable,

de las proteínas, principalmente de las enzimas, por lo que la

es decir, permite la entrada y salida selectiva de nutrientes y

desnaturalización de estas moléculas finaliza en la muerte de las

moléculas, regularmente en solución, por lo que la bacteria

bacterias.

intenta conservar la concentración de su citoplasma independientemente de la existente en el medio. Sin embargo, esto requiere que la bacteria se enfrente a una limitante física: la presión osmótica.

Sin embargo, existen organismos que soportan o, incluso necesitan, condiciones extremas de salinidad. Las bacterias halotolerantes, pueden soportan pequeñas variaciones del valor de aw. El grupo conocido como bacterias halófilas necesita

La presión osmótica se relaciona con la disponibilidad del agua

concentraciones elevadas de sal en el medio en el que se

en el medio. Se puede medir mediante el parámetro potencial de

desenvuelve, (entre el 1 y el 15%). Por último, los halófilos

agua (aw), determinado por dos valores

extremos crecen en ambientes muy salinos (concentración cerca

aw= Ps/Pw Donde Ps= Presión parcial de vapor de agua en la solución

del 30% de sales). En cualquier caso, las bacterias que no soportan la salinidad mueren deshidratadas.

Pw= presión parcial del agua destilada. El principal factor capaz de modificar este valor es la salinidad, que puede disminuir cuando la salinidad es mucha, generando ambientes hipertónicos o aumentado, con una concentración mínima de sales, dando lugar a ambientes hipotónicos.

Ligas de interés El Proyecto Manual Bergey. http://www.bergeys.org Vida microscópica en mundos salados. http://www.cyd.conacyt.gob.mx/264/articulos/vidas-microscopicas-mundos-salados.html Núñez Daniel Pedro, García Bacallao Lourdes. Bioquímica de la caries dental. Rev haban cienc méd [Internet]. 2010 Jun [citado 2016 Mar 28] ; 9( 2 ): 156-166. Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1729-519X2010000200004&lng=es.

Artículos Bou, G. et al., (2011) Métodos de identificación bacteriana en el laboratorio de Microbiología. Enfermedades Infecciosas y Microbiología Clínica. Vol. 29. Issue 8. pp 601-608 Arenas, N. et al., (2009) Construcción de una filogenia molecular para las especies de los géneros Klebsiella y Raoultella basada en los genes ARNr 16s y ARN polimerasa subunidad. Rev. Cienc. Salud. Bogotá (Colombia) 7 (2): 22-29.

Capítulo 6

Un mundo bacteriano Los humanos han colonizado prácticamente cada rincón en el planeta en los últimos tres mil años. Desde las profundidades marítimas a la cima del Everest; desde los hielos polares a la Sabana africana, sin embargo, un conjunto de seres consiguió la presea a los organismos cosmopolitas por excelencia, miles de millones de años antes de que nosotros siquiera lo intentáramos. Algunos sobreviven a temperaturas mayores a los 200 °C o a presiones inimaginables en el fondo marino. Las bacterias asumen prácticamente todo el crédito al éxito de la vida en la Tierra. Y ésta ha evolucionado en torno a su presencia. Las termitas, por ejemplo, no pueden digerir la celulosa de la madera, son las bacterias en su sistema digestivo las que se encargan. La materia orgánica es puesta nuevamente en circulación en la naturaleza gracias a su papel en la descomposición. Nosotros mismos, tenemos más bacterias distribuidas en la piel y el tracto digestivo que células en la totalidad de nuestro cuerpo. ¡Este es un mundo bacteriano!

Relaciones de las bacterias con otros organismos Según cualquier criterio razonable, las bacterias fueron desde un principio, son hoy y serán por siempre los más exitosos organismos sobre la Tierra” Stephen Jay Gould

Al aparecer organismos multicelulares las bacterias encontraron muchas fuentes de recursos, nuevos hábitats, múltiples estrategias de vida por explotar y aprovecharon, de múltiples formas, esa diversidad de posibilidades. De acuerdo a la interacción principal con otras formas de vida, podemos clasificar a las bacterias como simbiontes, parásitas, mutualistas, comensales y saprófitas, todas ellas esenciales para el aparente equilibrio ecológico que se observa en la naturaleza. En todas las relaciones, se toma en cuenta que el elemento activo es la bacteria, mientras que al organismo receptor de la bacteria se le denomina hospedador, hospedero o huésped. 74

Depredación al estilo bacteriano

secreta enzimas que se encargan de digerir parte de la pared celular que, junto al citoplasma, sirve como fuente de nutrientes

La depredación, es un tipo de relación entre especies que se define como la caza e ingesta total o parcial de una presa por parte de un depredador, para su posterior digestión. Si bien en

para su elongación. En este momento realiza funciones propias de la reproducción, como la síntesis de proteínas, la duplicación de su material genético, etc.

las bacterias no se ha documentado un hecho claro de

Finalmente, Bdellovibrio se divide, produciendo entre 4 y 30

depredación, existen estrategias muy parecidas en este grupo de

nuevos individuos, dependiendo del tipo de hospedador, y lisan

organismos. Un caso especial es el del género Bdellovibrio,

los restos de la bacteria huésped, para iniciar nuevamente el

cuyas especies se nutren y reproducen dentro de otras bacterias,

ciclo.

principalmente Escherichia coli y Spirillum sp.

Otro caso son las bacterias del orden de las Myxobacterias; las

Su ciclo de vida, el cual dura cuatro horas, se divide en dos

cuales producen enzimas para degradar a las bacterias

fases, una de ataque y otra de crecimiento. La primera consiste

contiguas y alimentarse de los componentes solubles. Si bien

en buscar aleatoriamente a un hospedero, desplazándose

estos casos no son depredaciones típicas comparadas con los

rápidamente hasta hacer contacto con otro organismo

animales, no dejan de cumplir el mismo rol en el ambiente,

bacteriano, si éste es compatible perfora la pared bacteriana de

controlar las poblaciones de los organismos que fungen como

su hospedador, e ingresa a la región periplásmica del huésped y

presas.

Simbiosis y mutualismo

nitrógeno (bfn), se desarrollan en nódulos de las raíces de algunas leguminosas, donde ejercen una función fundamental

La simbiosis es la relación en la cual ambos organismos han

brindándoles compuestos nitrogenados que de otro modo la

evolucionado para que la actividad biológica de uno beneficie al

planta no podría obtener, recibiendo a cambio protección y

otro y viceversa. Dicha asociación es estable en el tiempo. En

nutrientes de manera constante. Este es un ejemplo de una

este caso, las bacterias viven asociadas a otro organismo, por lo

relación mutualista.

regular eucariota, principalmente porque estos le brindan regularmente nutrientes o porque ofrecen protección ante agentes físicos, químicos o biológicos. Este tipo de relación es

SIMBIOSIS

MUTUALISMO

muy común entre organismos con dietas especializadas y bacterias en su tracto digestivo. Por ejemplo, los organismos rumiantes, incapaces de digerir la celulosa, cuentan con cámaras de fermentación las cuales

SAPOTROFIA

COMENSALISMO

contienen comunidades bacterianas muy variadas (hasta 10,000, millones por gramo de fluido estomacal) que se encargan de romper dicha molécula y transformarla, en último término, en glucosa. Así mismo, otras bacterias participan en digestión de pectina, hemicelulosa, almidón y algunos lípidos, entre otras

PARASITISMO

moléculas; resultando en la producción de aminoácidos, ácidos grasos y azúcares esenciales para los rumiantes. El mutualismo, por otra parte, es una relación de mutuo beneficio no obligatoria, esto quiere decir que ambos participantes pueden sobrevivir sin estar relacionados. Las comunidades de bacterias fijadoras de

