Células bacterianas: diferentes partes de una célula bacteriana generalizada (se explica con diagramas) | Micro biología
Las diferentes partes de una célula bacteriana generalizada se muestran en la Figura 2.3 y se describen a continuación:
1. Flagella:
Los flagelos bacterianos son apéndices helicoidales de filamentos delgados que sobresalen a través de la pared celular y son responsables de la motilidad de las bacterias. La mayoría de las bacterias móviles poseen flagelos.
Su longitud es de unos 10-15µ. Los flagelos bacterianos son totalmente diferentes de los flagelos eucariotas en su estructura y mecanismo de acción. Son mucho más delgados que los flagelos o cilios de las células eucariotas. Ninguna membrana celular está presente sobre los flagelos bacterianos a diferencia de los flagelos eucariotas.
Además, los flagelos bacterianos, a diferencia de los flagelos eucariotas, son algo rígidos y no se mueven de un lado a otro, sino que giran como la hélice de un bote para el movimiento de la célula. Los flagelos bacterianos tienen tres partes a saber; (a) Cuerpo basal, (b) Gancho y (c) Filamento (Figura 2.4).
(una) Cuerpo basal:
Forma la parte base del flagelo y está anclada en la membrana citoplásmica y la pared celular. Proporciona anclaje a los flagelos y funciona como un motor, impartiendo así el movimiento giratorio del flagelo.
Consiste en una pequeña varilla central que pasa a través de un sistema de anillos. En el caso de las bacterias grampositivas, en las cuales la pared celular consiste solo en una capa de peptidoglicano, el cuerpo basal tiene solo un par de anillos; el anillo M y el anillo S, ambos integrados en la membrana celular.
Alrededor de estos anillos hay un grupo de proteínas llamadas proteínas mot. El movimiento de protones a través de la membrana celular a través de estas proteínas mot produce la fuerza motriz protónica (energía) requerida para la rotación de estos dos anillos, que en última instancia actúan como un motor para la rotación de hélice del flagelo.
Otro grupo de proteínas, llamadas proteínas fli, está presente entre estos dos anillos. Funcionan como un interruptor de motor, invirtiendo la rotación del flagelo en respuesta a señales intracelulares.
En el caso de las bacterias gramnegativas, en las que la pared celular consiste en una capa externa de lipopolisacáridos (LPS) además de la capa interna más delgada de peptidoglicano, el cuerpo basal tiene un par más de anillos; el anillo L incrustado en la capa LPS y el anillo P en la capa delgada de peptidoglicano.
(segundo) Gancho:
Un gancho corto conecta el cuerpo basal con el filamento del flagelo. Es un poco más grueso que el filamento. La acción motora del cuerpo basal se transmite al filamento a través del gancho.
(c) Filamento:
Es la porción filamentosa del flagelo que se asemeja a un cabello largo, que emerge del gancho. Es varias veces más largo que la célula bacteriana. Está hecho de un solo tipo de proteína, 'flagelina' cuyo peso molecular es de aproximadamente 40, 000. Las moléculas de flagelina forman cadenas; Tres cadenas de este tipo se entrelazan para formar el flagelo. A diferencia de un cabello, que crece en su base, el filamento de un flagelo crece en su punta.
Los aminoácidos pasan a lo largo del centro hueco del filamento y se agregan a su extremo distal. Este proceso se denomina autoensamblaje, ya que toda la información para la estructura final del filamento reside en las propias subunidades de proteínas. El filamento es algo rígido y no gira de un lado a otro, sino que gira como la hélice de un barco para el movimiento de la celda.
Las espiroquetas carecen de flagelos externos. Sin embargo, se mueven con la ayuda de una estructura similar a flagelos ubicada dentro de sus células justo debajo de la envoltura exterior. Estos se llaman flagelos periplásmicos, flagelos axiales, fibrillas axiales o endoflagelados.
Los flagelos están dispuestos de diferentes maneras en diferentes bacterias. La disposición de los flagelos en las células de las bacterias se llama flagelación. La flagelación es de los siguientes cuatro tipos (Figura 2.5).
(a) Flagelación monotriquosa (Mono: simple; triquosa: cabello): un único flagelo está presente en un extremo de la célula.
(b) Flagelación lofotrica (Lopho: mechón; triquis: cabello): un mechón o grupo de flagelos está presente en un extremo de la célula.
(c) Flagelación anfitrica (Amphi: ambos; triquis: cabello): Los flagelos están presentes en ambos extremos de la célula, ya sea de forma individual o en mechón.
(d) Flagelación peritrícica (Peri: alrededor; triquosa: pelo): los flagelos están presentes en toda la superficie de la célula.
2. Fimbrias:
Las fimbrias son apéndices delgados como filamentos del cabello, que son estructuralmente similares a los flagelos, pero no están involucrados en la motilidad de las bacterias (Figura 2.3). A diferencia de los flagelos, son considerablemente más cortos y más numerosos, pero como los flagelos, están hechos de moléculas de proteína.
Las fimbrias están presentes en algunas especies de bacterias, que les ayudan a unirse a las células de otros organismos y evitan que sean arrastradas por el flujo de mucosas o fluidos corporales. Por lo tanto, ayuda particularmente a las bacterias patógenas a establecer la infección en el cuerpo del huésped. También ayudan a formar peliculas o biopelículas en las superficies.
3. Pili:
Los pili son apéndices filamentosos delgados como pelos, que son estructuralmente similares a los flagelos, pero no están involucrados en la motilidad de las bacterias (Figura 2.6). También son estructuralmente similares a las fimbrias, pero generalmente son más largas y solo uno o unos pocos pili están presentes en la superficie de una célula bacteriana.
