q u i n t a e d i c i ó n
LANSING M. PRESCOTT
Augustana College
JOHN P. HARLEY
Eastern Kentucky University
DONALD A. KLEIN
Colorado State University
Traducción
Carlos Gamazo de la Rasilla
Universidad de Navarra
Íñigo Lasa Uzcudum
Universidad Pública de Navarra
Microbiología
Microbiología
Microbiología
MADRID • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • LISBOA • MÉXICO
NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTAFE DE BOGOTÁ • SANTIAGO • SÃO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI • PARÍS SAN FRANCISCO • SYDNEY • SINGAPUR • ST. LOUIS • TOKIO • TORONTO
C
ONTENIDO ABREVIADO
P
ARTEI
Introducción a la microbiología1 Historia y ámbito de la microbiología 1 2 Estudio de la estructura microbiana: microscopía
y preparación de muestras 18
3 Estructura y función de la célula procariota 43 4 Estructura y función de la célula eucariota 78
P
ARTEII
Nutrición, crecimiento y control microbiano5 Nutrición microbiana 99 6 Crecimiento microbiano 118
7 Control de microorganismos por agentes físicos y químicos 145
P
ARTEIII
Metabolismo microbiano 8 Metabolismo: energía, enzimas y regulación 163 9 Metabolismo: liberación y conservaciónde la energía 184
10 Metabolismo: uso de la energía en la biosíntesis 219
P
ARTEIV
Biología molecular y genética microbiana11 Genes: estructura, replicación y mutación 243 12 Genes: expresión y regulación 279
13 Recombinación microbiana y plásmidos 313
P
ARTEV
Tecnología del DNA y genómica 14 Tecnología del DNA recombinante 34315 Genómica microbiana 371
P
ARTEVI
Los virus16 Los virus: introducción y características generales 389 17 Los virus: bacteriófagos 411
18 Los virus: virus de eucariotas 429
P
ARTEVII
La diversidad del mundo microbiano19 Taxonomía microbiana 455 20 Archaea 487
21 Bacterias: deinococos y Gram negativas no proteobacterias 504
22 Bacterias: las proteobacterias 525
23 Bacterias: Gram positivas con bajo contenido en G + C 558
24 Bacterias: Gram positivas con alto contenido en G + C 578
25 Hongos (Eumycota), mohos mucosos y mohos acuáticos 595
26 Algas 614 27 Protozoos 628
P
ARTEVIII
Ecología y simbiosis28 Interacciones microbianas y ecología microbiana 641 29 Microorganismos en ambientes acuáticos 682 30 Microorganismos en ambientes terrestres 719
P
ARTEIX
Respuesta inmunitaria y resistencia inespecífica del huésped31 Microbiota normal y resistencia inespecífica del huésped 751
32 Inmunidad específica 785 33 Inmunología médica 822
P
ARTEX
Enfermedades microbianas y su control34 Patogenicidad de los microorganismos 849 35 Quimioterapia antimicrobiana 869 36 Microbiología clínica 892
37 Epidemiología de las enfermedades infecciosas 915 38 Enfermedades humanas causadas por virus 941 39 Enfermedades humanas causadas por bacterias 973 40 Enfermedades humanas causadas por hongos
y protozoos 1021
P
ARTEXI
Microbiología de los alimentos e industrial41 Microbiología de los alimentos 1043 42 Microbiología industrial y biotecnología 1075
A
PÉNDICESApéndice I Revisión de la química de las moléculas biológicas 1113
Apéndice II Rutas metabólicas comunes 1125 Apéndice III Clasificación de procariotas de acuerdo
con la primera edición del Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology 1135
Apéndice IV Clasificación de procariotas de acuerdo con la segunda edición del Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology 1140
Apéndice V Clasificación de los virus 1149
Glosario 1155 Créditos 1189 Índice 1195
L
a microbiología es una disciplina extraordinariamente amplia, que abarca especialidades tan diversas como la bioquímica, la biología celular, la genética, la taxo-nomía, la bacteriología de patógenos, la microbiología industrial y de los alimentos, y la ecología. Un microbiólogo debe estar familiarizado con muchas disciplinas biológicas y con los principales grupos de microorganismos: virus, bac-terias, hongos, algas y protozoos. El equilibrio es la clave. Los estudiantes ajenos al tema necesitan una introducción al conjunto antes de concentrarse en aquellas partes que más les interesen. Este libro aporta una introducción a las áreas más importantes de la microbiología, adecuada para estu-diantes de diversa procedencia. Gracias a esta adecuación, el texto se adapta a asignaturas con una orientación que puede variar desde la microbiología básica hasta la microbiología médica y aplicada. No sólo será útil para estudiantes de medicina, odontología, enfermería y otras ciencias de la salud, sino también para aquellos que se dedican a la investi-gación, la docencia y la industria. Se dan por superados dos cuatrimestres/semestres para biología y otros dos para quí-mica, y el Apéndice I aporta además unas nociones esencia-les de química.Organización y enfoque
El libro está organizado de manera flexible, para que los capítulos y temas puedan colocarse casi en cualquier orden. Se ha hecho lo más autosuficiente posible cada capítulo para facilitar esta flexibilidad. Algunos temas esenciales en microbiología han recibido un tratamiento más extenso.