Interactivo 6.1 Relaciones interespecíficas de las bacterias 76

Saprotrofía

Parasitismo

Los organismos saprófitos obtienen nutrientes de materia

Las bacterias parásitas, obtienen nutrientes de su hospedador,

orgánica muerta. Las bacterias, junto a los hongos, son los

afectándolo. Cuando la salud del hospedero se ve comprometida

responsables de la descomposición de la materia orgánica,

por las afecciones del parásito, a este último se le denomina

degradando y/o absorbiendo diferentes compuestos y

patógeno. Cuando las bacterias basan su ciclo de vida en esta

reintegrándolos a los ciclos biogeoquímicos. Así mismo, pueden

relación, el parasitismo se denomina obligado. Un ejemplo de ello

utilizar los restos orgánicos sólo como sustrato una vez que han

es el crecimiento de Mycobacteriym leprae, el cual sólo puede

obtenido los nutrientes correspondientes. Por otra parte, estos

crecer en tejidos específicos (principalmente piel) de organismos

organismos tienen una relevancia de aspecto económico, al ser

eucariotas; dichos hospedadores desarrollan lepra por el

los responsables del deterioro de los alimentos durante su

crecimiento de esta bacteria. En los humanos, enfermedades

almacenamiento y transporte. Medidas como la congelación, la

como el tétanos, el cólera, la sífilis, la tuberculosis o la difteria,

pasteurización, la acidificación, la adición de sal o conservadores,

son causadas por bacterias patógenas.Otras bacterias, por el

están encaminadas a la eliminación de estos organismos.

contrario, son parásitos facultativos, donde adoptan el

Comensalismo

parasitismo si las condiciones son favorables a comparación de la vida autónoma.

En esta relación, las bacterias viven en su huésped sin obtener beneficio alguno, aunque el hospedador pudiera o no presentar alguna consecuencia de la presencia de dichos organismos. Algunas bacterias intestinales, por ejemplo, se nutren a partir de productos de desecho de otras bacterias, sin embargo, secretan vitaminas y antibióticos específicos para limitar el desarrollo de

Podcast 6.1 Un mundo sin bacterias

otros microorganismos que pudieran resultar patógenas para el

¿Amigas o enemigas?

hospedador.

El papel de las bacterias en los ciclos biogeoquímicos Las disponibilidades de elementos químicos en la Tierra, difieren mucho de las cantidades necesarias para el desarrollo de todas las formas de vida. Por ejemplo, elementos como el silicio, muy abundantes en la corteza terrestre, son poco utilizados por los seres vivos, otros como el nitrógeno, juegan un papel fundamental en la composición orgánica y sin embargo, comparativamente, son poco comunes en la Tierra. Es por ello que el correcto reciclamiento de estos nutrientes, y su constante puesta en marcha de nuevo en las cadenas tróficas, es esencial. Seres como los hongos juegan un papel fundamental en este reciclaje natural, sin embargo, son las bacterias las que se encargan de reincorporar la mayor cantidad de nutrientes a las cadenas tróficas participando en un conjunto de ciclos biogeoquímicos.

Dato histórico La fijación del nitrógeno fue indicada por primera vez en Animación 6.1 Composición quimica

1837, en los trabajos de Jean-Baptiste Boussingault. En 1886 se reconoció el origen biológico de la fijación del nitrógeno por los científicos Hellriegel y Wilfarth. 78

Ciclo del nitrógeno

(NH4+), resultado de una reducción. Una porción del nitrógeno es fijado por procesos fisicoquímicos como las tormentas UV o

El nitrógeno es un componente de los ácidos nucleicos y las

descomposición por radiación UV, sin embargo, la mayor parte es

proteínas, dos de los cuatro tipos de biomoléculas. El suministro

resultado de un proceso biológico realizado por bacterias, ya sea

de este elemento a todas las formas de vida, a través de las

asociadas simbióticamente con plantas o como organismos de

redes tróficas, se conoce como ciclo biogeoquímico del

vida libre en el suelo. Aunque son muy diversas, las principales

nitrógeno. Dicho sea de paso, la mayor parte de este proceso

bacterias fijadoras de nitrógeno, o diazótrofos, como también se

está mediada por bacterias. Incluso sin la presencia de plantas y

les conoce, son:

animales en la red trófica, las bacterias pudieran completar un ciclo del nitrógeno. Aunque el proceso no es sucesivo en muchas ocasiones, se puede dividir en las siguientes etapas:

Fijación

VIDA LIBRE

TIPO DE RESPIRACIÓN

BACTERIAS SIMBIÓTICAS

SIMBIONTE

Clostridium spp.

anaerobia

Azospirillum spp.

gramíneas

Trichodesmium spp.

anaerobia

Bradyrhizobium spp.

soya

Rodospirillum spp.

anaerobio fac

Frankia spp.

actinorícas

Azotobacter spp.

aerobio

Rhizobium spp.

leguminosas

En la atmósfera, el nitrógeno constituye más del 75 % de los elementos presentes, sin embargo, el alótropo en el que se encuentra (N2) no puede ser usado directamente para la mayoría de los organismos a causa del triple enlace entre los átomos, por

Asimilación

lo cual la molécula es prácticamente inerte. Para ser utilizado, se

Las plantas absorben el nitrógeno en forma de nitrato,

requiere de un cambio en dicha molécula, lo que resulta en la

transformándolo en amonio (que también pueden absorber

producción de nitrato (NO3-) si es una oxidación, o iones amonio 79

directamente en pequeñas cantidades), que es incorporado a su

Así mismo, bacterias saprófitas, las cuales se alimentan de

estructura e inician así su distribución en la cadena alimenticia.

animales y plantas en descomposición, se encargan de

Por otra parte, algunas bacterias anaerobias facultativas con ayuda de las enzimas glutaminasintasa y glutamatosintasa,

transformar los desechos nitrogenado, y los tejidos corporales, en nitrógeno molecular.

forman glutamina y glutamato, respectivamente, compuesto que pueden utilizar para sintetizar L-alanina y L-aspartato; así como para ser parte de la síntesis de bases nitrogenadas en la

FIJACIÓN

replicación del DNA.

Respiración del nitrato Como parte del proceso de respiración anaeróbica de algunas especies, tales como Alcaligenes faecalis y Paracoccus

ASIMILACIÓN

denitrificans, se utiliza el nitrato como aceptor terminal de

DESNITRIFICACIÓN

electrones, por lo que éste puede ser reducido (dependiendo de la especie) en nitrito, amonio, óxido nitroso o nitrógeno molecular (estos últimos dos casos serían parte de la desnitrificación).

RESPIRACIÓN

Desnitrificación Géneros de bacterias como Bacillus, Hyphomicrobum, Thiobacillus,y Paracoccus, tienen como producto de su respiración el óxido nitroso y nitrógeno molecular.

Interactivo 6.2 Ciclo del nitrógeno 80

Metabolismo bacteriano del nitrógeno La diversidad de organismos que realizan la fijación biológica del nitrógeno (FBN) es bastante amplia, sin embargo, todos utilizan el complejo enzimático nitrogenasa, abreviado como Nasa, como maquinaria para realizar la conversión del nitrógeno atmosférico (N2) a amoníaco (NH3) o amonio (NH4)+, moléculas que los organismos pueden asimilar en forma de glutamina, producto de

la aminación del glutamato. Las reacciones de la FNB se generalizan como: N2 + 8H+ + 8e- + nMgATP → 2NH3 + H2 + nMgADP La Nasa está formada por dos unidades, conocidas como

proteína MoFe, o dinitrogenasa, y la proteína Fe, o reductasa de nitrogenasa. Esta última es muy sensible a la presencia de

oxígeno, por lo que comúnmente es un proceso realizado anaeróbicamente, o dentro de heterocistos, estructuras especiales para aislar dicha enzima de la presencia del oxígeno. 2

El funcionamiento de dicha enzima, inicia cuando la ferredoxina recibe electrones del NADPH, se dirige a la proteína Fe, donde la reduce con ayuda de la hidrólisis de moléculas de ATP, los

electrones son transferidos a la proteína MoFe, lugar donde se lleva a cabo la reducción del nitrógeno molecular.