Está hecho de un solo tipo de proteína, 'pilin', cuyo peso molecular es de aproximadamente 17, 000. Las moléculas de Pilin están dispuestas helicoidalmente para formar un único filamento rígido con un núcleo central hueco. En algunas bacterias, el material genético se transfiere a través del núcleo hueco de pili durante la conjugación (apareamiento con otra bacteria).
Tales pili se llaman pili de fertilidad (pili F) o pili sexual. En algunas bacterias patógenas, los pili actúan de manera similar a las fimbrias que se unen a las células huésped y al establecimiento de la infección. La acción aglutinante de los pili da como resultado la formación de películas de bacterias que son visibles en la superficie de los cultivos de caldo.
4. S-Layer:
La capa S (capa superficial) es una capa que se encuentra en la superficie de la mayoría de las bacterias patógenas, que se compone de una matriz bidimensional de proteínas con apariencia cristalina en varias simetrías, como hexagonal, tetragonal o trimérica (Figura 2.7) .
La simetría cristalina depende de la composición de las proteínas de la capa S. Se asocia con la estructura de la pared celular (con la capa de peptidoglicano en bacterias grampositivas y con la capa de LPS en bacterias gramnegativas).
Funciona como una barrera de permeabilidad externa, permitiendo el paso de sustancias de bajo peso molecular y excluyendo sustancias de alto peso molecular. También proporciona protección a las bacterias patógenas, contra el mecanismo de defensa del huésped.
5. Cápsula (capa de limo o glycocalyx):
Muchas bacterias tienen un material viscoso viscoso o gomoso fuera de la célula, que rodea la pared celular (Figura 2.8). Está hecho de macromoléculas, que no están unidas covalentemente a las bacterias.
Estas macromoléculas superficiales son principalmente polisacáridos cargados (glicoproteínas o glicolípidos) y, por lo tanto, se denominan "glucocalix" (glicohidratos de carbono; cáliz: parte de la flor debajo de los pétalos que se extiende hacia afuera desde el tallo). Glycocalyx se define como el material que contiene polisacárido que se encuentra fuera de la célula como una red suelta de fibras poliméricas que se extienden hacia afuera de la célula.
Son sintetizados y secretados por las bacterias, que se unen a los receptores en la superficie de los tejidos del huésped. Glycocalyx no solo se encuentra alrededor de algunas células bacterianas; También se encuentra alrededor de algunas células vegetales y animales.
Glycocalyx puede ser de tres tipos de la siguiente manera:
(a) Cápsula:
Es una capa de polímero que consiste en una capa viscosa densa y bien definida que rodea a las células de las bacterias en muchas especies. La capa viscosa se puede visualizar mediante microscopía de luz utilizando una técnica de tinción especial.
Las fibras de polímero de glicocálix están organizadas en una matriz apretada que excluye partículas como la tinta india. Las bacterias, que tienen cápsula, se llaman bacterias encapsuladas, mientras que aquellas que no tienen cápsula, se llaman bacterias no encapsuladas.
(b) Microcápsula:
Es una capa viscosa que rodea las células bacterianas, que es tan delgada que no se puede visualizar mediante microscopía óptica.
(c) Limo:
Es una masa difusa de fibras de polímero que aparentemente no están unidas a ninguna célula individual. La capa viscosa es tan gruesa que muchas células están incrustadas en la matriz de limo. La capa se deforma fácilmente y no excluye partículas. Es difícil ser visualizado por microscopía de luz.
Las funciones de cápsula y limo se dan a continuación:
1. Previene el secado de las células, mediante la unión de moléculas de agua.
2. Previene la unión de bacteriófagos (los virus, que atacan a las bacterias) en las células bacterianas.
3. Proporciona virulencia (la capacidad que produce la enfermedad) al inhibir su reconocimiento y posterior destrucción por los fagocitos (glóbulos blancos o glóbulos blancos).
4. Ayuda a las bacterias patógenas para que se adhieran a los receptores en la superficie de los tejidos del huésped.
5. Proporciona adherencia entre diferentes células bacterianas.
6. vainas:
Las vainas son estructuras tubulares huecas y largas, que encierran cadenas de células bacterianas que forman "tricomas" (Figura 2.9). Las bacterias envainadas son comunes en hábitats de agua dulce que son ricos en materia orgánica, como corrientes contaminadas, filtros de goteo y digestores de lodo activado en plantas de tratamiento de aguas residuales. Las vainas se pueden visualizar fácilmente, cuando algunas de las células, denominadas "células enjambradas flageladas" del tricoma, salen de la vaina dejando atrás la vaina vacía.
7. Pros-thecae:
Pros-thecae son extensiones citoplásmicas de células de bacterias, que forman apéndices como hifas, tallos o brotes. Tienen un diámetro menor que las células maduras, contienen citoplasma y están limitadas por la pared celular. Las bacterias que tienen pros-thecae se denominan bacterias proteculares.
A diferencia de la división celular en otras bacterias, que tiene lugar a través de la fisión binaria, produce dos células de bacterias hijas equivalentes que en las prótesis implica la formación de una nueva célula hija con la célula madre que conserva su identidad después de que se completa la división celular.
Las "hifas" son apéndices celulares formados por la extensión celular directa de la célula madre que contiene la pared celular, la membrana celular, los ribosomas y, en ocasiones, el ADN. Está formado por el alargamiento de un pequeño crecimiento de la célula bacteriana en un solo punto.
Dicho crecimiento en un solo punto se denomina "crecimiento polar" en contraste con el "crecimiento intercalar" que tiene lugar en todas las demás bacterias, en las cuales el crecimiento de bacterias tiene lugar en toda la superficie. Al final de la hifa, se forma un capullo, que se agranda y produce un flagelo.
El ADN en las células madre se replica y una copia del ADN circular se mueve a lo largo de la hifa hacia la yema. Luego se forma un tabique cruzado que separa la yema aún en desarrollo de la hifa y la célula madre.