El libro está dividido en 11 partes. Las seis primeras introducen los fundamentos de la microbiología, la estructu-ra de los microorganismos, el crecimiento microbiano y su control, el metabolismo, la biología y la genética molecula-res, la tecnología del DNA y la genómica, y la naturaleza de los virus. La Parte VII constituye un estudio del mundo microbiano. En la quinta edición, el estudio de las bacterias sigue de cerca la organización general de la segunda edición del Manual Bergey de sistemática bacteriana (Bergey’s
Ma-nual of Systematic Bacteriology). Aunque se dedica mayor
atención a las bacterias, los eucariotas reciben también con-siderable cobertura. Hongos, algas y protozoos son impor-tantes por derecho propio. La introducción a su biología en los Capítulos 25-27 es esencial para comprender temas tan
diversos como la microbiología clínica y la ecología biana. La Parte VIII se centra en las relaciones de los micro-organismos con otros seres vivos y con su entorno (ecología microbiana). Introduce además la microbiología acuática y terrestre. El Capítulo 28 presenta los principios generales subyacentes a la ecología microbiana y la microbiología ambiental y con ello evita redundancias en los capítulos siguientes sobre el hábitat acuático y el terrestre. El capítulo describe además diversos tipos de interacciones microbianas que se producen en el medio ambiente, como el mutualismo, la protocooperación, el comensalismo y la predación. Las Partes IX y X están relacionadas con el potencial patóge-no, la resistencia y la enfermedad. Los tres capítulos de la Parte IX describen la microbiota normal, la resistencia ines-pecífica del huésped, los principales aspectos de la respuesta inmunitaria y la inmunología médica. La Parte X empieza abordando temas esenciales como el potencial patógeno, la quimioterapia antimicrobiana y la epidemiología. Los Capí-tulos 38-40 estudian después las enfermedades microbianas más importantes en el ser humano. La separación de en-fermedades por capítulos sigue un esquema básicamente taxonómico; mientras que dentro de cada capítulo, se han agrupado por modo de transmisión. Este enfoque aporta fle-xibilidad y permite al estudiante un fácil acceso a la infor-mación relativa a cualquier enfermedad que busque. No se trata de un simple catálogo de enfermedades, sino que éstas se incluyen en función de su importancia médica y su capa-cidad para ilustrar los principios básicos de la enfermedad y la resistencia. La Parte XI concluye este tratado con una introducción a la microbiología industrial y de los alimen-tos. Cinco apéndices ayudan al estudiante a repasar algunos conceptos químicos básicos y aportan información extra sobre algunos temas importantes que el libro no llega a com-pletar.
El libro está pensado como una eficaz herramienta didáctica. En la medida de su facilidad de lectura, así se presta cualquier texto a que el estudiante lo utilice. Con este objetivo en mente, se ha recurrido a un estilo de redacción directo y relativamente sencillo, con muchos epígrafes de secciones y un guión que dirige cada capítulo. El nivel de dificultad se ha establecido con cautela, pensando en los lec-tores a los que va dirigido. Durante la preparación de la quinta edición, se ha comprobado cuidadosamente la clari-dad de cada frase, y se ha revisado en caso necesario. Se han seguido en la medida de lo posible los acuerdos de nomen-xix
P
REFACIO
Los libros son los portadores de la civilización. Sin libros, la historia calla, la literatura, enmudece, la ciencia se paraliza, y el pensamiento y la especulación se detienen. Ellos son motores del cambio, ventanas al mundo, faros que se alzan en el mar del tiempo.
clatura y abreviaturas del ASM Style Manual de la American
Society for Microbiology.
Los numerosos términos nuevos que se encuentran en el estudio de la microbiología representan un escollo enorme para los estudiantes. Este texto reduce el problema reforzan-do el aprendizaje de vocabulario de tres moreforzan-dos: 1) no emplea ningún término nuevo sin haberlo definido clara-mente (a veces se aportan también palabras derivadas), es decir, el estudiante no necesita un conocimiento previo de términos microbiológicos para poder utilizar el libro; 2) los términos más importantes están impresos en negrita cuando aparecen por vez primera; y 3) al final se incluye un glosario extenso y actualizado, con referencias de paginación.
Como las ilustraciones son fundamentales para apren-der y disfrutar de la microbiología, todas ellas son a color, y se han utilizado numerosas fotografías excelentes también a todo color. Con ello no sólo se realza el atractivo del texto, también la eficacia didáctica de cada figura, y por tanto se ha invertido considerable esfuerzo en los dibujos. Gran parte de los dibujos utilizados en la cuarta edición ha sido retoca-da y mejoraretoca-da para su empleo en esta quinta edición. Los dibujos nuevos se han realizado bajo la supervisión directa de un editor artístico y de los autores, en la idea de ilustrar y reforzar determinados puntos del texto. En consecuencia, cada ilustración guarda relación directa con los párrafos a los que acompaña, y se cita específicamente allí donde pro-cede. Se ha tenido un exquisito cuidado en situar las ilustra-ciones lo más cerca posible del lugar donde se citan, y se ha revisado la exactitud y la claridad de cada figura y de su pie correspondiente.
Temas en el libro
Al menos siete temas dirigen el curso de la obra, aunque alguno de ellos pueda ser más evidente que los otros en cier-tos puncier-tos. Escier-tos temas son los siguientes:
1. El desarrollo de la microbiología como ciencia. 2. La naturaleza e importancia de las técnicas empleadas
para aislar, cultivar, observar e identificar los microorganismos.
3. El control de los microorganismos y la reducción de sus efectos perjudiciales.
4. La importancia de la biología molecular para la microbiología.
5. La importancia médica de la microbiología. 6. Las distintas maneras en que los microorganismos
interactúan con su entorno y las consecuencias prácticas de estas interacciones.
7. Las influencias de los microorganismos y las aplicaciones de la microbiología en la vida cotidiana.
Estos temas contribuyen a la unificación y refuerzan la continuidad del texto. El estudiante llegará a encariñarse con la actividad de los microbiólogos y su repercusión en la sociedad.
Novedades que aporta la quinta edición
En la quinta edición se han efectuado muchos cambios y mejoras sustanciales, entre ellos:
1. Se ha modificado la organización general del texto para ofrecer un flujo más lógico de los temas y poner un mayor énfasis en la ecología microbiana. La síntesis de ácidos nucleicos y de proteínas se ha trasladado a los capítulos de genética para integrar la discusión de la estructura de los genes, su replicación, expresión y regulación. La tecnología del DNA recombinante constituye ahora una sección aparte que contiene además un capítulo sobre genómica
microbiana. Los tres capítulos de introducción a la ecología microbiana se colocan ahora después del estudio de la diversidad microbiana, acercándose así ésta a la parte en que se presentan los principios básicos de la microbiología. La Parte IX contiene ahora una descripción de la resistencia inespecífica del huésped, así como una introducción a los fundamentos de la inmunología. Se discuten las asociaciones simbióticas en el contexto de la ecología microbiana. Se dedica un capítulo completo a la patogenia microbiana, agrupado con otros aspectos de índole médica en la Parte X.