Interactivo 6.3 Nitrogenasa 81

Ciclo del carbono

es su única fuente), o facultativas, cuando pueden obtener carbono de otros compuestos de mayor complejidad. Dentro de

El carbono, además de ser el cuarto elemento más abundante en

este grupo, el carbono puede ser incorporado principalmente por

el universo, es la base estructural de todas las moléculas

dos vías:

orgánicas que sustentan la vida. Por lo anterior, es el ciclo biogeoquímico que se realiza a mayor escala y de muy diferentes maneras.

Una de ellas, el ciclo inorgánico, se encarga de

disminuir la carga de carbono en la atmósfera, sirviéndose de la

Procesos energizados por radiación (fotoautotrofía)

Procesos energizados por reacciones redox

(quimioautotrofía)

producción de carbonato de calcio por parte de organismos marinos, para su posterior precipitación y contención en rocas sedimentarias, donde el carbono queda fuera de su ciclación

Una ruta paralela del CO2, donde también se involucran las

orgánica miles o incluso millones de años. A pesar de que

bacterias, es en la asimilación del metano.

algunas bacterias presentes en el plancton pueden ser partícipes en este proceso, es el ciclo orgánico donde desarrollan un papel fundamental.

Algunas arqueas, llamadas comúnmente como metanógenas, metabolizan el CO 2 . Los principales géneros son: Methanobacteria, Methanococci, Methanomicrobiota,

A diferencia de otros elementos, el carbono no tiene un papel

Methanopyri y Methanosarcinales, transformando dicho

fundamental en su estado elemental. Para fines prácticos,

compuesto en CH4, compuesto que puede ser utilizado por

consideraremos al CO2 como su forma principal, y a los

un conjunto de bacterias, denominadas metilótrofos, de

organismos que lo asimilan, productores primarios.

géneros como Metylococcus, Methylocella y Methylomonas.

A las bacterias que metabolizan el CO2 como fuente de carbono, se les conoce como autótrofas, pudiendo ser obligadas (donde 82

En ambos casos, la asimilación se realiza a través del ciclo de

Por otra parte, los organismos quimioautotróficos, como

Calvin y, en algunas excepciones, por una modificación del ciclo

Acidiobacillus ferrooxidans, son incapaces de descomponer

de los ácidos tricarboxílicos (TCA), llamado ciclo TCA reductivo.

materia orgánica, cuya presencia, incluso, limita su adecuado

Por otra parte, la fuente de CO2 es la obtención de este gas en la

desarrollo. En cambio, requieren la presencia de compuestos

atmósfera, en su disolución acuosa o su presencia en diversos

inorgánicos cuya oxidación brinde la energía para el proceso de

medios orgánicos.

fijación del carbono. Entre las fuentes energéticas que utilizan se

En cuanto a la fotoautotrofía, que pudiéramos generalizar como fotosíntesis bacteriana, los principales representantes son las cianobacterias, grupo surgido hace más de 2,500 millones de años que se encuentran en sistemas marinos y continentales, semiacuáticos o incluso terrestres. Se caracterizan por usar

encuentran:

Compuestos nitrogenados.

Azufre y derivados.

Hidrógeno.

clorofila como pigmento fotosintético. Otros grupos de bacterias fotosintéticas, las bacterias púrpuras y verdes, utilizan pigmentos de estructuras derivadas de la clorofila, llamadas bacterioclorofilas. Estos organismos no tienen como producto al oxígeno en el proceso, lo que se denomina Fotosíntesis anoxigénica.

Imagen 6.1 Cuadro CO2 83

Una vez que el carbono es parte de la cadena trófica por

Interactivo 6.4 Ciclo del carbono

productores primarios, puede seguir dos rutas.

Ser consumido o entrar en el proceso de descomposición.

Ser expulsado en forma de CO2 como producto de la

respiración. Si los organismos fotosintéticos mueren, sus compuestos estructurales son reducidos por procesos físicos, químicos o biológicos. Por otra parte, si son asimilados por seres herbívoros, carnívoros, etc, esto no es más que un paso intermedio antes de entrar a la descomposición, ya sea en forma de excretas o por una descomposición posterior con la muerte de los consumidores. Es en la descomposición donde las bacterias juegan un rol como organismos saprófitos. La asimilación de moléculas orgánicas como fuente de carbono,

Ciclo del carbono

es conocida como heterotrofía la cual va desde la glucosa a la celulosa. En cuanto a la respiración, el carbono es devuelto a su forma original, el CO2, para dar inicio nuevamente al ciclo.

En el mundo bacteriano, la transformación química de este

Ciclo del hierro

elemento inicia a causa de su fácil reacción con el oxígeno en Siendo el quinto elemento más abundante en el planeta, el hierro

condiciones aeróbicas, el Fe(II) se oxida espontáneamente a

es fundamental en prácticamente todos los seres vivos,

Fe(III) y forma hidróxidos que no son solubles, por lo que la

participando como cofactor en múltiples procesos enzimáticos.

disponibilidad es casi nula. Por el contrario, en ausencia de

En cuanto a las bacterias, por término medio cada individuo

oxígeno, el hierro se encuentra casi en su totalidad como Fe(II),

requiere una concentración de entre 10-6 y 10-8 M,

que tiene gran disponibilidad para ser

lo que significa poco más de 100 iones de hierro

El Fe0 sólo entra en el ciclo

por célula bacteriana durante su desarrollo.

durante la extracción minera,

Este elemento puede contar con dos valencias, la forma férrica (3+) y ferrosa (2+) , esta última más estable. En el ambiente es común encontrarlo combinado con otros iones como cloruro, nitrato, sulfato, bromuro, óxido, hidróxido, etc.; con los

al obtenerse el elemento de la magnetita, para su uso en la industria. Al oxidarse en Fe2+ se reintegra al ciclo químico o biológico.

metabolizado por las bacterias. La transformación biológica inicia gracias a potencial redox de este elemento. Bacterias como Geobacter sp, Pseudomonas sp, Desulfuromonas sp ó Geovibrio sp, usan los ambientes anaerobios para reducir el Fe3+ en Fe2+, utilizándolo como receptor de electrones y oxidando especies

primeros cuatro iones forma las especies

orgánicas como el acetato, el piruvato y alcoholes

químicas más solubles que son así las accesibles

como el etanol, por lo que resulta esencial para la

a los microorganismos

descomposición anaerobia de materia orgánica.

