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Bacteriología: descripción general

La bacteriología es la rama de la microbiología que se ocupa de la morfología, estructura, clasificación y bioquímica de las bacterias. La disciplina de la bacteriología surgió durante el siglo XIX a partir de los intentos científicos de probar la «teoría de los gérmenes de la enfermedad», es decir, que las enfermedades fueron causadas por organismos microscópicos que invaden las células huésped. Las bacterias son microorganismos unicelulares procariotas que son metabólicamente activos y se dividen por fisión binaria. Algunos de estos organismos juegan un papel importante en la patogenia de enfermedades. El manejo de la enfermedad bacteriana generalmente se realiza con antibióticos; sin embargo, la elección de los antibióticos puede variar según la estructura bacteriana y el metabolismo.

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Índice de contenidos

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Introducción

  • Bacterias:
    • Se cree que está entre las primeras formas de vida en la Tierra.
    • Habita en casi todos los entornos de la Tierra.
    • Vive simbióticamente con plantas y animales.
    • La mayoría de las bacterias no se han caracterizado.
  • Caracteristicas basicas:
    • Unicelular
    • Procariotas: carecen de núcleo envuelto
  • Identificación:
    • Comienza con tinción de Gram mediante microscopía
    • El cultivo celular es útil para la identificación exacta.
    • Las sensibilidades se consideran para determinar las opciones de tratamiento.
El proceso de diagnóstico de laboratorio

Proceso de identificación del laboratorio:
La identificación de patógenos bacterianos sigue un proceso escalonado que generalmente comienza con la tinción de Gram y es seguido por el crecimiento en cultivo aislado.

Imagen por Lecturio.

Estructura

Estructura de las bacterias

Estructura de una célula procariota:
La envoltura celular comprende una membrana plasmática, que se ve aquí en verde, y una pared celular gruesa que contiene peptidoglicano (capa amarilla). No hay membrana lipídica externa, como se observa en las bacterias gramnegativas. La capa roja, conocida como cápsula, es distinta de la envoltura celular.

Imagen : “Average prokaryote cell” de Mariana Ruiz Villarreal. License: Public Domain
  • Organización de células procariotas:
    • Sin núcleo envuelto
    • ADN comprimido en nucleoide
    • Carecen de orgánulos unidos a la membrana
    • El metabolismo ocurre en el citoplasma.
  • Pared celular:
    • Proporciona estabilidad mecánica
    • Permite el intercambio de nutrientes y desechos.
    • Peptidoglicano mureína:
      • Polímero de azúcar y aminoácidos que forma la base de la pared celular.
      • N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico reticulado con oligopéptidos
      • Componente de casi todas las paredes bacterianas (excepción: micoplasmas)
    • El grosor de la pared celular determina la tinción de Gram.
  • Membrana de plasma:
    • Análogo a las membranas procariotas
    • Compuesto por proteínas y fosfolípidos
    • A diferencia de los organismos eucariotas, carece de esteroles.
    • Envuelve el citoplasma de las células.
  • Flagelos:
    • Aproximadamente el 50% de los procariotas se mueven con la ayuda de flagelos:
      • Monotricas: 1 flagelo
      • Lofótricas: > 1 flagelo
    • Consisten en la proteína, flagelina y no están cubiertos por la membrana celular.
    • Colocación: monopolar, bipolar o peritricas
  • Pili (fimbrias):
    • Estructuralmente similar a los flagelos, pero mucho más pequeños.
    • Ayuda en la adherencia al huésped / otras bacterias = factor de virulencia
    • Se utiliza para intercambiar información genética durante la conjugación.
  • Nucleoide:
    • Equivalente funcional del núcleo procariota
    • Carece de membrana
    • Contiene material genético:
      • Generalmente 1 cromosoma
      • Puede tener plásmidos adicionales
  • Inclusiones y vesículas:
    • Las vesículas de gas permiten que las bacterias fotosintéticas floten en el agua.
    • Organelos para la fotosíntesis y quimiosíntesis
    • Los carboxisomas contienen una enzima clave para la fijación de CO 2 .
    • Gránulos de almacenamiento (p. Ej., Azufre, fosfato, calcio, glucógeno)
Tabla: Estructuras de la célula bacteriana con su composición química y funciones.
Estructura Composición química Función
Apéndices
Flagelo Proteína Motilidad
Pili / fimbrias Glicoproteína Adherencia a la superficie celular
Estructuras especializadas
Espora
  • Abrigo similar a la queratina
  • Ácido dipicolínico
  • Peptidoglicano
  • ADN
  • Gram + solamente
  • Resiste la deshidratación, el calor y los productos químicos.
Envoltura celular
Cápsula Capa de polisacárido organizado Protege contra la fagocitosis
Capa de limo Red suelta de polisacáridos Media la adherencia a las superficies.
Membrana externa
  • Fosfolípidos
  • Proteínas
  • Gram- solamente
  • Endotoxina: el lípido A induce TNF e IL-1.
Periplasma Peptidoglicano en el medio Acumular componentes que salen de las células gram –
Pared celular Peptidoglicano en la columna vertebral del azúcar La estructura en forma de red proporciona un soporte rígido.
Membrana citoplasmática Saco bicapa de fosfolípidos
  • Sitio de enzimas oxidativas y de transporte.
  • Los ácidos lipoteicoicos inducen TNF-α e IL-1.
TNF: factor de necrosis tumoral
IL-1: interleucina-1