2. Asimismo se han ampliado las herramientas pedagógicas. Una nueva sección con dos o más Cuestiones para reflexionar sigue a la sección de Preguntas para razonar y repasar. Se han numerado las principales secciones de cada capítulo para incrementar la precisión de las referencias cruzadas. El resumen contiene referencias en negrita a tablas y figuras que servirán para el repaso del capítulo.
3. Se han añadido ilustraciones nuevas a prácticamente todos los capítulos. Además, nuestro editor artístico ha revisado minuciosamente cada figura, y retocado muchas para mejorar su aspecto y su utilidad. 4. Se han revisado y actualizado todas las secciones de
referencias bibliográficas.
Además de estos cambios generales en el texto, se han actua-lizado todos los capítulos, algunos de ellos con modificacio-nes sustanciales. Algunas de las principales mejoras son las siguientes:
Capítulo 1. Se han añadido un recuadro con los postulados de Koch y una nueva sección sobre el futuro de la microbiología.
Capítulo 2. Se describen las técnicas de microscopía de contraste de interferencia diferencial y microscopía confocal.
Capítulo 3. Se aportan más detalles sobre el mecanismo de movilidad flagelar.
Capítulo 5. Se describen la captación de fosfatos y los transportadores ABC.
Capítulo 6. Contiene información nueva sobre las proteínas de la inanición, la limitación del crecimiento por factores ambientales, los procariotas viables pero no cultivables y la autoinducción (quorum sensing). Capítulo 8. Se han combinado las descripciones de
regulación metabólica y control de la actividad enzimática con la introducción a la energía y a las enzimas.
Capítulo 9. Se ha reescrito la descripción general del metabolismo para facilitar su comprensión, y se han actualizado y ampliado las secciones sobre transporte de electrones, fosforilación oxidativa y respiración anaerobia.
Capítulo 11. Este capítulo se centra en la estructura de los ácidos nucleicos y de los genes, las mutaciones y la reparación del DNA. Se ha añadido información nueva sobre metilación del DNA.
Capítulo 12. Se ha trasladado aquí la información sobre expresión génica (transcripción y síntesis proteica), combinada con una extensa discusión sobre la regulación de la misma. Se han añadido secciones nuevas, sobre sistemas de regulación global y sistemas de fosfotransferencia de dos componentes.
Capítulo 15. Capítulo nuevo que aporta una breve introducción a la genómica microbiana, incluyendo comentarios sobre secuenciación del genoma, bioinformática, características generales de los genomas microbianos y genómica funcional.
Capítulo 18. Se ha actualizado la taxonomía de los virus y se han añadido esquemas de ciclos vitales.
Capítulo 19. Se ha añadido material sobre taxonomía polifásica y los efectos de la transferencia génica horizontal sobre los árboles filogenéticos. Se ha revisado y actualizado la introducción a la segunda edición del Manual Bergey.
Capítulos 20-24. Se han revisado a fondo los capítulos de estudio de procariotas para adaptarlos a la segunda edición del Manual Bergey.
Capítulo 28. Este capítulo, antaño el 40, ha sido reescrito en gran parte para abordar el tema de la simbiosis y las interacciones microbianas (mutualismo,
protocooperación, comensalismo, predación, competición, etc.). Se ha añadido un apartado sobre desplazamiento microbiano entre ecosistemas, y se ha ampliado la discusión sobre biofilms y tapetes microbianos.
Capítulo 29. El capítulo sobre microorganismos en el medio acuático incluye información nueva sobre temas como los flujos de oxígeno en el agua, el bucle
microbiano, Thiomargarita namibiensis,
microorganismos en agua dulce y estándares para el agua corriente potable.
Capítulo 30. Trata de los microorganismos sobre suelos de zonas frías y húmedas, suelos de desiertos y suelos geotérmicos hipertermales. Se describen con mayor extensión los efectos del nitrógeno, el fósforo y los
gases atmosféricos sobre las plantas y el suelo. Existe una sección nueva sobre la biosfera del subsuelo. Capítulo 31. El capítulo se ha reorganizado y describe la
microbiota normal y la resistencia inespecífica. Se han incluido descripciones de la resistencia del huésped, y de las células, tejidos y órganos que componen el sistema inmunitario, así como una introducción a las vías del complemento alternativa y de la lectina. Se presenta también un resumen de las propiedades y funciones de las citoquinas.
Capítulo 32. Se han traído a este capítulo todos los aspectos de la inmunidad específica en aras de la claridad y la coherencia. El capítulo contiene una visión general de la inmunidad específica, una discusión sobre antígenos y anticuerpos y la acción de estos últimos, la biología de las células T y de las células B, la vía clásica del complemento y una sección sobre tolerancia inmunitaria adquirida. Finaliza con un resumen del papel de los anticuerpos y los linfocitos en la resistencia.
Capítulo 33. Capítulo nuevo sobre inmunología médica que contiene aspectos prácticos directamente relacionados con la salud y la microbiología clínica: vacunas e inmunizaciones, trastornos inmunitarios e interacciones antígeno-anticuerpo in vitro, que previamente aparecían dispersos en tres capítulos. La sección sobre vacunas se ha ampliado notablemente. Capítulo 34. Se ha extendido la descripción de la
patogenicidad microbiana hasta constituir un capítulo aparte. Se han ampliado o añadido varios temas: regulación de los factores de virulencia bacterianos e islas de patogenicidad, mecanismos de acción de exotoxinas y mecanismos microbianos para escapar de las defensas del huésped.
Capítulo 37. En el capítulo de epidemiología se ha ampliado la discusión sobre las enfermedades emergentes y se han añadido secciones nuevas sobre bioterrorismo y los efectos sobre la salud de los viajes por el mundo.
Capítulos 38-40. Se han actualizado los capítulos dedicados al estudio de las enfermedades, y las enfermedades bacterianas se agrupan ahora en un solo capítulo. Se ha añadido información nueva sobre herpes genital, listeriosis, empleo terapéutico de las toxinas de clostridios y otros temas. Se aporta una tabla nueva que describe las enfermedades de transmisión sexual más habituales y su tratamiento.