Las transformaciones entre la forma ferrosa, férrica y elemental,

La oxidación del Fe2+ se realiza en tres grupos bacterianos, el

pueden ser mediadas de forma química o biológica, donde varía

primero son bacterias acidófilas obligadas como Acidithiobacillus

dependiendo del grupo de organismos donde se lleva a cabo

ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, en ambientes con un

(hongos, plantas, animales, y por supuesto, bacterias).

pH menor a 5, reduciendo el CO2 para formar moléculas 85

orgánicas con ayuda del ATP. Un segundo grupo lo constituyen bacterias fotosintetizadoras anaerobias, que forman NADH para fijar el carbono. Por último, un grupo reducido de bacterias como Gallionella sp. y Sphaerotilus sp, oxidan el Fe2+ en un pH cercano al neutro, utilizando zonas de transición oxigeno-anóxicas. Interactivo 6.5 Ciclo del hierro

Hierro en bacterias parasitarias Las bacterias que se desarrollan dentro de los vertebrados, dependen de estos para la obtención de todos los nutrientes, sin embargo, el hierro tiene una disponibilidad específica dentro de estos hospederos: se encuentra principalmente en el torrente sanguíneo, alojada en proteínas que almacenan o transportan hierro, como la hemoglobina, la ovotransferrina y la transferrina, entre otras, moléculas de las cuales los patógenos deben extraer este elemento para poder desarrollarse. Ciclo del hierro

Las estrategias de captación de hierro son dos: tomar directamente el hierro de las proteínas antes mencionadas o liberar un conjunto de 86

Bacterias y biotecnología Como se comentó en capítulos pasados, la diversidad

descomposición de la comida. Dichos eventos marcaron el inicio

bacteriana es mayor en muchos aspectos, comparada con los

de la biotecnología bacteriana.

eucariotas: diversidad estructural, específica, de distribución, etc. Sin embargo, un aspecto sobresale ampliamente: la diversidad metabólica procariota les ha servido para adaptarse a todo nicho existente en este planeta. La amplia gama de nutrientes utilizados de estos microorganismos, así como similar número de sustancias producidas, no ha pasado desapercibida por los humanos, y las ha utilizado para múltiples procesos desde el descubrimiento del universo microscópico, en el siglo XVII (incluso mucho antes, como veremos). Y aún más, la revolución de la Biología molecular, iniciada el siglo pasado, nos introdujo en un mundo de posibilidades al transformar a estos

Actualmente, el desarrollo de esta disciplina se enfoca en tres aspectos fundamentales: la alimentación, la sanidad (humana y animal) y el medio ambiente. Sin embargo, la relativa simplicidad de su material genético, así como su rápida reproducción y fácil mantenimiento, han dado pie a la manipulación de estos organismos con ayuda de la biología molecular para la producción de sustancias específicas que ayuden al desarrollo de la humanidad.

Bacteriología en los alimentos

organismos para mejorar nuestra calidad de vida y aminorar el

La industria alimentaria se ha visto enormemente beneficiada por

impacto que ocasionamos en el medio ambiente de múltiples

las bacterias. Las bebidas fermentadas eran ya utilizadas por los

maneras. El avance de la ciencia es nuestro límite.

griegos, sin embargo, la división entre lo macro y lo

Biotecnología bacteriana El uso y aprovechamiento de las bacterias inició hace miles de años, con la manipulación de los alimentos, al controlar los procesos fermentativos, que sin ayuda humana, daban paso a la

microscópico, impidió darle crédito a los microorganismos como protagonistas de la fermentación alcohólica que producía estas bebidas. Un caso similar es el de las bacterias acidolácticas, encargadas de producir alimentos derivados de la leche. No obstante, el conocimiento de estas bacterias, su ciclo de vida,

así como su perfecto manejo y control, ha permitido producir una

El registro de los primeros alimentos derivados de la

industria basada en la actividad microbiana hasta el día de hoy.

fermentación láctica de la leche es, por supuesto, el origen del

Los principales productos alimenticios elaborados con ayuda de

queso, una obra llamada Friso de la Lechería, actualmente en el

bacterias son:

Museo Nacional de Irak, de origen sumerio, data

Productos lácteos

Vino y vinagre

aproximadamente del año 3,000 a. de n.e., donde se relatan las diferentes etapas de la preparación de un queso. Sin embargo, algunos historiadores sitúan las primeras elaboraciones de quesos simultáneamente con la domesticación del ganado, hace

Los productos lácteos, principalmente quesos, yogurt y

aproximadamente 10,000 años.

mantequilla, son fabricados con base en la fermentación láctica, donde se utiliza la lactosa para producir ácido láctico. Las bacterias principales que participan en este proceso están resumidas en la siguiente tabla:

QUESO

YOGURT

MANTEQUILLA

Lactococcus lactis

Lactobacillus bulgaricus

Leuconostoc cremoris

Lactococcus cremoris

Lactococcus thermophilus

Lactococcus cremoris

Lactobacillus acidophilus

Lactococcus lactis

Imagen 6.2 Friso de la Lechería. Museo Nacional de Irak (fragmento). 88

El vino se elabora con ayuda de levaduras, las cuales fermentan

bacterias lácticas presentes en el jugo de la uva y en los

los azúcares para producir etanol en la bebida. Sin embargo, son

recipientes utilizados para la maduración del vino, inician la

un conjunto de bacterias las que participan en la maduración de

llamada fermentación maloláctica, que consiste en la

dicha bebida. Durante la fermentación alcohólica, el número de

metabolización del ácido málico y la producción de L-láctico, de

bacterias presentes es muy reducido a causa de la inhibición por

la misma manera, el ácido cítrico es transformado en diacetilo

el etanol. Así mismo, por lo regular se agrega SO2 para eliminar la

por estos organismos, características deseables en algunos

mayor parte de la población bacteriana. La fermentación termina

vinos. Entre las bacterias encargadas de realizar este proceso se

cuando los nutrientes requeridos por las levaduras no son

encuentran las que pertenecen a los géneros Lactobacillus,

suficientes y mueren, es en este momento cuando las pocas

Pediococcus, y principalmente, Oenococcus.

La obtención de vinagre artesanal se realiza al agregar bacterias del género Acetobacter al vino, la cerveza o la sidra, donde, en

Interactivo 6.6 Transferencia horizontal de genes

presencia de oxígeno, estos microorganismos oxidan el etanol en ácido acético.

Consiguen insulina idéntica a la humana a partir de una bacteria común.  Importante avance en la lucha contra la diabetes Imagen 6.3 Noticia publicada en el diario español “El País” el 09 de septiembre de 1978.

Biotecnología bacteriana dirigida a la salud Otro gran sector beneficiado por la utilización de bacterias es la industria farmaceútica. Estas son utilizados para producir compuestos de utilidad sanitaria, como fármacos, proteínas

Aunque existen varios mecanismos de transferencia horizontal de genes (THG), la biotecnología hace uso principalmente de la transducción. Esta consiste en la inserción de los genes deseados usando como medio a los virus.

humanas y elementos estructurales víricos para la producción de vacunas. 90

Algunas características bacterianas como su rápida reproducción

crónico, caracterizada en uno de sus tipos, por la deficiencia

y alta capacidad de producción proteínica, han favorecido su

parcial o total de dicha hormona, lo que hace necesaria su

uso, pero ha resultado fundamental la fácil adquisición de

administración por vía subcutánea o intravenosa.

material genético externo por parte de estos organismos.

Hasta los años 80, la hormona utilizada para el tratamiento era

De forma natural, las bacterias han desarrollado múltiples

extraída de páncreas bovino o porcino, sin embargo, el

estrategias para la obtención de material genético que les ayude

tratamiento provocaba el rechazo inmunológico por parte de

a enfrentar las presiones del medio ambiente donde se

algunos pacientes. Fue entonces que se utilizó la Escherichia coli

desarrollan: resistencia a ciertos antibióticos, producción de

como organismo clave en la obtención de esta hormona,

proteínas específicas contra toxinas, etc. Este mecanismo se

insertando en su DNA el gen humano encargado de la

conoce como transferencia horizontal de genes.

producción de insulina. Este mismo procedimiento es utilizado

La producción de moléculas de interés humano inició con el uso de la recombinación genética, para insertar genes encargados de

para obtener interferón, la hormona del crecimiento, entre muchas otras.

producir dichas moléculas en el genoma bacteriano, así como la

La tecnología bacteriana descrita, optimiza la producción de la

manipulación genética para eliminar o controlar los productos

hormona pues permite mayor rapidez y cantidad de la misma, lo

metabólicos no deseados. De esta manera, las bacterias son

que REDUCE sus costos y además, el producto obtenido

cultivadas industrialmente para su aislamiento posterior y

presenta una compatibilidad total en el cuerpo humano con lo

purificación de la proteína deseada.

que se evita el rechazo inmunológico.