Ahora, el brote se desprende de la célula madre y se aleja como célula hija. Más tarde, la célula hija pierde su flagelo y gradualmente crece hasta convertirse en una célula madre lista para la formación de hifas y brotes.
Los "tallos" son apéndices celulares utilizados por ciertas bacterias acuáticas para adherirse a un sustrato sólido. Al final del tallo hay una estructura llamada 'holdfast', por la cual el tallo se une al sustrato. Además de proporcionar apego, el tallo también aumenta el área de superficie de las células bacterianas, lo que ayuda a la absorción de nutrientes y la eliminación de desechos.
En algunas bacterias, los tallos de varios individuos permanecen unidos para formar "rosetas". La división celular en bacterias acechadas se produce por el alargamiento de la célula en la dirección opuesta a la dirección del tallo seguida de la fisión. Se forma un solo flagelo en el polo opuesto al tallo.
La célula hija flagelada así formada se llama "swarmer". Se separa de la célula madre no flagelada, nada alrededor y se adhiere a una nueva superficie que forma un nuevo tallo en el polo flagelado. El flagelo se pierde entonces.
Los "brotes" son apéndices celulares, que se desarrollan directamente como células hijas de las células madre sin la formación intermedia de hifas.
8. Pared celular:
La pared celular es la estructura rígida que rodea inmediatamente la membrana celular de las células bacterianas. La membrana celular de las células bacterianas es una bicapa de fosfolípidos similar a la de todas las demás células animales y vegetales (Figura 2.11).
Mientras que las células animales carecen de pared celular, las células vegetales y las células bacterianas tienen una pared celular que rodea la membrana celular. Sin embargo, a diferencia de la pared celular de las células vegetales, que está compuesta principalmente por celulosa, la pared celular de las células bacterianas está compuesta principalmente por capas de peptidoglicano (Figura 2.10).
Anteriormente, el peptidoglicano también se llamaba mureína o mucopéptido. El peptidoglicano consiste principalmente en aminoácidos y azúcares (peptido: cadena de aminoácidos; glicano: azúcar). Dos azúcares, a saber, N-acetilglucosamina (NAGA) y ácido N-acetilmurámico (NAMA) están unidos entre sí alternativamente a través de enlaces glicosídicos (enlaces β-1-4) para formar largas cadenas de azúcar paralelas.
Unidas a las moléculas de NAMA son cadenas laterales cortas de cuatro o cinco aminoácidos unidos entre sí a través de enlaces peptídicos. Por lo general, los aminoácidos son alanina, ácido glutámico y lisina o ácido diaminopimélico (DAP). Estos péptidos cortos forman enlaces cruzados entre cadenas de azúcar adyacentes para formar una red o capa.
Aunque los enlaces glicosídicos en las cadenas de azúcar son muy fuertes, por sí solos no pueden proporcionar rigidez en todas las direcciones. Se obtiene una alta rigidez, solo cuando estas cadenas están reticuladas por los enlaces peptídicos en los péptidos cortos de reticulación.
La composición de la pared celular no es la misma para todas las bacterias; más bien, existen diferencias notables en su composición, en función de las bacterias que se han agrupado como se indica a continuación:
A. Basado en la tinción de Gram:
En función de las diferencias en la composición de la pared celular, una técnica de tinción especial llamada "tinción de gram", llamada así por el Dr. Christian Gram que la desarrolló, diferencia las bacterias en dos grupos de la siguiente manera:
(1) Bacterias Gram-positivas:
Después de teñir una bacteria con cristal violeta, si su pared celular resiste la decoloración al lavarse con un agente decolorante (etanol o acetona), es una bacteria gram positiva. Ejemplos: Bacillus, Staphylococcus.
(2) Bacterias gramnegativas:
Después de teñir una bacteria con cristal violeta, si su pared celular permite sufrir una decoloración mediante el lavado con un agente decolorante (etanol o acetona), es una bacteria gramnegativa. Ejemplos: Escherichia, Salmonella, Vibrio.
La diferenciación de las bacterias en grupos grampositivos y gramnegativos proporciona la pista más importante para avanzar en la dirección correcta para la identificación de bacterias desconocidas.
Pared de células grampositivas:
La pared celular grampositiva es muy simple. Está hecho principalmente de una capa gruesa de peptidoglicano, que constituye aproximadamente el 90% de la pared celular. Esta gruesa capa hace que las bacterias grampositivas sean resistentes a la lisis osmótica.
La pared también puede contener ácido teicoico, ácido lipoteicoico y proteína M, que son los principales antígenos de superficie de la pared celular grampositiva. El ácido teicoico está cargado negativamente y es parcialmente responsable de la carga negativa de la superficie celular de las bacterias. También ayuda en el paso de los iones a través de la pared celular.
El ácido lipoteicoico es ácido teicoico, que está unido a los lípidos de la membrana. La proteína M ayuda a algunas bacterias a causar enfermedades al prevenir su engullimiento por WBC. Los antibióticos, la penicilina (producida por el hongo, Penicillium notatum) y la cefalosporina destruyen las bacterias grampositivas al prevenir la síntesis de peptidoglicanos. La lisozima (una enzima que se encuentra en las lágrimas, la saliva, la albúmina de huevo y el limo de los peces) mata a las bacterias grampositivas al romper el enlace glicosídico (enlace β-1-4) entre la NAGA y la NAMA.
Pared de células gramnegativas:
La pared celular gramnegativa es muy compleja y más frágil que la pared celular grampositiva. Tiene una capa delgada de peptidoglicano, que constituye solo alrededor del 10% de la pared celular. Está rodeado por una capa protectora gruesa llamada capa de lipopolisacárido (LPS), que resiste la penetración de algunos químicos potencialmente tóxicos en la célula de la bacteria.
La capa de LPS consiste en 1) una capa de lipoproteínas y 2) una membrana externa. Una superficie de la capa de lipoproteínas está unida directamente a la capa de peptidoglicano y la otra superficie se extiende hacia la membrana externa.