Capítulo 41. La novedades relativas a microbiología de los alimentos incluyen el empaquetado en atmósfera modificada, las toxinas de las algas, las bacteriocinas como conservantes, la nueva variante de la
enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, la intoxicación alimentaria por alimentos crudos, las nuevas técnicas para el estudio de brotes de enfermedades
relacionadas con los alimentos y el empleo de probióticos en la dieta.
Capítulo 42. Se ha revisado el capítulo sobre
microbiología industrial y biotecnología para incluir los últimos avances debidos a las nuevas técnicas
moleculares. Se ha añadido una sección sobre desarrollo y selección de microorganismos para uso industrial. Se han añadido o revisado de forma importante temas como la síntesis de productos de aplicación médica, la biodegradación de pesticidas y otros contaminantes, la adición de microorganismos al medio ambiente y el empleo de la tecnología de micromatrices (microarrays).
Ayudas para el estudiante
Las ayudas pedagógicas para el estudiante son inestimables. La más importante es la precisión, pero si el texto no es claro, fácil de leer y atractivo, su actualización y su preci-sión son gasto inútil porque el estudiante no lo leerá. Los estudiantes deben ser capaces de comprender el material que se les presenta, de utilizar eficazmente el texto como instru-mento de aprendizaje, y de disfrutar con su lectura.
Con fines de eficacia didáctica, un texto debe presentar la ciencia microbiológica con claridad. Para ello se ha recu-rrido a ciertas ayudas que facilitan las tareas de enseñanza y aprendizaje. A continuación del Prefacio, la sección especial dirigida al estudiante revisa los principios de un aprendizaje eficaz, entre ellos la técnica de estudio SQ4R: estudio
(sur-vey), preguntas (question) y las 4 R de lectura (read), repaso
(revise), registro (record) y revisión (review). Las ayudas recogidas en cada capítulo se describen en la sección de Visita guiada.
Además, el texto contiene un glosario, un índice y cinco apéndices. El extenso glosario define los términos más importantes de cada capítulo e incluye referencias de pagi-nación. La mayor parte de las definiciones no se ha tomado directamente del texto, sino que se ha escrito de nuevo para facilitar la comprensión del estudiante. Para facilitar la con-sulta y el acceso al contenido del texto, la quinta edición está dotada de un índice detallado y amplio. Los apéndices apor-tan información extra sobre principios químicos y rutas
metabólicas, junto a un mayor detalle de la taxonomía de bacterias y virus. Para ayudar al estudiante en el terreno siempre cambiante de la taxonomía de procariotas, el apén-dice III ofrece la clasificación de estos seres vivos siguiendo la primera edición del Bergey’s Manual of Systematic
Bacte-riology, mientras que el apéndice IV aporta la clasificación
de la segunda edición del mismo manual.
Material complementario
El siguiente material didáctico tan sólo está disponible en su versión inglesa.
Para el estudiante
1. Student Study Guide 2. Interactive E-TEXT 3. Microbes in Motion 4. Hyperclinic
5. Laboratory Exercises in Microbiology 6. Microbiology Study Cards
Para el profesor
1. Testing CD 2. Transparencies
3. Visual Resource Library 4. Projection Slides
5. Customized Laboratory Manual
6. PageOut, PageOut Lite y McGraw-Hill Course
Solutions
Recursos en la red
Prescott 2002 Online Learning Center. Puede visitarse la
dirección www.mhhe.com/prescott5
Agradecimientos
Los autores desean dar las gracias a los revisores que aportaron sus críticas y análisis detallados. Sus sugerencias han servido para mejorar enormemente el producto final.
Revisores para la primera y la segunda ediciones
Richard J. Alperin, Community College
of Philadelphia
Susan T. Bagley, Michigan
Technological University
Dwight Baker, Yale University R. A. Bender, University of Michigan Hans P. Blaschek, University
of Illinois
Dennis Bryant, University of Illinois Douglas E. Caldwell, University of
Saskatchewan
Arnold L. Demain, Massachusetts
Institute of Technology
A. S. Dhaliwal, Loyola University of
Chicago
Donald P. Durand, Iowa State
University
John Hare, Linfield College Robert B. Helling, University of
Michigan-Ann Arbor
Barbara Bruff Hemmingsen, San Diego
State University
R. D. Hinsdill, University of
Wisconsin-Madison
John G. Holt, Michigan State
University
Robert L. Jones, Colorado State
Prefacio xxiii Martha M. Kory, University of Akron
Robert I. Krasner, Providence
College
Ron W. Leavitt, Brigham Young
University
David Mardon, Eastern Kentucky
University
Glendon R. Miller, Wichita State
University
Richard L. Myers, Southwest Missouri
State University
G. A. O’Donovan, North Texas State
University
Pattle P. T. Pun, Wheaton College Ralph J. Rascati, Kennesaw State
College
Albert D. Robinson, SUNY-Potsdam Ronald Wayne Roncadori, University
of Georgia-Athens
Ivan Roth, University of
Georgia-Athens
Thomas Santoro, SUNY-New Paltz Ann C. Smith, University of
Maryland, College Park
David W. Smith, University of
Delaware
Paul Smith, University of South
Dakota
James F. Steenbergen, San Diego State
University
Henry O. Stone, Jr., East Carolina
University
James E. Struble, North Dakota State
University
Kathleen Talaro, Pasadena City
College
Thomas M. Terry, The University of
Connecticut
Michael J. Timmons, Moraine Valley
Community College
John Tudor, St. Joseph’s University Robert Twarog, University of North
Carolina
Blake Whitaker, Bates College Oscar Will, Augustana College Calvin Young, California State
University-Fullerton
Revisores para la tercera y la cuarta ediciones
Laurie A. Achenbach, Southern
Illinois University
Gary Armour, MacMurray College Russell C. Baskett, Germanna
Community College
George N. Bennett, Rice University Prakash H. Bhuta, Eastern
Washington University
James L. Botsford, New Mexico State
University
Alfred E. Brown, Auburn University Mary Burke, Oregon State University David P. Clark, Southern Illinois
University
William H. Coleman, University of
Hartford
Donald C. Cox, Miami University Phillip Cunningham, Wayne State
University
Richard P. Cunningham, SUNY at
Albany
James Daly, Purchase College, SUNY Frank B. Dazzo, Michigan State
University
Valdis A. Dzelzkalns, Case Western
Reserve University
Richard J. Ellis, Bucknell University Merrill Emmett, University of
Colorado at Denver
Linda E. Fisher, University of
Michigan-Dearborn
John Fitzgerald, University of Georgia Harold F. Foerster, Sam Houston State
University
B. G. Foster, Texas A&M University Bernard Frye, University of Texas at
Arlington
Katharine B. Gregg, West Virginia
Wesleyan College