Un ejemplo de lo anterior es el caso de la insulina, hormona que

La generación de vacunas también se ha visto beneficiada de la

se encarga de controlar el metabolismo de la glucosa en el

biotecnología bacteriana. Utilizando el mismo principio de la

cuerpo. La diabetes mellitus es una enfermedad de carácter

recombinación genética, aunque la diferencia radica en que los 91

genes insertados en las bacterias producen antígenos de

insertando dicho material genético en bacterias, las que

superficie de algunos virus, los cuales son purificados y utilizados

actualmente producen el veneno. Después obtuvo los genes

como inmunógenos. La vacuna contra la hepatitis B fue

responsables del veneno de arañas como la violinista. Estos

producida de manera recombinante, por citar un ejemplo.

procedimientos permitieron reducir los costos a menos de

Otro tipo de vacunas son producidas con organismos vivos, con virus o bacterias a las que se les eliminan los genes responsables de su virulencia y la patogenicidad, por lo que el cuerpo genera

doscientos dólares el gramo y multiplicar la producción varias decenas de veces.

Biotecnología microbiana y medio ambiente

anticuerpos específicos ante estas especies y queda protegido ante infecciones reales. Un caso donde la biotecnología bacteriana impactó significativamente a la industria farmacéutica fue en la producción de sueros antiveneno. El procedimiento consistía en extraer el veneno directamente de las serpientes o arañas, con un costo de hasta 7,000 dólares por gramo, en el caso de la coralillo, y el uso de hasta diez mil organismos, en el caso de la araña violinista, para obtener, durante un año, antiveneno de un solo caballo (animal que se inocula gradualmente con el veneno, para

Como ya vimos brevemente, la cantidad de desechos en la naturaleza es bastante grande, sin embargo, el reciclamiento de nutrientes evita las acumulaciones perjudiciales en los ecosistemas. Dicho de otra manera, se recicla prácticamente toda la materia utilizada por los seres vivos, gracias a los ciclos biogeoquímicos. En contraparte, los humanos utilizamos recursos de una manera desproporcionada, rápida y a gran escala, muy superior a la velocidad con la que esta se degrada y se reintegra a los ciclos biogeoquímicos.

que genere los anticuerpos requeridos). El investigador mexicano,

Aunque existen procesos físico químicos para separar

Alejandro Alagón, obtuvo ARN de las glándulas salivales de

contaminantes de recursos hídricos, edáficos y atmosféricos,

diferentes serpientes, transformándolo posteriormente en ADN e

muchos son altamente costosos, algunos tienen una eficiencia 92

menor a la requerida, y otros son inviables en varios contextos. Como alternativa de solución surge, en las últimas dos décadas del siglo XX, la biorremediación, que está basada en el uso de los microorganismos y se encuentra actualmente en desarrollo. Dentro de la gama del metabolismo bacteriano, se han descrito organismos capaces de nutrirse a partir de hidrocarburos, detergentes o compuestos tóxicos como algunos bifenilos policlorados. Bacterias como Lysinibacillus sphaericus, son capaces de biodegradar el petróleo. Otro ejemplo es Methylocella silvestris, con capacidad de reducir el metano y el propano. A diferencia de los procesos físicoquímicos que sólo separan el contaminante, la biorremediación degrada los compuestos indeseados, lo que se traduce en una ventaja a largo plazo; sin embargo son más lentos, por lo que muchos de los procedimientos bacterianos siguen en investigación para mejorarlos y aprovechar de mejor manera su efectividad. La aplicación de la biotecnología, y en particular aquella donde se utilizan microorganismos, representa un amplio y prometedor campo de investigación, que desemboca en un desarrollo vertiginoso. Cada día se produce nuevo conocimiento y tecnología que mejora la salud y la calidad de vida humana, así como nuestra estancia y convivencia con los demás organismos en este planeta.

Ligas de interés Laboratorio de Genómica ambiental. Instituto de Ecología, UNAM. http://web.ecologia.unam.mx/laboratorios/genomica

Lecturas recomendadas Francisco Castillo. Biotecnología ambiental. Editorial Tebar, 2005. Antonio Benítez. Avances recientes en biotecnología vegetal e ingeniería genética de plantas. Editorial REverté, 2005

Artículos J. Rondon et al. (2008) Aislamiento, Identificación y caracterización de las propiedades probióticas de cepas de Lactobacillus sp. procedentes de tracto gastrointestinal de pollos de Cebaa. Riencia y Biotecnología Alimentaria. Vol. 6, Issue 1. EÓN, Jorge et al. PRODUCCIÓN DE ENZIMAS EXTRACELLARES POR BACTERIAS AISLADAS DE INVERTEBRADOS MARINOS. Revista Peruana de Biología, [S.l.], v. 7, n. 2, p. 202 - 210, jun. 2014. ISSN 1727-9933. Disponible en: http://revistasinvestigacion.unmsm.edu.pe/ index.php/rpb/article/view/6828

Capítulo 7

Terapéutica antimicrobiana

"...Nos equivocamos, debemos reconocerlo y disculparnos. Los médicos tuvimos en las manos el maravilloso don de los antimicrobianos, pero lo estamos destruyendo a través de su uso inadecuado..." Norman Simmons

Un vistazo a la historia de los antimicrobianos Considerando la etimología, antibiótico (del griego αντί - anti, "en contra" + βιοτικός - biotikos, "relacionado a la vida") puede traducirse “contra la vida”. Es una sustancia química que es producida por un ser vivo (hongos y bacterias) o que se puede obtener de manera sintética (síntesis química), con el objetivo de matar o impedir el crecimiento de microorganismos. El término antibiótico generalmente se aplica a los fármacos usados para tratar infecciones causadas por bacterias, de ahí que se les conozca como antibacterianos. Se sabe que el ser humano ha utilizado desde la antigüedad compuestos orgánicos para tratar enfermedades infecciosas, como los extractos de plantas y alguno que otro hongo presente en los quesos.

1864

1884

1892

1900

1909

1 of 21

Interactivo 7.1 Línea del tiempo

Fue en el siglo XIX, cuando el prestigioso Químico francés Louis Pasteur, descubrió en uno de sus experimentos que algunas bacterias saprofitas tenían la capacidad de destruir la bacteria del ántrax. En 1900, el bacteriólogo alemán Rudolf von Emmerich aisló una sustancia que mataba a los microbios causantes del cólera y la difteria en un tubo de ensayo, desafortunadamente no pudo aplicarlo como tratamiento de las enfermedades, por la inestabilidad de la misma. Podemos decir que la historia de los antibióticos inició como tal en 1928, con el descubrimiento de la penicilina, por el científico británico Alexander Fleming. Pero no hay que olvidar que a este suceso, le antecede el sueño de Paul Ehrlich a comienzos del siglo XX, con el compuesto de salvarsán que se utilizó para el tratamiento de la sífilis (1909), lo que coloquialmente él buscaba era la “bala mágica”, es decir, su objetivo era encontrar compuestos que sólo actuarán sobre el agente causante de la enfermedad sin dañar al huésped.