Clasificación

Tinción de Gram

La tinción de Gram es una técnica que lleva el nombre del bacteriólogo Hans Christian Joachim Gram y se utiliza para diferenciar entre grupos de bacterias en función de las diferencias en los componentes de sus paredes celulares.

Diferencias entre células de bacterias grampositivas y gramnegativas

Diferencias entre las membranas celulares de bacterias grampositivas y gramnegativas:
Si bien las paredes celulares de las bacterias gram-positivas y gram-negativas contienen capas de peptidoglicano, la capa en las bacterias gram-negativas es mucho más delgada. Las bacterias gramnegativas compensan este déficit al tener otra capa de membrana fuera de la capa de peptidoglicano.

Imagen por Lecturio.

La tinción de Gram ayuda a distinguir entre bacterias grampositivas y gramnegativas al teñir las células de rojo o violeta.

Proceso de tinción de Gram:

  • Bacterias tratadas con tinte violeta cristal
  • La mancha se lava con alcohol.
  • Las células se contra tiñen con tinción roja de safranina.

Tinción de bacterias grampositivas:

  • La pared celular contiene una capa gruesa de peptidoglicano (mureína).
  • Conservan la tinción de violeta cristal y no se ven afectados por la contratinción de safranina.
  • Aparecen violeta-azul

Tinción de bacterias gramnegativas:

  • La pared celular tiene una capa delgada de peptidoglicano (mureína).
  • No retiene el tinte violeta cristal, pero conserva la contra tinción de safranina
  • Aparecen rosa-rojo

La tinción juega un papel importante en el diagnóstico / patología:

  • Bacterias Gram positivas:
    • Comensal más común
    • A menudo se encuentra en la piel de personas sanas.
  • Bacterias Gram-negativo:
    • Menos sensible a la penicilina debido a una membrana bicapa lipídica adicional
    • Contiene una segunda membrana en forma de bicapa lipídica
    • Tras la degradación, los lipopolisacáridos de la segunda capa de la membrana pueden liberarse como endotoxinas.
    • Las endotoxinas son pirógenos que causan fiebre alta y escalofríos.