Eileen Gregory, Rollins College Van H. Grosse, Columbus
College-Georgia
Maria A. Guerrero, Florida
International University
Robert Gunsalus, UCLA
Barbara B. Hemmingsen, San Diego
State University
Joan Henson, Montana State
University
William G. Hixon, St. Ambrose
University
John G. Holt, Michigan State
University
Ronald E. Hurlbert, Washington State
University
Robert J. Kearns, University
of Dayton
Henry Keil, Brunel University Tim Knight, Oachita Baptist
University
Robert Krasner, Providence College
Michael J. Lemke, Kent State
University
Lynn O. Lewis, Mary Washington
College
B. T. Lingappa, College of the Holy
Cross
Vicky McKinley, Roosevelt
University
Billie Jo Mello, Mount Marty
College
James E. Miller, Delaware Valley
College
David A. Mullin, Tulane University Penelope J. Padgett, Shippensburg
University
Richard A. Patrick, Summit Editorial
Group
Bobbie Pettriess, Wichita State
University
Thomas Punnett, Temple University Jo Anne Quinlivan, Holy Names
College
K. J. Reddy, SUNY-Binghamton David C. Reff, Middle Georgia
College
Jackie S. Reynolds, Richland College Deborah Rochefort, Shepherd College Allen C. Rogerson, St. Lawrence
University
Michael J. San Francisco, Texas Tech
University
Phillip Scheverman, East Tennessee
University
Michael Shiaris, University of
Massachusetts at Boston
Carl Sillman, Penn State University Ann C. Smith, University of Maryland David W. Smith, University of
Delaware
Garriet W. Smith, University of South
Carolina at Aiken
John Stolz, Duquesne University Mary L. Taylor, Portland State
University
Thomas M. Terry, University of
Connecticut
Thomas M. Walker, University of
Central Arkansas
Patrick M. Weir, Felician College Jill M. Williams, University of
Glamorgan
Heman Witmer, University of Illinois
at Chicago
Elizabeth D. Wolfinger, Meredith
College
La publicación de un libro de texto requiere el esfuerzo de muchas personas además de los autores. Queremos expresar un agradecimiento especial a la plantilla de editorial y pro-ducción de McGraw-Hill, por su excelente trabajo. En parti-cular, queremos dar las gracias a Deborah Allen, la editora del proyecto, por su orientación, su paciencia, su estímulo y su apoyo. La coordinadora de nuestro proyecto, Vicki Krug, supervisó la producción de esta compleja tarea con atención y detalle encomiables. Liz Rudder, nuestra editora artística, trabajó arduamente en la revisión y la mejora de todas las ilustraciones de esta edición, tanto de las nuevas como de las procedentes de la edición anterior. Beatrice Sussman, revi-sora de pruebas desde la segunda hasta la cuarta edición, ha corregido otra vez aquí nuestros errores y contribuido inmensamente a la claridad, la coherencia y la facilidad de lectura del texto.
Cada uno de nosotros desea extender su agradecimiento a aquellas personas que nos ayudaron a nivel individual en la marcha del trabajo. Lansing Prescott quiere dar las gracias a George M. Garrity, editor en jefe de la segunda edición del
Bergey’s Manual, por su ayuda en la preparación de esta
quinta edición. La revisión de la clasificación de procariotas no habría sido posible sin su ayuda. También queremos agra-decer a Amy Cheng Vollmer su aportación de cuestiones para reflexionar a cada capítulo. Seguramente enriquecerán mucho la experiencia de aprendizaje del estudiante. John Harley recibió una gran ayuda de James Snyder en la sección de bioterrorismo. Donald Klein desea agradecer la ayuda de Jeffrey O. Dawson, Frank B. Dazzo, Arnold L. Demain, Frank G. Ethridge, Zoila R. Flores Bustamante, Michael P. Shiaris, Donald B. Tait y Jean K. Whelan.
Por último, pero en primer lugar por su importancia, queremos dar las gracias a nuestras familias por su paciencia y su ánimo, especialmente a nuestras mujeres, Linda Pres-cott, Jane Harley y Sandra Klein. A ellas dedicamos este libro. Lansing M. Prescott John P. Harley Donald A. Klein
Revisores de la
quinta edición
Stephen Aley, University of Texas at
El Paso
Susan Bagley, Michigan
Technological University
Robert Benoit, Virginia Polytechnic
Institute and State University
Dennis Bazylinski, Iowa State
University
Richard Bernstein, San Francisco
State University
Paul Blum, University of Nebraska Matthew Buechner, University of
Kansas
Mary Burke, Oregon State
University
James Champine, Southeast Missouri
State University
John Clausz, Carroll College James Cooper, University of
California at Santa Barbara
Daniel DiMaio, Yale University Leanne Field, University of Texas
Philip Johnson, Grande Prairie
Regional College
Duncan Krause, University of Georgia Diane Lavett, Georgia Institute of
Technology
Ed Leadbetter, University of
Connecticut
Donald Lehman, University of
Delaware
Mark Maloney, Spelman College Maura Meade-Callahan, Allegheny
College
Ruslan Medzhitov, Yale University
School of Medicine
Al Mikell, University of Mississippi Craig Moyer, Western Washington
University
Rita Moyes, Texas A&M University David Mullin, Tulane University Richard Myers, Southwest Missouri
State University
Anthony Newsome, Middle Tennessee
State University
Wade Nichols, Illinois State
University
Ronald Porter, Pennsylvania State
University
Sabine Rech, San Jose State
University
Anna-Louise Reysenbach, Portland
State University
Thomas Schmidt, Michigan State
University
Linda Sherwood, Montana State
University
Michele Shuster, University of
Pittsburgh
Joan Slonczewski, Kenyon College Daniel Smith, Seattle University Kathleen C. Smith, Emory
University
James Snyder, University of Louisville
School of Medicine
William Staddon, Eastern Kentucky
University
John Stolz, DuQuesne University Thomas Terry, University of
Connecticut
James VandenBosch, Eastern
C A P Í T U L O
3
Estructura y función
de la célula procariota
Índice
3.1 Resumen de la estructura de la célula procariota 44 Tamaño, forma y agrupamiento 44 Organización de la célula procariota 47 3.2 Membranas de la célula procariota 48 Membrana plasmática 48 Sistemas internos de membrana 51 3.3 La matriz citoplasmática 52 Cuerpos de inclusión 52 Ribosomas 55 3.4 Nucleoide 55 3.5 La pared de las célulasprocariotas 57
Estructura del peptidoglicano 59 Pared celular de las bacterias
Gram positivas 59 Pared celular de las bacterias
Gram negativas 61 Mecanismo de la tinción de
Gram 64
La pared celular y protección osmótica 64
3.6 Componentes externos a la pared celular 65
Cápsulas, «slime» y capas S 65 Pili y fimbriae 66
Flagelos y movilidad 66
3.7 Quimiotaxis 70 3.8 Endospora bacteriana 72
Conceptos
1. Las bacterias son pequeñas y de estructura sencilla cuando se comparan con las células eucariotas, incluso, a menudo, tienen formas y tamaños característicos.