Podcast 7.1 Biografía de Alexander Fleming El padre de la penicilina 97

Clasificación de los antibióticos

Los antibióticos pueden clasificarse según su:

Espectro

• Efecto • Espectro • Mecanismo de acción

Efecto Agentes bactericidas, cuando se produce la muerte de la bacteria. El efecto bactericida consiste en producir la muerte del microorganismo sensible. Los antimicrobianos bacterianos actúan en la fase de crecimiento logarítmico bacteriano. Los antimicrobianos bactericidas deben administrarse siempre en infecciones graves, cuando se necesita la muerte rápida de los microorganismos para controlar la infección, y cuando no se cuenta con un sistema inmune adecuado para detener el proceso infeccioso.

Imagen 7.1 Espectro de acción de varios antimicrobianos

Agentes bacteriostáticos, cuando sólo se inhibe el desarrollo y/o reproducción de la bacteria.

Mecanismo de acción De acuerdo al mecanismo de acción que DNA GIRASA

presentan los antibióticos, se clasifican en los siguientes grupos (Ver interactivo 7.2)

NUCLEÓTIDOS

RNA POLIMERASA RIBOSOMA

PARED CELULAR

Interactivo 7.2 Sitios de acción de los antibióticos 99

Antibióticos que inhiben la síntesis de la pared celular Actúan a distintos niveles de la biosíntesis del peptidoglucano (ver Capítulo 4, Estructura interna), por lo que el daño se produce

por la pérdida de la rigidez de la bacteria que puede causarle la muerte; por ende son considerados como agentes bactericidas.

Antibióticos que dañan la membrana citoplásmica Existen agentes catiónicos y aniónicos que pueden causar la desorganización de la membrana. Entre los antibióticos que actúan a este nivel, están la polimixina B y la polimixina E (colistina), estos son inhibidores de bacterias gramnegativas debido a que tienen lípidos de carga negativa en su superficie. Su mecanismo de acción consiste en desorganizar la permeabilidad de la membrana ocasionando la salida de cationes de la célula bacteriana. Por tal motivo ha vuelto a “resurgir” y se usan en el tratamiento de Infecciones Asociadas a la Atención de la Salud (IAAS), causadas por bacilos gram negativos multidrogoresistente.

Antibióticos que inhiben la síntesis de ácidos nucleicos Diversos antibióticos pueden interferir a diferentes niveles en la Animación 7.1 Pared celular

síntesis de los ácidos nucleicos. Pueden inhibir la síntesis de 100

nucleótidos o causar una interconversión de nucleótidos, así

interconversión de nucleótidos o que actúan como análogos de

mismo pueden interferir con polimerasas involucradas en la

los mismos y se incorporan a la cadena de polinucleótidos.

replicación y transcripción del ADN. Existen antibióticos que interfieren con la síntesis de purinas y pirimidinas dando lugar a la

La rifampicina, un antibiótico, inhibe la actividad de la RNA polimerasa, el cual se une en forma no covalente pero muy firme a dicha enzima. Este antimicrobiano se une a subunidades de la RNA polimerasa e interfiere específicamente con la iniciación del proceso pero cabe resaltar que no tiene efecto después de que la polimerización se ha iniciado. La inhibición de la replicación del DNA puede provocarse por antimicrobianos que anulan la actividad de la DNA girasa, involucrada en el rompimiento y reunión de tiras de DNA. La girasa está constituida por dos componentes, A y B. El ácido nalidíxico, una quinolona(ciprofloxacino, levofloxacino), se une al componente A de la DNA girasa e inhibe su acción. La subunidad B de la DNA girasa puede ser inhibida por agentes como la rifampicina.

Antibióticos que inhiben la función ribosomal Los ribosomas de las bacterias (70s) se encuentran constituidos Imagen 7.2 DNA girasa, sitio de acción del ácido nalidíxico

por dos subunidades 30s y 50s respectivamente. Estas 101

subunidades constituyen el sitio de acción de agentes

similar,que tienen tres hexosas unidas, estos antibióticos se

antimicrobianos, porque cuentan con proteínas específicas a las

obtienen de varias especies de Streptomyces e interfieren con la

cuales se unen los fármacos. Los aminoglucósidos

función ribosomal bacteriana, específicamente con la subunidad

(estreptomicina, neomicina, kanamicina, amikacina, tobramicina,

30S. Las tetraciclinas actúan también en la subunidad ribosomal

gentamicina), son polisacáridos complejos de estructura

30S ,establecen interacciones reversibles con dicha subunidad, inhibiendo la unión del aminoacil RNAt al ribosoma, por ende ejerce sólo un efecto bacteriostático. Existen tres clases importantes de antibióticos actúan en la subunidad ribosomal 50S: cloramfenicol, macrólidos y lincosamida( clindamicina). El cloramfenicol es un agente bacteriostático que actúa contra organismos grampositivos y gramnegativos inhibiendo la formación de uniones peptídicas mediante el bloqueo de la enzima peptidil transferasa. Los macrólidos (eritromicina,), son compuestos con grandes anillos de lactona y cuando se unen a la subunidad 50S interfieren con la actividad de la peptidil transferasa, con la translocación o con ambas funciones. El más importante es la eritromicina inhibe el alargamiento de la cadena del péptido y actúa como bacteriostático. Antibióticos del grupo antimetabolitos El trimetoprim como las sulfonamidas interfieren en el

Animación 7.2 Animación ADN

metabolismo de los folatos,esto se debe al bloqueo competitivo en la biosíntesis de los tetrahidrofolatos, los cuales son

102

precursores del ácido fólico. Las sulfonamidas son análogos estructurales del ácido para-amino-benzoico (PABA),por lo que bloquean competitivamente la conversión de pteridina y en ácido dihidrofólico. El trimetoprim es una diaminopirimidina, tiene una gran afinidad para la enzima dihidrofolato reductasa y al unirse a ella inhibe la síntesis de tetrahidrofolatos, necesarios para la síntesis de DNA, RNA y proteínas de la pared celular bacteriana. la actividad del trimetropin junto con las sulfonamidas se ve alterada por la tiamina exógena.

Antibióticos inhibidores de betalactamasas

Imagen 7.3 PABA y SFA en la síntesis de ácido fólico Las estructuras químicas de ácido para-aminobenzoico (PABA) y sulfanilamida (SFA) son muy similares. El ácido fólico se compone de tres componentes: pteridina (P) PABA, y ácido glutámico (G). En la síntesis normal de ácido fólico, una enzima bacteriana se une a los tres componentes para formar el ácido fólico. Sin embargo, en la inhibición competitiva, SFA compite por el sitio activo debido a su gran abundancia. La SFA asume la posición normalmente reservada para el PABA, y no puede formar ácido fólico.

103

Las BLEE´s o betalactamasas de espectro extendido, son enzimas producidas por algunas especies bacterianas:bacilos gram negativos. Las cuales confieren resistencia a un gran número de antibióticos principalmente aquellos que en su estructura química presentan el anillo betalactámico (como penicilinas y cefalosporinas), ya que estas enzimas rompen ese anillo y bloquean así, la actividad antimicrobiana de tales compuestos. Los antibióticos inhibidores se unen en forma irreversible a la BLEE ,formando un complejo acil-enzima, El primer paso de la reacción entre la enzima y el inhibidor es el posicionamiento de la molécula del mismo en el centro activo de la betalactamasa. De esta manera, protegen al antibiótico acompañante permitiendo que ejerza su actividad. Ejemplo de los inhibidores de betalactamasas son: el ácido

clavulánico, tazobactam y

sulbactam.

104

Aspectos a considerar en la prescripción de un antibiótico

Para decidir un tratamiento antimicrobiano debe tenerse la

La edad del paciente puede modificar los parámetros

confirmación, o por lo menos una alta sospecha, de que la

farmacocinéticos de los antibióticos.

enfermedad es de causa bacteriana. Antes de iniciarlo es necesario obtener muestras de todos los materiales que se consideren necesarios para confirmar la etiología.