Funciona como un anclaje entre la capa de peptidoglicano y la membrana externa. La membrana externa es una bicapa de fosfolípidos incrustada en proteínas con una estructura de 'membrana unitaria' similar a la membrana celular. La hoja interna de la membrana externa es una capa de moléculas de fosfolípidos sola.
Sin embargo, a diferencia de la membrana unitaria, algunas de las moléculas de fosfolípidos en la hoja externa son reemplazadas por moléculas de LPS. Cada molécula de LPS está hecha de una porción lipídica llamada 'lípido A' unida covalentemente a un polisacárido similar a un cabello.
Cuando las bacterias patógenas gramnegativas mueren dentro del cuerpo del huésped, el lípido A, que es un componente interno de las bacterias gramnegativas, se libera, lo que provoca reacciones tóxicas y síntomas de la enfermedad. Por eso, el lípido A también se llama "endotoxina" (endo: interno).
En contraste, la "exotoxina" es la sustancia tóxica sintetizada dentro de las células bacterianas y liberada al exterior, que causa enfermedad, si está presente o ingresa en el cuerpo del huésped. A diferencia de otros lípidos normales como los triglicéridos, que están formados por tres ácidos grasos unidos a un glicerol, el lípido A está compuesto de ácidos grasos unidos a un disacárido compuesto por dos fosfatos NAGA.
Los ácidos grasos en el lípido A son comúnmente ácidos caproico, láurico, mirístico, palmítico y esteárico. El polisacárido, que está unido al lípido A en el otro extremo del disacárido, está formado por dos porciones; 1) el polisacárido del núcleo interno y 2) el polisacárido O externo.
La membrana externa también contiene proteínas llamadas "porinas", que contienen tres subunidades idénticas. Cada subunidad es cilíndrica con un poro central, a través del cual pueden pasar los materiales. Por lo tanto, las porinas hacen que la membrana externa sea relativamente permeable.
Las porinas son de dos tipos; 1) porinas no específicas, que forman canales llenos de agua para el paso de pequeñas sustancias de cualquier tipo y 2) porinas específicas, que tienen sitios de unión específicos para el paso de sustancias específicas.
Varios materiales (soluciones, jeringas, agujas, etc.), aunque están libres de microbios patógenos por esterilización por calor, aún retienen los residuos de la pared celular de bacterias gramnegativas producidas al matarlas. Si se introduce en el cuerpo del huésped, estos residuos de la pared celular pueden inducir síntomas de la enfermedad. Este residuo de la pared celular rota, que puede inducir síntomas de la enfermedad, se llama "pirógeno".
B. Sobre la base de la tinción ácida rápida:
Según las diferencias en la composición de la pared celular, otra técnica de tinción especial llamada "tinción ácida" diferencia las bacterias en dos grupos de la siguiente manera:
(1) Bacterias ácido-rápidas:
Una bacteria, que es extremadamente difícil de teñir, pero una vez teñida, es igualmente difícil eliminar la mancha de sus células, incluso con el uso vigoroso de ácido-alcohol como agente decolorante, es una bacteria ácido-rápido bacterias).
Ejemplos: Mycobacterium spp. [METRO. tuberculosis (bacterias TB), M. leprae (bacterias leprosas), M. smegmatis (bacterias naturales de smegma), M. marinum (bacterias TB de peces marinos)]. Poseen una gruesa pared celular cerosa hecha de materiales lipídicos.
(2) Bacterias no ácidas:
Una bacteria, que es fácil de teñir y también es fácil de decolorar con ácido-alcohol como agente decolorante, es una bacteria no ácida (bacterias que no son ácidas). Ejemplos: Todas las demás bacterias, excepto Mycobacterium spp. En estas bacterias, la pared celular no es cerosa gruesa.
La diferenciación de bacterias en grupos ácido-rápido y no ácido-rápido proporciona la pista más importante para la identificación de Mycobacterium spp.
Variantes deficientes en la pared:
Algunas bacterias existen naturalmente sin pared celular. El micoplasma, que es la bacteria más pequeña, no tiene pared celular. Está protegido de la lisis osmótica por la presencia de esteroles en la membrana celular y por la adopción de una existencia parasitaria en un entorno osmóticamente favorable de huéspedes eucarióticos.
De manera similar, algunas bacterias marinas carecen de pared celular, en la cual la lisis osmótica se evita por la alta concentración de sal en el agua de mar. La mayoría de las bacterias grampositivas pierden su pared celular (peptidoglicano) en presencia de lisozima.
Sin embargo, sus células sobreviven si están presentes en un entorno isotónico como heridas llenas de pus. Estas bacterias deficientes en la pared que consisten solo en protoplasma encerrado por una membrana celular se denominan 'protoplastos' o 'formas L' (L for Lister Institute en Londres).
Una vez que se retira la lisozima, pueden reanudar el crecimiento sintetizando su pared celular. Si el protoplasto retiene piezas de la pared celular, de manera que la célula adopta una forma ameboide, sobresaliendo donde no hay pared celular, se llama "esferoplasto".
El esferoplasto también se forma cuando el peptidoglicano de la pared celular gramnegativa se elimina por tratamiento con lisozima. Aquí, el protoplasma está encerrado por dos capas, la membrana celular y la capa LPS.
Funciones de la pared celular:
(a) Forma de protección de lisis:
Protege a las células bacterianas de la lisis osmótica, ya que la mayoría de ellas permanecen en ambientes hipotónicos. Esto es porque; La concentración de solutos disueltos dentro de las células bacterianas es considerablemente mayor que en el ambiente. Esto desarrolla una considerable presión de turgencia dentro de las celdas, que puede ser comparable a la presión dentro de un neumático de automóvil. La pared celular ayuda a soportar esta presión.