2. Aunque poseen una membrana plasmática, necesaria para todas las células vivas, las bacterias carecen normalmente de sistemas extensos y complejos de membrana.
3. La matriz citoplasmática normalmente contiene varios constituyentes que no están rodeados por una membrana: cuerpos de inclusión, ribosomas y el nucleoide con el material genético. 4. La pared celular procariótica es química y
morfológicamente compleja, y casi siempre contiene peptidoglicano. La mayoría de las bacterias se pueden clasificar en Gram positivas o Gram negativas en función de la estructura de la pared celular y de la respuesta a la tinción de Gram.
5. Los componentes como cápsulas y fimbriae se localizan fuera de la célula. Uno de éstos es el flagelo, que muchas bacterias utilizan como propulsor para desplazarse hacia las sustancias atrayentes o alejarse de las repelentes. 6. Algunas bacterias forman endosporas, formas
latentes de resistencia, para sobrevivir condiciones ambientales extremas.
Las especies bacterianas pueden diferir en los patrones de distribución de sus flagelos. Estas células de Pseudomonas tienen un único flagelo polar que utilizan para su locomoción.
I
ncluso un examen superficial del mundo microbiano revelaría que las bacterias son uno de los grupos más importantes de seres vivos, desde cualquier criterio: número de organismos, importancia ecológica general, o importancia práctica para los seres humanos. De hecho, la mayor parte de nuestro conocimiento sobre los fenómenos bioquímicos y de biología molecular proceden de la investiga-ción con bacterias. Aunque gran parte de la investigainvestiga-ción se ocupa de microorganismos eucariotas, el núcleo principal radica en los procariotas. En consecuencia, la sección sobre morfología microbiana comienza con la estructura de los pro-cariotas. Como se mencionó en el Capítulo 1 (véase la p. 12), hay dos grandes grupos de procariotas bien diferenciados: Bacteria y Archaea. Este capítulo se va a centrar principal-mente en la morfología de Bacteria; en el Capítulo 20 se dis-cutirá la composición y estructura celular de Archaea. Para evitar confusiones, debe recordarse que, en sentido general, debe emplearse el término procariota, que incluye a Bacteria y Archaea; el término bacteria se refiere específicamente a las células del dominio Bacteria. Eucariotas, procariotas y composición del mundo microbiano (pp. 12; 95-96). El dominio Archaea (pp. 487-503).3.1
Resumen de la estructura de la célula
procariota
Como gran parte de este capítulo se va a ocupar de la des-cripción de componentes celulares individuales, a continua-ción se expone un resumen general sobre la célula procario-ta en su conjunto.
Tamaño, forma y agrupamiento
Se podría esperar que organismos pequeños, relativamente simples como las bacterias, fuesen uniformes en cuanto a forma y tamaño. Aunque es cierto que muchas bacterias tie-nen una morfología similar, existen importantes variaciones (Figuras 3.1 y 3.2; véanse también las Figuras 2.8 y 2.15).
L
a época en que los científicos solían considerar a las bacterias como pequeñas bolsas de enzimas finalizó hace mucho tiempo.Howard J. Rogers.
Figura 3.1 Bacterias representativas. Observación con el microscopio óptico de bacterias teñidas. (a) Staphylococcus aureus; obsérvense las células esféricas Gram positivas en racimos irregulares; tinción de Gram (× 1000). (b) Enterococcus faecalis; obsérvense las cadenas de cocos; contraste de fases (× 200). (c) Bacillus megaterium, bacteria en forma de bacilo formando cadenas; tinción de Gram (× 600). (d) Rhodospirillum rubrum; contraste de fases (× 500). (e) Vibrio cholerae; bacilos curvados con flagelos polares (× 1000).
(a)
(b)
(c)
(d)
En esta sección se describen los principales modelos morfo-lógicos y se mencionan interesantes variantes en procariotas (Capítulos 20-24).
La mayoría de las bacterias conocidas presentan forma de coco o de bacilo. Los cocos son células casi esféricas. Pueden existir como células individuales, pero se asocian también en agrupaciones características que son útiles fre-cuentemente para identificar a las bacterias. Los diplococos se forman cuando los cocos se dividen y permanecen juntos para constituir pares (Neisseria; Figura 2.15d). Cuando las células después de dividirse repetidamente en un mismo plano no se separan, se forman cadenas largas de cocos; este modelo se observa en los géneros Streptococcus,
Enterococ-cus y LactococEnterococ-cus (Figura 3.1b). Las bacterias del género Staphylococcus se dividen en planos aleatorios para generar
racimos irregulares similares a los de las uvas (Figura 3.1a). Las divisiones en dos o tres planos consecutivos perpendicu-lares entre sí pueden producir racimos simétricos de cocos:
los miembros del género Micrococcus se dividen a menudo en dos planos para formar paquetes cuadrados de cuatro células denominados tétradas; en el género Sarcina los cocos se dividen en tres planos, formando paquetes cúbicos de ocho células.