En los extremos de la vida (bebes y ancianos) se observa la diferencia de este factor: En el recién nacido puede producir efectos tóxicos, porque la función renal glomerular no está

Con base en la sospecha etiológica y mientra se esperan los

plenamente desarrollada, y su sistema enzimático no es aún

resultados de los estudios microbiológicos, habitualmente se

capaz de inactivar debido a la inmadurez que presenta además

recomienda empezar un tratamiento empírico, ya que muchas

el estado funcional del hígado y el riñón, pueden modificar la

veces la gravedad de la patología o el estado del enfermo no

concentración de los antibacterianos en la sangre y provocar

permiten la espera del resultado. Además se sabe que el

efectos tóxicos por falta de eliminación o de metabolismo

pronóstico de las enfermedades infecciosas mejora con el inicio precoz del tratamiento. Pero no siempre es posible aislar el agente causal, y a veces resulta difícil interpretar los resultados de los estudios. El organismo humano tiene una flora normal o la zona puede estar colonizada por otros gérmenes, por lo que el microorganismo

Otro factor a considerar es la localización del proceso infeccioso debido a que: a) orienta acerca del posible agente etiológico, lo cual nos permitirá conocer características que marcan la diferencia: clasificación de acuerdo a la tinción de gram, su morfología, etc.

observado en la lámina o aislado en el cultivo, puede no ser el

b) permite seleccionar un antimicrobiano que en relación a sus

patógeno responsable.

parámetros farmacocinéticos y farmacodinámicos pueda alcanzar una concentración adecuada sobre el sitio de infección.

105

La presencia de una enfermedad subyacente puede orientar en

antibióticos tienen buena difusión y alcanzan concentraciones

cuanto al agente etiológico de la infección y por ende en la

suficientes para curar las infecciones en casi todos los sitios del

selección del antimicrobiano inicial de forma empírica.

cuerpo, suelen difundir mal al LCR, próstata y humor acuoso. Los

La eficacia, toxicidad y costo son consideraciones básicas en la elección de la droga. El antibiótico ideal es el que resulta más

antibióticos que se excretan por el hígado y se concentran en la bilis son los de elección para las infecciones de esta localización.

eficaz, menos tóxico, retarda el surgimiento de cepas resistentes, es de menor costo y de más fácil administración. Los antibióticos administrados en forma racional suelen ser benéficos pero pueden causar daño, efectos colaterales o tóxicos, que aumentan cuando su empleo es inadecuado o abusivo. La decisión de emprender un plan terapéutico con antibióticos, la elección del medicamento, su dosis, vía y la duración del

tratamiento, deben surgir de un balance entre los beneficios que se desean obtener en el enfermo y los potenciales riesgos de su administración.

La eficacia es la primera característica a considerar en la selección del agente antimicrobiano. Para lograr este fin la droga debe llegar al sitio de infección donde tiene que ser activa. Por eso hay que conocer la farmacodinamia y la farmacocinética de las drogas, la dosis necesaria, las vías de administración y la duración de los tratamientos. El pH modifica la absorción y la eficacia de los antimicrobianos. Aunque la mayoría de los

Interactivo 7.3 Factores a considerar para seleccionar un antibiótico 106

Resistencia bacteriana

Podemos definir la resistencia bacteriana como la capacidad de

el surgimiento y la diseminación de los mecanismos de

un microorganismo para crecer en presencia de un

resistencia entre diversas poblaciones bacterianas. Desde el

antimicrobiano a dosis terapéuticas. Desde el descubrimiento

principio de la era antibiótica se han descrito los fenómenos de

de la penicilina por Alexander Fleming hasta la actualidad, el

resistencia y actualmente se han identificado las cepas

desarrollo de la antibioterapia ha permitido combatir las

resistentes, tal es el caso de la aparición de Staphylococcus

enfermedades infecciosas que han azotado a la humanidad

aureus resistente a la meticilina por su capacidad de degradar a

durante siglos. Sin embargo, el uso de antibióticos ha

este antibiótico. Se pensaba que el descubrimiento o el diseño

traspasado fronteras, ya que tienen aplicaciones tanto en el

de nuevos antibióticos podría resolver el problema, a partir de

campo de la medicina humana como en veterinaria y agricultura,

esto aparecen medicamentos tales como los macrólidos,

por ende ha traído nuevas dificultades en la lucha contra las

glicopéptidos, aminoglucósidos entre otros, con los que se

infecciones: el problema de las resistencias bacterianas.

observa una respuesta favorable contra las enfermedades

Después de su introducción como drogas hace unos sesenta años, lo agentes antimicrobianos, han desempeñado un papel esencial, junto con medidas preventivas como la vacunación, en la disminución de la morbilidad y la mortalidad causada por las enfermedades infecciosas. Sin embargo, el amplio uso, mala aplicación y abuso de los antibióticos, no solamente en el tratamiento y la prevención de infecciones bacterianas en el ser

infecciosas. Sin embargo, también aparecen nuevos mecanismos de resistencia difíciles de controlar y entonces surgen las bacterias que sobreviven a la presencia de más de un antibiótico, conocidas como multi-drogoresistentes (MDR). Las infecciones causadas por bacterias MDR, causan una amplia morbilidad y mortalidad sin mencionar el costo por estancia hospitalaria y las complicaciones.

humano, sino también en medicina veterinaria, y en la

Entre los diversos factores que han contribuido al incremento

agricultura, han ejercido una inmensa presión de selección para

significativo de la aparición de resistencia bacteriana podemos

107

mencionar la presión selectiva ejercida al prescribir formal o libremente medicamentos para uso terapéutico, ademas del incumpliento de los esquemas por parte del paciente, la utilización generalizada de antimicrobianos en pacientes inmunocomprometidos, el uso de dosis erróneas junto con una duración inadecuada y el desconocimiento de los perfiles de sensibilidad de los microorganismos aislados, han contribuido notable en la exacerbación del problema.

Tipos de resistencia • La resistencia bacteriana tiene bases genéticas intrínsecas y adquiridas. • La resistencia natural se refiere a un carácter constante de cepas de una misma especie y es un mecanismo permanente, determinado genéticamente y no existe correlación con la dosis de antibiótico. • La resistencia adquirida es una característica propia de una especie bacteriana, que por naturaleza es sensible a un antibiótico pero que ha sido modificada genéticamente ya sea por mutación o por adquisición de genes de resistencia (plásmidos, transposones e integrones). Son evolutivas y su frecuencia depende de la utilización Animación 7.3 Representación de proliferación bacteriana por presión selectiva, las bacterias resistentes sobreviven y proliferan

de los antibióticos. Con referencia a la mutación de un gen implicado en el mecanismo de acción de un antibiótico, por ejemplo la 108

resistencia a las quinolonas por modificación de la DNA girasa en

denominados integrones que les permite capturar varios genes

las enterobacterias, o las mutaciones generadas en los genes

exógenos determinando la aparición de una cepa

que codifican a las porinas que trae como consecuencia el

multirresistente.(Animación 7.4).

bloqueo del ingreso del antibiótico al interior del microorganismo. Por otro lado, la adquisición de genes de resistencia a partir de una cepa perteneciente a una especie idéntica o diferente, está dada por plásmidos, transposones e integrones. Los plásmidos y transposones son elementos genéticos móviles donde se transportan los genes de resistencia. Los plásmidos son fragmentos de DNA bacteriano con longitud variable, algunos con capacidad para replicarse independientemente de la maquinaria genética que dispone la célula. Los transposones son secuencias de DNA (doble cadena) que pueden ser traslocados entre cromosomas o de un cromosoma a un plásmido o entre plásmidos, esto gracias a un sistema de recombinación propio que, sumado a la capacidad de los plásmidos de trasladarse de una célula a otra durante la conjugación, permite la adquisición de genes de resistencia entre bacterias de la misma especie o especies distintas, facilitando la expansión de la resistencia. Algunos plásmidos y transposones poseen elementos génicos