(b) Forma y rigidez:
Aporta forma y rigidez a las células bacterianas.
9. Espacio periplásmico:
Es el espacio delgado entre la pared celular y la membrana celular (Figuras 2.10 y 2.11). Está lleno de plasma llamado periplasma. El periplasma contiene varias proteínas, de las cuales tres son importantes.
Son: 1) enzimas hidrolíticas, que ayudan en la degradación inicial de las moléculas de bacterias de los alimentos, 2) proteínas de unión, que comienzan el proceso de transporte de sustratos y 3) quimiorreceptores, que participan en la respuesta de quimiotaxis de las bacterias. Quimotaxis significa movimiento hacia o desde un químico.
10. Membrana celular:
Es una membrana delgada debajo de la pared celular que encierra completamente el protoplasma. También se le llama 'membrana citoplásmica' o 'membrana plasmática'. Es una bicapa de fosfolípidos incrustada en proteínas (Figura 2.11).
Dos tipos de proteínas están incrustadas en la bicapa. Un tipo de proteínas se mantiene tenazmente en la bicapa y se llama "proteínas integrales". Los otros tipos de proteínas están ligeramente anclados en la superficie de la bicapa y se denominan "proteínas periféricas".
Los componentes de la membrana no son estáticos; más bien son dinámicos y están siempre en estado de movimiento como un "fluido". Las proteínas proporcionan a la membrana una apariencia de "mosaico".
Es por eso que; La membrana unitaria generalmente se expresa a través de un 'modelo de mosaico de fluidos'. La bicapa de fosfolípidos consiste en dos capas opuestas enfrentadas, cada una de las cuales consiste en una capa de moléculas de fosfolípidos. Cada molécula de fosfolípidos tiene una cabeza y un par de colas que emergen de ella.
La cabeza está cargada y es hidrofílica (amante del agua), por lo que permanece hacia el medio ambiente acuoso. Las colas están descargadas e hidrófobas (que odian el agua), por lo que permanecen ocultas dentro de la membrana lejos del ambiente acuoso. Tal membrana se llama 'membrana unitaria'.
Los esteroles, que están presentes en la membrana de la unidad de todos los eucariotas como el agente de fortalecimiento, están ausentes en las membranas de la unidad de prácticamente todas las bacterias. Sin embargo, las moléculas similares a los esteroles, llamadas "humanoides" están presentes en varias bacterias, que desempeñan un papel similar al de los esteroles en los eucariotas. Uno de los humanoides importantes es el "diplopteno", que tiene 30 átomos de carbono.
Funciones de la membrana celular:
(a) Barrera de Permeabilidad:
El interior de la célula (el citoplasma) consiste en una solución acuosa de sales, azúcares, aminoácidos, vitaminas, coenzimas y una amplia variedad de otros materiales solubles. La naturaleza hidrófoba de la membrana celular lo hace una barrera hermética.
Aunque algunas pequeñas moléculas hidrófobas pueden pasar a través de la membrana por difusión, las moléculas hidrófilas y cargadas (la mayoría de las moléculas solubles en agua) no pasan fácilmente a través de ella. Estas moléculas son transportadas a través de él por sistemas específicos de transporte.
Incluso una sustancia tan pequeña como un ion hidrógeno (H + ) no se difunde a través de la membrana celular. La única molécula que penetra en la membrana es el agua, que es lo suficientemente pequeña y sin carga para pasar entre las moléculas de fosfolípidos.
Por lo tanto, la membrana celular es una barrera crítica que separa el interior de la célula de su entorno y evita la fuga pasiva de los componentes del citoplasma dentro o fuera de la célula. Si la membrana se rompe, la integridad de la célula se destruye, los contenidos internos se filtran en el medio ambiente y la célula muere.
(b) Barrera selectiva:
La membrana celular también es una barrera altamente selectiva. Las proteínas específicas, llamadas "sistemas de transporte de membrana" presentes en y dentro de la membrana celular permiten y facilitan el transporte de sustancias específicas a través de ella mediante transporte activo y pasivo.
Estructuralmente, los sistemas de transporte de membrana son proteínas hechas de 12 hélices alfa que se mueven hacia adelante y hacia atrás a través de la membrana para formar un canal, a través del cual la sustancia a transportar se transporta hacia o desde la célula.
Estas proteínas pueden unirse a sustancias específicas para ser transportadas y moverlas dentro o fuera de la célula a través de la membrana según sea necesario. Esto permite que una célula bacteriana concentre sustancias específicas dentro de la célula y elimine sustancias específicas de la célula al exterior.
Existen tres tipos de proteínas de transporte de membrana, tales como 1) Uniporters, que transportan un tipo de molécula solo en una dirección a través de la membrana, 2) Symporters, que transportan un tipo de molécula y siempre transportan otro tipo de molécula junto con él. la misma dirección y 3) Antiporters, que transportan un tipo de molécula y siempre transportan otro tipo de molécula en la dirección opuesta.
El transporte de sustancias puede realizarse de tres formas, como 1) Transporte simple, en el que el transporte se realiza a través de la membrana por la energía de la fuerza motriz del protón, 2) Translocación grupal, en la cual la sustancia transportada se altera químicamente durante el paso. a través de la membrana y 3) transporte ABC (casete de unión a ATP), en el que una proteína de unión periplásmica en el periplasma se une específicamente a la sustancia, una proteína que se extiende a través de la membrana, que se extiende a través de la membrana y la transporta a través de la membrana y un citoplasma La proteína de hidrolización de ATP presente en el citoplasma suministra la energía para el evento de transporte.
(c) Hidrólisis extracelular:
La membrana celular secreta muchas enzimas al exterior para la descomposición extracelular de partículas grandes de alimentos en moléculas, que pueden pasar a la célula a través de la membrana.