La otra forma común bacteriana es el bastoncillo, deno-minado bacilo. Bacillus megaterium es el ejemplo clásico de una bacteria con forma de bastoncillo (Figura 3.1c; véase
también la Figura 2.15a, c). Los bacilos varían
considerable-mente en la proporción entre longitud y diámetro, siendo los cocobacilos tan cortos y anchos que parecen cocos. La forma del extremo del bacilo varía a menudo entre especies; puede ser plana, redondeada, en forma de puro o bifurcada. Aunque muchos bacilos aparecen aislados, pueden permanecer juntos después de dividirse, formando parejas o cadenas (p. ej.,
Bacillus megaterium forma largas cadenas). Unas pocas
bac-terias con forma de bastoncillo, los vibrios, son curvados, con forma de coma o de espiral incompleta (Figura 3.1e).
3.1 Resumen de la estructura de la célula procariota 45
Figura 3.2 Bacterias con formas atípicas. Ejemplos de bacterias con formas diferentes a los tipos de bacilo y coco. (a) Actinomyces, MEB (× 21 000). (b) Mycoplasma pneumoniae, MEB (× 62 000). (c) Spiroplasma, MEB (× 13 000). (d) Hyphomicrobium con hifas y yema; microfotografía electrónica con tinción negativa. (e) Bacteria cuadrada de Walsby. (f) Gallionella ferruginea con un pedúnculo.
(a) (b) (c) (d) (e) (f) Yema Hifa Hifa
2
µm
A parte de estas dos formas más frecuentes, las bacterias pueden adquirir una gran variedad de formas. Los actinomice-tos forman largos filamenactinomice-tos multinucleados característicos, o hifas, que pueden ramificarse para constituir una red denomi-nada micelio (Figura 3.2a). Muchas bacterias poseen una forma semejante a bacilos largos retorcidos como espirales o hélices; se denominan espirilos si son rígidos, y espiroquetas cuando son flexibles (Figuras 3.1d, 3.2c; véase también la
Figura 2.8a,c). El microorganismo Hyphomicrobium, de
forma ovalada a pera (Figura 3.2d), produce una yema al final de la larga hifa. Otras bacterias como Gallionella forman pedúnculos (Figura 3.2f). Pocas bacterias son realmente pla-nas. Por ejemplo, Anthony E. Walsby ha descubierto bacterias cuadradas en charcas salinas (Figura 3.2e). Estas bacterias tie-nen una forma parecida a cajas planas, cuadradas a rectangula-res, de aproximadamente 2 × 2-4 µm y sólo 0.25 µm de grosor. Finalmente, algunas bacterias pueden presentar formas varia-bles (Figura 3.2b); se denominan pleomórficas, aunque, gene-ralmente, pueden tener forma bacilar, como Corynebacterium. En conjunto, el grupo bacteriano también varía en ta-maño tanto como en forma (Figura 3.3). Las más pequeñas
(p. ej., miembros del género Mycoplasma) tienen aproxima-damente 0.3 µm de diámetro, casi el tamaño de los virus más grandes (poxvirus). Recientemente, se han publicado investigaciones sobre células incluso menores. Las nanobac-terias o ultramicrobacnanobac-terias tienen un diámetro aproximado de entre 0.2 µm y menos de 0.05 µm. Se han cultivado en el laboratorio algunas cepas, pero la mayoría son sencillamen-te objetos muy pequeños similares a bacsencillamen-terias, que sólo se pueden observar microscópicamente. Algunos microbiólo-gos piensan que las nanobacterias son artefactos; es preciso realizar más investigaciones para aclarar la importancia de estas formas bacterianas. Escherichia coli, bacilo de tamaño medio, mide 1.1-1.5 µm de ancho y 2.0-6.0 µm de largo. Algunas bacterias son bastante grandes; la cianobacteria
Oscillatoria tiene un diámetro de casi 7 µm (el mismo que
un eritrocito), y algunas espiroquetas pueden alcanzar oca-sionalmente una longitud de 500 µm. Se ha descubierto una bacteria enorme en el intestino del pez cirujano Acanthurus
nigrofuscus. La bacteria Epulopiscium fishelsoni presenta un
tamaño de 600 por 80 µm, algo menor que un guión impre-so. Más recientemente, ha sido descubierta una bacteria aún
Figura 3.3 Tamaño de bacterias y virus. Se relacionan los tamaños aproximados de algunas bacterias con el de los eritrocitos y virus.
Espécimen Diámetro ×× longitud,
en nm Oscillatoria Eritrocito 7000 E. coli 1300 × 4000 Rickettsia 475 Poxvirus 230 × 320 Virus de la gripe 85 Bacteriófago T2 de E. coli 65 × 95 Virus del mosaico del tabaco 15 × 300 Virus de la poliomielitis 27
más grande en sedimentos oceánicos, Thiomargarita
nami-biensis (Recuadro 3.1). En definitiva, algunas bacterias
tie-nen un tamaño incluso mayor que la media de las células eucariotas (las típicas células de plantas y animales presen-tan un diámetro de 10-50 µm).