Morfología

  • Las bacterias muestran una amplia diversidad de formas y tamaños.
  • Las morfologías más comunes son los cocos y los bacilos, que pueden presentarse en muchos arreglos.
  • Disposición:
    • Pares
    • Tétradas
    • Clusters
    • Cadenas
    • Empalizadas
Tabla: Morfología y disposición de las bacterias.
Morfología Preparativos
Cocos
  • Esférico
  • Inmóvil
  • Único o emparejado (diplococos)
  • Cadenas retorcidas (estreptococos)
  • Racimos (estafilococos)
Bacilos
  • Cilindros de extremos redondeados
  • Varillas
Spirilla
  • Helicoidal
  • Retorcido
Espiroquetas
  • Helicoidal
  • Filamentos largos, parecidos a flagelos
  • Movimientos en forma de sacacorchos
  • Subgrupo: Treponema
Selenomas Cilindros curvados en un plano
Género Haloquadratum
  • Morfologías inusuales
  • Cuadrado, plano en forma de caja
Vibraciones
  • Bacterias redondas en forma de coma
  • Flagelado
Diferentes morfologías y arreglos de células bacterianas.

Células bacterianas con diversas morfologías y disposiciones:
Las bacterias existen en una amplia variedad de morfologías y disposiciones. Los cocos y bacilos en pares y racimos son los más comunes.

Imagen : “Bacteria display a large diversity of cell morphologies and arrangements” ´pr Mariana Ruiz. Licencia: Dominio público

Resumen de clasificación

Diagrama de flujo de microbiología clasificación de bacterias grampositivas

Bacterias Gram positivas:
La mayoría de las bacterias se pueden clasificar de acuerdo con un procedimiento de laboratorio llamado tinción de Gram.
Las bacterias con paredes celulares que tienen una capa gruesa de peptidoglicano retienen la tinción cristal violeta utilizada en la tinción de Gram, pero no se ven afectadas por la contra tinción de safranina. Estas bacterias aparecen como azul púrpura en la mancha, lo que indica que son gram positivas. Las bacterias pueden clasificarse además según su morfología (filamentos ramificados, bacilos y cocos en grupos o cadenas) y su capacidad para crecer en presencia de oxígeno (aeróbicos frente a anaeróbicos). Los cocos también pueden identificarse más. Los estafilococos pueden reducirse en función de la presencia de la enzima coagulasa y de su sensibilidad al antibiótico novobiocina. Los estreptococos se cultivan en agar sangre y se clasifican según la forma de hemólisis que emplean (α, β o γ). Los estreptococos se reducen aún más en función de su respuesta a la prueba de pirrolidonil-β-naftilamida (PYR), su sensibilidad a antimicrobianos específicos (optoquina y bacitracina) y su capacidad para crecer en medios de cloruro de sodio (NaCl).

Imagen por Lecturio. Licencia: CC BY-NC-SA 4.0
Diagrama de flujo de clasificación de bacterias gram negativas

Bacterias Gram-negativo:
La mayoría de las bacterias se pueden clasificar según un procedimiento de laboratorio llamado tinción de Gram.
Las paredes de las células bacterianas que tienen una capa delgada de peptidoglicano no retienen la tinción de cristal violeta utilizada para la tinción de Gram. Sin embargo, las bacterias gramnegativas retienen la contra tinción de safranina y aparecen de color rojo rosado. Estas bacterias pueden clasificarse además según su morfología (diplococos, bastoncillos curvos, bacilos y cocobacilos) y su capacidad para crecer en presencia de oxígeno (aeróbicos frente a anaeróbicos). Las bacterias gramnegativas se pueden identificar con precisión mediante el cultivo en medios específicos (agar triple azúcar-hierro (TSI)), donde se pueden identificar sus enzimas (ureasa, oxidasa) y se puede determinar su capacidad para fermentar lactosa.
* Se tiñe mal en la tinción de Gram.
** Varilla pleomórfica / cocobacilo
*** Requiere medios de transporte especiales

Imagen de Lecturio.

