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Bacteriología

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", a saber, que las enfermedades eran causadas por organismos microscópicos que invadían las células huésped. Las bacterias son microorganismos unicelulares procariotas metabólicamente activos y se dividen por fisión binaria. Algunos de estos organismos juegan un papel importante en la patogenia de enfermedades. El tratamiento 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.

Última actualización: Jul 17, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Introducción

  • Bacterias:
    • Se cree que están 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
  • Características básicas:
    • Unicelulares
    • Procariotas: carecen de núcleo envuelto
  • Identificación:
    • Comienza con tinción de Gram mediante microscopía
    • El cultivo celular es útil para la identificación exacta.
    • Las sensibilidades son consideradas 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

Average prokaryote cell

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

Imagen por Lecturio.
  • Organización de células procariotas:
    • Sin núcleo envuelto
    • ADN comprimido en nucleoide
    • Carecen de organelos unidos a la membrana
    • Su 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 las procariotas se mueven con la ayuda de flagelos:
      • Monotricas: 1 flagelo
      • Lofotricas: > 1 flagelo
    • Consisten en la proteína, flagelina y no están cubiertos por la membrana celular.
    • Colocación: monopolar, bipolar o peritricas
  • Pili (fimbrias):
    • Estructuralmente similares a los flagelos, pero mucho más pequeños
    • Ayudan en la adherencia al huésped / otras bacterias = factor de virulencia
    • Se utilizan 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 (e.g., 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 es utilizada 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 Gram-positivas y Gram-negativas:
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 Gram-negativas 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 Gram-positivas y Gram-negativas 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 Gram-positivas:

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

Tinción de bacterias Gram-negativas:

  • 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 individuos saludables
  • Bacterias Gram-negativas:
    • Menos sensibles a la penicilina debido a una membrana bicapa lipídica adicional
    • Contiene una 2da membrana en forma de bicapa lipídica
    • Tras la degradación, los lipopolisacáridos de la 2da 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 muchas disposiciones
  • Disposiciónes:
    • Pares
    • Tétradas
    • Racimos
    • Cadenas
    • Palizadas
Tabla: Morfología y disposición de las bacterias
Morfología Disposición
Cocos
  • Esféricos
  • Inmóviles
  • Únicos o emparejados (diplococos)
  • Cadenas retorcidas (estreptococos)
  • Racimos (estafilococos)
Bacilos
  • Cilindros de extremos redondeados
  • Varillas
Espirilos
  • Helicoidales
  • Retorcidos
Espiroquetas
  • Helicoidales
  • Filamentos largos, parecidos a flagelos
  • Movimientos en forma de sacacorchos
  • Subgrupo: Treponema
Género Selenomonas Cilindros curvados en un plano
Género Haloquadratum
  • Morfologías inusuales
  • Cuadrado, plano en forma de caja
Vibriones
  • Bacterias redondas en forma de coma
  • Flagelados
Bacterial cells with various morphologies and arrangements

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

Imagen por Lecturio.

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 racimos o cadenas) y su capacidad para crecer en presencia de oxígeno (aeróbicos frente a anaeróbicos). Los cocos también pueden identificarse más detalladamente. 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-negativas:
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 Gram-negativas 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 Gram-negativas 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 por 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
    • Shock
    • Fatiga
    • Incomodidad

Exotoxinas

  • Producidas y secretadas
  • Pueden 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.

Clasificadas según los requisitos de oxígeno:

  • Aerobias obligadas: Necesitan oxígeno para mantener su metabolismo.
  • Anaerobias obligadas:
    • Sin enzimas respiratorias presentes
    • La energía se genera a través de la glucólisis anaeróbica.
    • El oxígeno es tóxico.
  • Microaerófilas:
    • Necesitan oxígeno para su crecimiento
    • Si el nivel es demasiado alto, su crecimiento se detiene
  • Anaerobias facultativas: 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 por medio del contacto a través de pili
    • Transducción: por medio 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 por Lecturio.

Factores de Virulencia

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 las bacterias a colonizar al huésped y pueden ser de naturaleza secretora, asociada a la membrana o citosólica.

Tabla: Mecanismos de virulencia, factores de virulencia y funciónes
Mecanismo Factores virulentos Función
Colonización
  • Ácido teicoico (principalmente en organismos Gram-positivos)
  • Adhesinas
  • Biopelículas
  • Flagelos
  • Permite el apego y la invasión de las superficies de la célula huésped
  • Las biopelículas protegen de la penetración de antibióticos
  • Motilidad
Evasión del 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 (e.g., Estreptococo del grupo A)
  • Reacciones de hipersensibilidad retardada
  • Formación de granulomas

Referencias

  1. Baron, S., Editor. Medical Microbiology. 4th edition. Galveston (TX): University of Texas Medical Branch at Galveston; 1996. Introduction to Bacteriology.
  2. Woese, C.R., Fox, G.E. November 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 74 (11): 5088–90.
  3. Cabeen, M.T., Jacobs-Wagner C. August 2005. Bacterial cell shape. Nature Reviews. Microbiology. 3 (8): 601–10.

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