(d) Respiración:
Las bacterias no tienen mitocondrias. Por lo tanto, la respiración celular, para obtener energía de los materiales alimenticios, se realiza en la membrana celular, que contiene las enzimas de la cadena respiratoria. Es un dispositivo para la conservación de energía en la célula.
La membrana puede existir en una forma energéticamente "cargada", en la que se produce una separación de protones (H + ) de iones hidroxilo (OH-) a través de su superficie. Esta separación de carga es una forma de energía metabólica, análoga a la energía potencial presente en una batería cargada.
El estado energizado de la membrana, denominado "fuerza motriz protónica" (PMF), es responsable de dirigir muchas funciones que requieren energía en la célula, incluidas algunas formas de transporte, motilidad y la biosíntesis de la moneda de energía de la célula, ATP. .
(e) Fotosíntesis:
Las bacterias fototróficas realizan la fotosíntesis a través de orgánulos especiales llamados "cromatóforos" que se forman por la imaginación de la membrana celular. Estas orgánulos contienen enzimas y pigmentos para la fotosíntesis.
(f) Absorción de nutrientes:
Los nutrientes en los alrededores se absorben directamente en las células bacterianas a través de la membrana celular. Los "mesosomas" son invaginaciones membranosas de la membrana celular hacia el citoplasma, que aumentan el área de superficie para una absorción eficiente.
(g) Reproducción:
Las bacterias se reproducen por fisión binaria. Cada célula se divide en dos células hijas. En el proceso, la membrana celular forma la nueva pared celular entre las células hijas que se dividen.
11. Citoplasma:
La sustancia viscosa similar a un líquido, que llena el compartimiento dentro de la membrana celular, se llama citoplasma (Figuras 2.10 y 2.11). Es un fluido hecho de agua, enzimas y pequeñas moléculas. Suspendidos en el líquido son una región relativamente transparente de material cromosómico llamado "nucleoide", gránulos de ribosoma e inclusiones citoplasmáticas, que almacenan energía.
12. Nucleoide:
Es la masa agregada de ADN que constituye el cromosoma de las bacterias (Figura 2.12). Como las bacterias son procariotas, su ADN no está confinado dentro de un núcleo unido a la membrana, como lo está en los eucariotas.
Sin embargo, no se dispersa por toda la célula, sino que tiende a agregarse como una estructura distinta dentro de la célula bacteriana y se denomina "nucleoide" (Figura 2.12). Los ribosomas están ausentes en la región del nucleoide, porque el ADN del nucleoide existe en forma de gel que excluye la materia particulada.
La mayoría de las bacterias contienen un solo cromosoma, que consiste en un solo ADN de doble cadena circular, aunque algunas bacterias tienen un ADN cromosómico lineal. Por lo general, el ADN cromosómico se tuerce y se dobla para formar un "ADN superenrollado", para acomodarlo en el pequeño espacio del nucleoide.
El ADN superenrollado es más compacto que el ADN circularizado libre. Las bacterias contienen solo una copia de cada gen en su cromosoma y, por lo tanto, son genéticamente "haploides". En contraste, los eucariotas contienen dos copias de cada gen en sus cromosomas y, por lo tanto, son genéticamente diploides.
El gen puede definirse como cualquier segmento de un ADN, que es responsable de un carácter particular del organismo huésped. Cada carácter de un organismo está especificado por un gen particular, que consiste en un segmento particular del ADN.
El ADN cromosómico de las bacterias contiene los "genes de mantenimiento de la casa" esenciales, que son necesarios para la supervivencia básica de las bacterias. Este ADN se distribuye entre las dos células hijas durante la división celular.
Además de los genes cromosómicos, también hay genes no cromosómicos presentes fuera del cromosoma. Por ejemplo, los plásmidos contienen genes específicos, que confieren propiedades especiales a las bacterias. La suma total de todos los genes presentes en una célula se llama su "genoma".
13. Plásmidos:
Estos son pocos ADN no cromosómico que se encuentra en el citoplasma de algunas bacterias (Figura 2.12). Cada plásmido consiste en una pequeña pieza circular de ADN de doble cadena, que puede replicarse independientemente del cromosoma. Muchos plásmidos son bastante pequeños, pero algunos son bastante grandes.
Sin embargo, ningún plásmido es tan grande como el cromosoma. Los plásmidos no tienen genes esenciales para el crecimiento o la supervivencia de las bacterias. Pueden tener genes responsables de la resistencia a los antibióticos, a la producción de toxinas o a la producción de apéndices superficiales esenciales para la unión y el establecimiento de la infección.
Por lo tanto, los plásmidos contienen los genes que confieren propiedades especiales a las bacterias, a diferencia del ADN cromosómico, que contiene los genes esenciales para el hogar necesarios para la supervivencia básica de las bacterias.
Algunos plásmidos, que pueden integrarse en el ADN cromosómico del huésped, se llaman "episomas". Los plásmidos también pueden eliminarse de la célula bacteriana huésped mediante el proceso llamado "curado". Algunos plásmidos se utilizan ampliamente en la manipulación de genes y la ingeniería genética.
14. Ribosomas:
Estos son cuerpos granulares presentes en el citoplasma, en el que tiene lugar la síntesis de proteínas (Figura 2.3). Son tan numerosos que, su presencia le da al citoplasma un aspecto oscuro. El tamaño de cada ribosoma bacteriano es 70 S (70 Svedberg), que consiste en dos subunidades de tamaño 50S y 30S. En contraste, el tamaño de cada ribosoma eucariota es 80 S que consiste en dos subunidades de tamaño 60S y 40S.
15. Vacuolas de gas:
Las vacuolas de gas son estructuras rellenas de gas en forma de huso que se encuentran en el citoplasma (Figuras 2.3 y 2.13). Son tubos cilíndricos huecos, cerrados por una tapa cónica hueca en cada extremo. Su número en una celda puede variar de unos pocos a cientos.