Toxinas

Endotoxinas

  • Generadas durante la descomposición de la pared celular bacteriana cuando las bacterias mueren.
  • Activan el complemento del huésped y las cascadas de coagulación.
  • Causan shock séptico
  • Síntomas no específicos de la enfermedad:
    • Fiebre
    • Dolor
    • Choque séptico
    • Fatiga
    • Incomodidad

Exotoxinas

  • Producidas y secretadas
  • Puede provocar síntomas graves específicos de la enfermedad
  • 3 categorías principales:
    • Enterotoxinas
    • Neurotoxinas
    • Citotoxinas
  • Ejemplos:
    • Cólera
    • Botulismo
    • Difteria
    • Toxinas del tétanos

Metabolismo

Las bacterias son organismos heterótrofos que necesitan sustancias orgánicas para sobrevivir.

Clasificado según los requisitos de oxígeno:

  • Aerobios obligados (aerófilos): se necesita oxígeno para mantener el metabolismo.
  • Anaerobios obligados:
    • Sin enzimas respiratorias presentes
    • La energía se genera a través de la glucólisis anaeróbica.
    • El oxígeno es tóxico.
  • Microaerófilos:
    • Oxígeno necesario para el crecimiento.
    • Si el nivel es demasiado alto, el crecimiento se detiene.
  • Anaerobios facultativos: pueden crecer en presencia o ausencia de oxígeno.

Reproducción

Las bacterias pueden intercambiar material genético:

  • Puede integrar ADN extraño en su genoma.
  • Puede recombinarse en el acervo genético existente
  • Pueden transferirse rasgos genéticos entre sí:
    • Conjugación: transferencia parasexual a través del contacto a través de pili
    • Transducción: a través de bacteriófagos (virus que infectan bacterias)
    • Transformación: introducción de ADN extraño, aislado y libre en el genoma
Tipos bacterianos de transmisión genética.

Esquema de tipos de transmisión genética en bacterias.

Imagen de Lecturio.

Factores virulentos

La virulencia es la capacidad de un organismo para infectar al huésped y causar una enfermedad. Los factores de virulencia son moléculas que ayudan a la bacteria a colonizar el hospedador y pueden ser de naturaleza secretora, asociada a la membrana o citosólica.

Tabla: Mecanismo de virulencia, factores de virulencia y función
Mecanismo Factores virulentos Función
Colonización
  • Ácido teicoico (principalmente en organismos grampositivos)
  • Adhesinas
  • Biofilms
  • Flagelos
  • Permite el apego y la invasión de las superficies de la célula huésped
  • Las biopelículas protegen de la penetración de antibióticos
  • Motilidad
Evitando el sistema inmunológico
  • Cápsula
  • Proteasa IgA
  • Proteína A
Crea una barrera física que bloquea la opsonización y la fagocitosis.
Nutrición bacteriana Sideróforos
  • Hierro quelado
  • Absorción de hierro
Variación antigénica
  • Pili
  • Expresión de cápsulas y flagelos
  • Deriva antigénica
Camuflaje de marcadores moleculares de superficie que permiten la evasión del sistema inmunológico.
Supervivencia intracelular
  • Inhibición de la fusión fagosoma-lisosoma
  • Salida de los fagosomas antes de que ocurra la fusión
  • Invasores
Evita la destrucción intracelular de las bacterias.
Sistema de secreción tipo III Inyectable Permite que las bacterias inyecten toxinas en las células huésped.
Respuesta inflamatoria
  • Anticuerpos específicos de bacterias
  • Complejos inmunes
  • Peptidoglicano y ácido teicoico
  • Células huésped mímicas (p. ej., Estreptococo del grupo A)
  • Reacciones de hipersensibilidad retardada
  • Formación de granulomas

Referencias

  1. Baron, S., editor. Medical Microbiology. 4ª edición. Galveston (TX): rama médica de la Universidad de Texas en Galveston; 1996. Introduction to Bacteriology.
  2. Woese, CR, Fox, GE, noviembre de 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América. 74 (11): 5088–90.
  3. Cabeen, MT, Jacobs-Wagner C. Agosto de 2005. Bacterial cell shape. Nature Reviews. Microbiología. 3 (8): 601–10.

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