Ultraestructura bacteriana Jan A. Hobot

Capitulo 2

Ultraestructura bacteriana Jan A. Hobot

Universidad de Cardiff, Cardiff, Reino Unido

Las bacterias se estudiaron primero bajo el microscopio óptico, utilizando tintes y tintes para investigar sus características estructurales. Estos métodos mostraron que las bacterias tenían diferentes formas y tamaños. Había una pared celular, de la que se podía observar que se originaba la flagela, una cápsula rodeaba la célula bacteriana, un área nuclear era visible dentro del citoplasma y los cuerpos de inclusión se identificaban en base a su reacción de color con ciertas tinciones. Posteriormente, el uso de microscopía óptica de contraste de fases permitió observar bacterias vivas, pero incluso en las mejores condiciones no fue posible estudiar la ultraestructura, es decir, la estructura fina de las bacterias. La llegada del microscopio electrónico con su alto poder de resolución cambió todo esto y revolucionó el estudio de la ultraestructura bacteriana.

Ha habido muchos desarrollos interesantes no solo en la instrumentación [1] sino también en los procedimientos utilizados para preparar muestras para microscopía [2]. Estos han mejorado y contribuido enormemente a nuestro conocimiento de la ultraestructura bacteriana. Se ha descubierto que la célula bacteriana es una entidad dinámica más que estática, y el objetivo de este capítulo es destacar estos nuevos aspectos de los estudios estructurales bacterianos y señalar el camino para futuras investigaciones a nivel molecular.

MORFOLOGÍA GENERAL

Las bacterias son células procariotas pequeñas, generalmente del tamaño de las mitocondrias. Su longitud varía de aproximadamente 0,2 a más de 10 µm y su ancho de aproximadamente 0,2 a 1,5 µm. Se pueden observar una variedad de formas bacterianas bajo el microscopio óptico, incluidos cocos, varillas, espirales e incluso cubos. Estas formas también se pueden observar mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), que proporciona una vista tridimensional de las estructuras celulares y

Microbiología Médica Molecular. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-397169-2.00002-0 © 2015 Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.

información sobre su topografía superficial (Fig. 2.1). Además de registrar la forma celular, las investigaciones de SEM pueden, por ejemplo, combinarse con estudios sobre los efectos de varios fármacos en la morfología general (Fig. 2.2a, b).

Las estructuras bacterianas externas e internas se pueden investigar a alta resolución mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). En un procedimiento conocido como tinción negativa, bacterias enteras o estructuras aisladas, como pili, fimbrias, etc., se unen a rejillas metálicas de soporte cubiertas con una película plástica muy fina de colodión o formvar, o incluso con cortes ultrafinos (60 nm) de resina acrílica pura (LR White) y que proporciona el soporte más estable [3]. Luego, se seca una mancha de metal pesado, como acetato de uranilo o ácido fosfotúngstico, sobre la preparación y se revelan los detalles de las características estructurales de la superficie. Alternativamente, se puede vaporizar un metal, generalmente platino, dentro de un revestidor al vacío, para proyectar una sombra sobre la muestra unida a una rejilla de soporte, para resaltar las características de la superficie estructural. Este es un procedimiento conocido como sombreado de metales. En otro procedimiento popular, las preparaciones bacterianas se incrustan en una resina que, después del endurecimiento, se puede cortar en secciones o rodajas muy delgadas con un ultramicrótomo. Estas secciones ultrafinas, de menos de 0,1 µm de espesor, pueden revelar la estructura interna y la organización de las bacterias [4].

Por estos medios, la microscopía electrónica revela que las bacterias tienen una variedad de apéndices superficiales como flagelas, pili / fimbrias y capas limo o capsulares que se extienden desde la pared celular. La superficie interna de la pared celular está en contacto con una membrana citoplasmática dentro de la cual se encuentra el citoplasma. Contiene una región nuclear de ADN, ribosomas y varios cuerpos de inclusión (Fig. 2.3). No hay estructuras unitarias unidas a la membrana, como las que se encuentran en las células eucariotas, pero los cuerpos de inclusión como los carboxisomas, los cuerpos lipídicos y las vacuolas de gas, y los complejos sistemas de membrana celular de las bacterias fotosintéticas están rodeados por una capa de proteína no unitaria. .

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8 PARTE | 1 Estructura bacteriana

FIGURA 2.1 Micrografía electrónica de barrido de células con forma de bastón de Clostridium difficile adheridas a las vellosidades del epitelio intestinal humano [49]. Marcador de barra de 2 μm.

(a) (b)

FIGURA 2.2 Micrografía electrónica de barrido de Escherichia coli. (a) Control no tratado que muestra células típicamente largas en forma de bastón. (b) Después del tratamiento con el antibiótico meropenem, las células son más cortas con una apariencia más ovoide. Marcador de barra de 2 μm.