Su longitud y anchura varían en diferentes bacterias, pero las vacuolas de cualquier bacteria dada son más o menos de tamaño constante. They are hollow, but rigid. They are impermeable to water and solutes, but are permeable to most gases. Therefore, the composition of the gas inside them is the same as that of the gas, in which the organism is suspended.
Gas is present in the vacuoles at about 1 atm. pressure. Therefore, rigidity of gas vacuole membrane is essential for the vacuole to resist the pressure exerted on it from outside. Due to this, it is composed of proteins able to form a rigid membrane rather than of lipids, which would form a fluid, highly mobile membrane.
There are two types of proteins, which make the membrane. They are 1) GvpA and 2) GvpC (Gas vacuole protein A and C). GvpA is the major gas vacuoles protein, which is small and highly hydrophobic (Figure 2.13). It is the shell protein and makes up 97% of the total protein of the gas vacuoles.
Gas vacuoles are made of several GvpA protein molecules aligned as parallel 'ribs' forming a watertight surface. GvpA proteins fold as a (3-sheet and thus, give considerable rigidity to the overall vacuole structure. GvpC is a larger protein, but is present in much smaller amount.
It strengthens the shell of the gas vacuoles by acting as cross-linker, binding several GvpA ribs together like a clamp. The final shape of the gas vacuoles, which can vary in different organisms from long and thin to short and fat is a function of how the GvpA and GvpC proteins are arranged to form the intact vacuoles.
As the gas vacuoles are filled with gases, their density is about 5- 20% of that of the cell proper. Thus, the intact gas vacuoles decrease the density of the bacteria cells, thereby conferring buoyancy to them.
Most of the floating aquatic bacteria have gas vacuoles, which confer buoyancy and help them to float on the surface of water or anywhere in the water column. Gas vacuoles also act as a means of motility, allowing cells to float up and down in the water column in response to environmental factors.
For example, aquatic phototrophic organisms benefit from gas vacuoles, which help them to adjust their position rapidly in the water column to regions where light intensity for photosynthesis is optimal. The gas vacuole membrane cannot resist high hydrostatic pressure and can collapse, leading to a loss of buoyancy. Once collapsed, gas vacuoles cannot be reinflated.
16. Inclusions:
The non-living reserve materials suspended in the cytoplasm are called 'inclusions' (Figure 2.3). Most of the inclusions are bounded by a thin non-unit membrane consisting of lipids separating them from the surrounding cytoplasm.
Their function is the storage of energy or structural building blocks. Different bacteria contain different types of inclusions.
Some of the common inclusions found in bacteria cells are described below:
(a) Poly-β-hydroxybutyric Acid (PHB) Granules:
These are granules consisting of poly- β-hydroxybutyric acid (PHB), which is a lipid-like substance. Monomers of β-hydroxybutyric acid are bonded to each other in a chain by ester linkages to form the polymer of poly- β-hydroxybutyric acid. The polymers aggregate into granules.
(b) Poly-β-hydroxyalkanoate (PHA) Granules:
It is a collective term used to describe all classes of carbon/energy storage polymers found in bacterial cytoplasm. The most common PHA granules are the PHB granules. The length of the monomers in a polymer can vary, from as short as C 4 (in PHB granules) to as long as C 18 (in other granules) in many bacteria.
(c) Volutin Granules:
These are granules composed of polyphosphates. The basic dye, toluidine blue becomes reddish violet, when it combines with the polyphosphate granules. This phenomenon of color change is called 'metachromasy'. Therefore, volutin granules are also called 'metachromatic granules'.
(d) Glycogen Granules:
These are starch-like polymers made of glucose subunits. Glycogen granules are usually smaller than PHB granules. These are storage depots of carbon and energy in bacteria cells.
(e) Sulphur Granules:
These are granules of elemental sulphur produced by its accumulation in the cytoplasm. Elemental sulphur comes from the oxidation of reduced sulphur compounds like hydrogen sulphide and thiosulphate. The granules remain as long as the source of reduced sulphur is present. As the source disappears, being utilized by the bacteria cells, the granules also disappear slowly.
(f) Magnetosomes:
Magnetosomes are granules of the iron mineral magnetite, Fe 3 O 4 . They impart a permanent magnetic dipole to a bacteria cell, allowing it to respond to magnetic fields. A membrane containing phospholipids, proteins and glycoproteins surround each magnetosome.
The membrane proteins play a role in precipitating Fe 3+ (brought into the cell in soluble form by chelating agents) as Fe 3 0 4 in the developing magnetosomes. The morphology of magnetosomes appears to be species-specific, varying in shape from square to rectangular to spike-shaped in certain bacteria.
Magnetosomes are primarily found in aquatic bacteria. Bacteria that produce magnetosomes orient and migrate along geomagnetic field. This phenomenon is called 'magnetotaxis'. Bacteria, which show magnetotaxis, are called 'magnetotactic bacteria'.
There is no evidence chat magnetotactic bacteria employ the sensory systems of chemotactic or phototactic bacteria. Instead, the alignment of magnetosomes in a bacteria cell simply imparts magnetic properties to it, which then orients the cell in a particular direction in its environment. Thus, a better term to describe these organisms is ' magnetic bacteria'.
17. Endospore:
It is a differentiated cell formed within the cell of certain gram-positive rod-shaped bacteria, which can withstand severe adverse conditions like heat, cold, radiation, ageing, toxic chemicals and lack of nutrients.
Mostly, the following three genera of rod-shaped bacteria can produce endospores in adverse conditions:
I. Aerobic rod-shaped bacteria
1. Bacillus spp.
II. Anaerobic rod-shaped bacteria
2. Clostridium spp.
3. Desulfotomaculum spp.
Structure of Endospore:
The structure of the endospore is much more complex than that of the vegetative cell in that it has many layers. The layers from outside towards inside are given below (Figure 2.14).