Animación 7.4 Plásmido, transposón e integrón que confieren resistencia bacteriana

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Mecanismos de resistencia

cloramfenicol, acetilasas, adenilasas y fosfatasas que modifican a m i n o g l u c ó s i d o s , l i n c o s a m i d a s y e s t re p t o g r a m i n a s ,

La resistencia bacteriana tanto natural como adquirida se puede

respectivamente

abordar desde el punto de vista molecular y bioquímico a través,de los cuales las cepas pueden adquirir resistencia a los antibióticos de acuerdo al mecanismo expresado y el mecanismo de acción del antibiótico. Los mecanismos de resistencia son: inactivación del antibiótico, alteración del sitio blanco del antibiótico y alteración de barreras de permeabilidad. Todos estos mecanismos pueden aparecer simultáneamente • Inactivación del antibiótico por destrucción o modificación de la estructura química Es un proceso molecular que se caracteriza por la producción de enzimas que van a llevar a cabo esta función. Las enzimas que destruyen la estructura química,son las beta-lactamasas las cuales se caracterizan por hidrolizar el núcleo beta-lactámico rompiendo el enlace amida también pueden ocurrir modificaciones que son no hidrolíticas tales como las acetilaciones, adenilaciones o fosforilaciones inactivantes de aminoglucósidos, algunos ejemplos son: acetiltransferasa para

Animación 7.5 Inactivación del antibiótico por destrucción o modificación de la estructura química

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• Alteración del sitio blanco del antibiótico Este mecanismo consiste en la modificación de algunos sitios específicos de la célula bacteriana como la pared celular, la membrana celular, la subunidad 50S o 30S ribosomales, entre otras. Por ejemplo, la modificación por mutación de los genes GyrA y GyrB que codifican para las topoisomerasas II y IV respectivamente, ofrecen resistencia bacteriana a S. aureus, S. epidermidis, Pseudomonas aeruginosa y E. coli frente a las quinolonas. En cuanto a las modificaciones a nivel ribosomal podemos mencionar los cambios que ocurren en las subunidades 30S y 50S que son los sitios de acción de aminoglucósidos, macrólidos, tetraciclinas y lincosamidas. Por ejemplo, la metilación del RNA ribosomal de la subunidad 50S confiere resistencia a S. aureus y S. epidermidis frente a tetraciclinas, cloramfenicol y macrólidos. La resistencia bacteriana contra gentamicina, tobramicina y amikacina consiste en una mutación de la subunidad ribosomal 30S.

Animación 7.6 Alteración del sitio blanco del antibiótico

Podcast 7.2 Enfermando a las bacterias ¿Quién podrá ayudarnos en contra de ellas?

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• Alteración en las barreras de permeabilidad Este mecanismo se debe a los cambios que se dan en los receptores bacterianos específicos para los antimicrobianos o por alteraciones estructurales en los componentes de envoltura de la célula bacteriana (membrana o pared celular) que influyen en la permeabilidad, así como a la pérdida de la capacidad de transporte activo a través de la membrana celular o la expresión de bombas de eflujo las cuales se activan en el momento en que el antibiótico se introduce a la célula bacteriana. La membrana celular de las bacterias Gram negativas tiene un alto contenido de lípidos con respecto a las Gram positivas, presenta una membrana externa con un 40% de lipopolisacárido lo que le proporciona una barrera efectiva contra la entrada de antibióticos, dependiendo de la composición química de estos. La internalización de compuestos hidrófilicos se lleva a cabo por canales denominados porinas, que se encuentran en la membrana interna, estos canales están llenos de agua por lo que Animación 7.7 Alteración en las barreras de permeabilidad

la penetración de los antibacterianos en este caso dependerá del tamaño de la molécula, hidrofobicidad y carga eléctrica.

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• Bombas de eflujo El eflujo activo de antibióticos es mediado por proteínas transmembranales. En el caso de las bacterias Gram negativas involucra también componentes en la membrana externa y citoplasma. Estas proteínas forman canales que exportan activamente a un agente antimicrobiano fuera de la célula tan

presenta un determinado aislamiento bacteriano. Interpretar el antibiograma es mucho más complejo que la simple lectura del diámetro de inhibición del desarrollo bacteriano o la concentración inhibitoria mínima (CMI), Se define a la CMI como la concentración más pequeña que se necesita de un agente para inhibir el crecimiento de un organismo.

rápido como entra(Figura 3).Este mecanismo confiere resistencia a tetraciclinas, quinolonas, cloranfenicol, betalactámicos, así como a los antisépticos y desinfectantes de tipo amonio cuaternario utilizado para la limpieza de superficies. • Desarrollo de una ruta bioquímica resistente Otro mecanismo descrito, es cuando el microorganismo desarrolla una ruta bioquímica resistente; por ejemplo muchos patógenos desarrollan resistencia a las sulfamidas, que inhiben la producción de ácido fólico. Las bacterias resistentes modifican su metabolismo para captar ácido ya sintetizado del medio,evitando así la necesidad de una ruta que puede ser bloqueada por las sulfamidas. Cabe recalcar que el antibiograma (cuyo nombre es “prueba de sensibilidad a los antibacterianos” [ATB]) evidencia la resistencia a los ATB que

Animación 7.8 Bombas de eflujo 113

Animaciรณn 7.9 Antibiograma 114

Ligas de interés IDSA desarrolla planes para combatir la mortal resistencia a los antibióticos http://www.news-medical.net/news/20110408/16593/ Spanish.aspx

La contención de la resistencia a los antimicrobianos http://apps.who.int/medicinedocs/es/d/Js7922s/5.html

En las playas de Costa Rica, científicos hallan una posible arma contra una bacteria multirresistente http://www.scientificamerican.com/ espanol/noticias/en-las-playas-de-costa-rica-cientificos-hallan-una-posible-arma-contra-una-bacteria-multirresistente/

Desarrollan nueva estrategia contra bacterias resistentes a los antibióticos http://www.scientificamerican.com/espanol/noticias/ desarrollan-nueva-estrategia-contra-bacterias-resistentes-a-los-antibioticos/

Estrategia mundial de la OMS para contener la resistencia a los antimicrobianos http://www.who.int/drugresistance/SpGlobal2.pdf

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Créditos • Contenido temático e idea original Juan Manuel Aquino Sánchez César Augusto Sánchez Solís • Asesoría de contenido Rosalinda Escalante Pliego Enrique Escalera Zúñiga Georgina Cecilia Rosales Rivera • Asesoría técnica y revisión de guiones Rocío Mercedes Prieto Ramos • Diseño, formación, fotografía y animaciones Mario Israel Prado Jiménez • Grabación de Audio Ricardo Baltazar Covarrubias Sin título (fragmento)  Luis Nishizawa Flores.  FES Zaragoza Campus II

Aviso

AVISO IMPORTANTE: El acceso a este libro es gratuito, solo le pedimos que después de revisarlo nos diga su opinión a través del siguiente cuestionario de 10 preguntas. Gracias por ayudar a mejorar nuestro trabajo. Facultad de Estudios Superiores Zaragoza. 2016. Registro en trámite. cxvii

Actinorícas Plantas no leguminosas, principalmente árboles y arbustos, con una fuerte predisposición a la relación con bacterias fijadoras de nitrógeno.