 APÉNDICES DE SUPERFICIE

Varios apéndices superficiales están presentes en la superficie exterior de la pared celular bacteriana. Se preocupan por la relación entre la bacteria y su entorno externo.

Flagelos

Los flagelos son estructuras clave relacionadas con la motilidad bacteriana. Sin embargo, las bacterias que carecen de flagelos aún pueden ser móviles. Se puede lograr un tipo de motilidad deslizante mediante el movimiento flexible de toda la célula. Esto se observa principalmente en medios sólidos, mientras que el movimiento flagelar es común en ambientes líquidos. Los flagelos se pueden ubicar individualmente en un polo celular (flagelos monotrichous), en ambos polos (flagelos anfitrichous), en grandes cantidades a lo largo de la célula (flagelos peritrichous), o como un mechón de

flagelos en un extremo polar (flagelos lophotrichous). Por lo general, tienen una apariencia ondulada u ondulada, y miden alrededor de 1015 nm de diámetro y 215 µm de longitud (Fig. 2.4). Los flagelos están compuestos por subunidades de una proteína de bajo peso molecular, la flagelina (2040 kDa) dispuestas en forma helicoidal. La parte filamentosa del flagelo se extiende hacia afuera desde la superficie bacteriana y está anclada a la bacteria por su cuerpo basal. Consiste en una serie de estructuras en forma de anillo de proteínas que mantienen el flagelo en la pared celular bacteriana. Aunque se ha sugerido que la parte inferior de esta estructura corporal basal penetra a través de la membrana citoplasmática en el citoplasma, la relación estructural exacta entre el péptidoglicano del cuerpo basal y la pared celular sigue sin estar clara [5]. Una región de gancho corta actúa como una conexión entre el filamento exterior largo y el cuerpo basal, siendo este último responsable del movimiento flagelar. Los flagelos se analizan con más detalle en el capítulo 7.

FIGURA 2.3

célula.

Diagrama generalizado de las principales características de una bacteria.

Pili y Fimbrias

Muchas bacterias tienen apéndices superficiales de varios tamaños y apariencias llamados pili y fimbrias. Estos términos se han utilizado indistintamente. El término 'pilus' (plural pili), sin embargo, debe reservarse para los apéndices involucrados en la conjugación, es decir, la transferencia de material genético (ver la sección más adelante en este capítulo titulada 'Conjugación bacteriana'), y el término ' fimbria '(fimbrias plural) debe reservarse para estructuras relacionadas con la adhesión de bacterias a diversas superficies, incluidas las superficies de las células, y entre sí en la coagregación, como por ejemplo en la placa dental. Las fimbrias y pili se examinan con más detalle en el capítulo 8.

En promedio, pueden estar presentes de uno a diez pili conjugativos y hasta más de 400 fimbrias en la superficie de una célula bacteriana. Las fimbrias pueden ser de uno o más tipos [6,7]. Sus diámetros varían de 1 a 12 nm y pueden tener una longitud de 0,12 μm. Algunos aparecen como varillas relativamente rectas, mientras que otros tienen una morfología fibrilar flexible o fibrosa (fig. 2.5). Los pili conjugativos son más largos que las fimbrias y están compuestos principalmente por una proteína (pilina, 1725 kDa) organizada en una estructura helicoidal en forma de tubo. Durante la conjugación, el material genético pasa a lo largo del

Capítulo | 2 Ultraestructura bacteriana 9

Flagelos peritrichous (flechas) de Escherichia coli preparados mediante tinción negativa de bacterias completas. Marcador de barras 0,5 μm. Micrografía por cortesía del Dr. Nabeel Alsaif.

FIGURA 2.4

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 (a) (b)

 (C)

FIGURA 2.5 Preparaciones de tinción negativa de (a) fimbrias relativamente rectas (flechas) de Escherichia coli (por cortesía del Dr. Nabeel Alsaif); (b) fimbrias nervudas de tipo fibrilar (flechas) de Prevotella intermedia (marcador de barra 0,1 μm); (c) sección ultrafina de P. intermedia que muestra las fimbrias (F) de (b) que irradian hacia el exterior desde la pared celular (W) / glucocálix (G). Marcador de barra de 0,2 μm.

centro hidrofílico o lumen del pilus [8]. Las fimbrias tienen una estructura similar pero, debido a que participan en la adhesión celular, la presencia de subunidades proteicas específicas de la cepa confiere una variedad de propiedades de aglutinación. Se ha observado que las fimbrias están asociadas con la formación de ampollas en la membrana en Prevotella intermedia, una bacteria que se encuentra en las infecciones dentales (fig. 2.6). Cuando las bacterias se cultivan en condiciones de baja concentración de hemina, existe una tendencia a la hemaglutinación [9].

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