(una) Exosporium:
It is the outermost layer, which is a thin, delicate covering, made of proteins.
(segundo) Spore coat:
It is made of layers of spore-specific proteins. It acts like a sieve that excludes large toxic molecules like lysozyme, is resistant to many toxic molecules and may also contain enzymes that are involved in the germination of the spore.
(do) Corteza:
It is made of loosely cross-linked peptidoglycan.
(d) Core:
It contains the usual structures of bacteria cell, which includes the cell wall (core wall), enclosing the spore protoplast. The spore protoplast consists of the cell membrane, cytoplasm, nucleoid, ribosomes, inclusions and so on.
Thus, the spore differs structurally from the vegetative cell primarily in the kinds of structures found outside the core wall.
Properties of the Endospore Core:
The core of a mature endospore differs greatly from the vegetative cell, from which it is formed.
The properties of the endospore core are as follows:
(a) One chemical substance that is characteristic of endospores, but not present in vegetative cells is dipicolinic acid (DPA). It is located in the core.
(b) Spores are also high in calcium ions, most of which are combined with dipicolinic acid. The calcium-dipicolinic acid complex of the core represents about 10% of the dry weight of the endospore.
(c) Besides having an abundant calcium-dipicolinic acid (Ca-DPA) content, the core is in a partially dehydrated state. The core of a mature endospore contains only 10-30% of the water content of the vegetative cell and thus, the consistency of the core cytoplasm is that of a gel.
Dehydration of the core greatly increases the heat resistance of the endospore as well as confers resistance to chemicals, such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and causes the enzymes present in the core to remain inactive.
(d) In addition to the low water content of the spore, the pH of the core cytoplasm is about one unit lower than that of the vegetative cell.
(e) The core contains high levels of core-specific proteins called 'small acid-soluble spore proteins' (SASPs). These are synthesized during the speculation process and have two functions. First, they bind tightly to the DNA in the core and protect it from potential damage from UV radiation, desiccation and dry heat. Second, they function as the source of carbon and energy for the outgrowth of new vegetative cell by the process of germination.
Spore Cycle:
In adverse conditions, a spore is produced within a vegetative cell by dehydration and contraction of the cell contents (Figure 2.14). This spore, formed inside the bacteria cell, is called 'endospore'. If adverse conditions worsen, the cell ruptures releasing the endospore, which now becomes an independent dormant cell called 'spore'.
The process, by which a vegetative cell produces a spore, is called 'sporogenesis' or 'sporulation'. The spore remains in the inactive dormant form till the adverse conditions persist. Upon return of favorable conditions, the spore comes back to the vegetative form and becomes active again.
The layers covering the spore rupture and the spore gives rise to a metabolically active vegetative cell. The process, by which a spore changes to a vegetative cell, is called' germination'.
The cyclic process of change from vegetative form to spore under adverse conditions and back to vegetative form under favorable conditions is called 'spore cycle'.
The two halves of the spore cycle are given below:
A. Sporulation:
Sporulation involves a very complex series of events in cellular differentiation (Figure 2.14). Many genetically directed changes in the cell underlie the conversion from a moist, metabolically active cell to a dry, metabolically inactive but extremely resistant spore.
The structural changes occurring in sporulating cells can be divided into several stages. The entire sporulation process takes about few hours. Genetic studies have shown that as many as 200 genes are involved in a typical sporulation process.
During sporulation, the synthesis of some proteins involved in the functioning of vegetative cells ceases and synthesis of specific spore proteins starts. These proteins are called 'small acid-soluble spore proteins' (SASPs).
This is accomplished by activation of a variety of spore-specific genes including spo, ssp (which encodes SASPs) and many other genes in response to the adverse environmental condition. The proteins encoded by these genes catalyze the series of events changing a vegetative cell to a spore.
The spore gains its heat resistance by several mechanisms, which have not yet been clearly explained. However, it is clear that the impervious layers, such as spore cortex and spore coat protect the spore from any physical damage.
A major factor influencing the heat resistance of a spore is the amount and state of water within it. During sporulation, the protoplasm is reduced to a minimum volume, as a result of the accumulation of Ca 2+, small acid-soluble spore proteins (SASPs) and synthesis of dipicolinic acid, which leads to the formation of a gel-like structure.
At this stage, a thick cortex forms around the protoplast core. Contraction of the cortex results in a shrunken, dehydrated protoplast with a water content of only 10-30% of that of a vegetative cell. The water content of the protoplast and the concentration of SASPs determine the heat resistance of the spore.
If the spore has low concentration of SASPs and high water content, it shows low heat resistance. If it has high concentration of SASPs and low water content, it shows high heat resistance. Water moves freely in and out of the spore. Thus, it is not the impermeability of the spore coat, rather the gel-like material in the spore protoplast, that excludes water.
B. Germination:
An endospore may remain dormant for many years, but can convert back to a vegetative cell relatively rapidly. This process involves three steps; activation, germination and outgrowth. 'Activation' involves activating the spore and making it ready for germination.
'Germination' involves loss of microscopic refractivity of the spore and loss of resistance to heat and chemicals. The spore loses calcium- dipicolinic acid and cortex components. Moreover, the SASPs are degraded.
'Outgrowth' involves visible swelling due to water uptake as well as synthesis of new DNA, RNA and proteins. The cell emerges from the broken spore coat and eventually begins to divide. The cell then remains in vegetative growth until environmental conditions are favorable.
While sterilizing a material to make it bacteria-free, the bacteria present in it are killed by some method. However, if the material contains spore-formers, it becomes difficult to sterilize it. The more is the number of spores in the material, the higher is the stress required to sterilize it.
For colonies of spore- forming bacteria grown on agar plates or slants, as the age of bacteria increases, they form spores due to ageing, nutrient deficiency and accumulation of metabolites.