Organización de la célula procariota
Las células procariotas contienen numerosas estructuras. Sus funciones principales se resumen en la Tabla 3.1, y la Figura 3.4 ilustra muchas de ellas. No están todas las
3.1 Resumen de la estructura de la célula procariota 47
Recuadro 3.1
Microbios monstruosos
L
os biólogos han diferenciado a menudo las célulasproca-riotas de las eucaproca-riotas por su tamaño. Generalmente, las procariotas son más pequeñas que las eucariotas. Las células procariotas crecen muy rápido en comparación con la mayoría de las eucariotas, y carecen de los complejos sistemas de transporte vesicular que poseen las células eucariotas (véase el Capítulo 4). Se ha asumido que deben ser pequeñas por la necesidad de una proporción mayor entre superficie y volumen, y así, por ejemplo, favorecer la difusión intracelular de nutrien-tes. Por ello, cuando Fishelson, Montgomery y Myrberg descu-brieron un microorganismo grande, con forma de puro, en el intestino del pez cirujano, Acanthurus nigrofuscus, propusieron en su artículo publicado en 1985, que era un protista. Este micro-organismo era demasiado grande para ser otra cosa. En 1993, Esther Angert, Kendall Clemens y Norman Pace emplearon téc-nicas para comparar secuencias de rRNA ( p. 468) que les permi-tieron identificar a este microorganismo, denominado actual-mente Epulopiscium fishelsoni, como un procariota próximo al género Gram positivo Clostridium.
E. fishelsoni [latín epulum, banquete, y piscium, pez] cuya longitud es normalmente de 200 a 500 µm, puede alcanzar un tamaño de 80 µm por 600 µm (véase la figura del recuadro). Tiene, aproximadamente, un volumen mil veces superior al de Escherichia coli. A pesar de su gran tamaño, este organismo posee una estructura celular procariota. Es móvil y nada a una velocidad de unas dos veces su longitud por segundo (aproxima-damente, 2.4 cm/min) usando los flagelos de tipo bacteriano que cubren su superficie. El citoplasma contiene nucleoides grandes y muchos ribosomas, como sería necesario para una célula tan grande. Epulopiscium puede superar los límites de tamaño esta-blecidos para la difusión gracias a una membrana plasmática muy plegada. Esto aumenta el área de la superficie celular y faci-lita el transporte de nutrientes.
Parece que Epulopiscium se transmite de huésped a huésped por contaminación fecal. La bacteria se puede eliminar dejando en ayunas al pez cirujano durante unos días, aunque parece ser que los adultos son resistentes, ya que si se colocan alevines sanos junto a adultos infectados, los alevines se contagiarán, pero no contagiarán a otros adultos sanos.
En 1997, Heidi Schulz descubrió en los sedimentos oceánicos de la costa de Namibia un procariota aún más grande. Thiomarga-rita namibiensis es una bacteria esférica, entre 100 y 750 µm de diámetro, que a menudo forma cadenas. Es unas 100 veces más grande en volumen que E. fishelsoni. Una vacuola ocupa cerca del 98 % de la célula, y contiene un fluido rico en nitratos; ésta está rodeada de una capa de citoplasma de unos 0.5-2.0 µm llena de gránulos de azufre. Esta capa citoplasmática es tan fina como la que presentan la mayoría de las bacterias, para permitir tasas adecuadas de difusión. La oxidación del azufre la utilizan como fuente de energía, siendo el nitrato el aceptor de electrones.
El descubrimiento de estos procariotas limita en gran medi-da la diferenciación entre procariotas y eucariotas en función de su tamaño celular, ya que estos dos procariotas tienen un tamaño mayor que una célula eucariota normal. Además, se ha descu-bierto que algunas células eucariotas son más pequeñas de lo que se pensaba. El mejor ejemplo es Nanochlorum eukaryotum. Nanochlorum tiene sólo de 1 a 2 µm de diámetro, aunque es ver-daderamente eucariota y tiene un núcleo, un cloroplasto y una mitocondria. Es preciso evaluar de nuevo nuestros conocimien-tos sobre los factores que limitan el tamaño de las células proca-riotas. Ya no es seguro asumir que las células grandes son euca-riotas y las pequeñas procaeuca-riotas.
Bacterias gigantes. (a) Esta fotografía, realizada con pseudoiluminación de campo oscuro, muestra a Epulopiscium fishelsoni en la parte superior de la Figura, empequeñeciendo a los paramecios que aparecen en la parte inferior (× 200). (b) Una cadena de células de Thiomargarita namibiensis visualizadas mediante microscopía óptica. Obsérvese la cubierta mucosa externa, así como los glóbulos internos de azufre.
(a)
estructuras de cada género. Además, existen diferencias sig-nificativas en la pared celular de las células Gram negativas y Gram positivas. Sin embargo, a pesar de estas variaciones, se puede considerar que las células procariotas son constan-tes en su estructura fundamental y en la presencia de ciertos componentes fundamentales.
Las células procariotas casi siempre están limitadas por una pared celular químicamente compleja. Separada de ésta
por un espacio periplásmico, se sitúa la membrana plasmáti-ca. Esta membrana puede estar invaginada para formar estructuras membranosas internas. Como la célula procario-ta no contiene orgánulos internos rodeados por membrana, su interior parece morfológicamente muy simple. El mate-rial genético se localiza en una región discreta, el nucleoide, que no está separado del resto del citoplasma por membra-nas. Los ribosomas y otros cuerpos de mayor tamaño, deno-minados cuerpos de inclusión, están dispersos por la matriz del citoplasma. Tanto las células Gram positivas como las Gram negativas pueden utilizar flagelos para desplazarse. Además, muchas células están rodeadas por una cápsula o capa mucosa, externa a la pared celular.
Las células procariotas son morfológicamente mucho más sencillas que las eucariotas. Estos dos tipos celulares se compararán cuando se repase la estructura de la célula euca-riota (véanse las pp. 95-96).
1. ¿Qué formas características pueden adquirir las bacterias? Describa las formas en que las células bacterianas pueden agruparse.
2. Dibuje una célula bacteriana y señale todas sus estructuras importantes.
3.2
Membranas de la célula procariota
Las membranas son un componente imprescindible para todos los organismos vivos. Las células deben interactuar recíprocamente con su ambiente de forma selectiva, tanto si se trata del medio interno de un organismo multicelular como de un medio externo, menos protegido y más variable. Las células no deben ser sólo capaces de tomar nutrientes y eliminar residuos, sino también de mantener su interior en un estado constante, muy organizado frente a cambios exter-nos. La membrana plasmática rodea el citoplasma de las células procariotas y eucariotas. Esta membrana es el punto clave de contacto con el entorno celular y, por ello, es res-ponsable de gran parte de su relación con el mundo exterior. Para comprender la función de la membrana es preciso familiarizarse con su estructura y, particularmente, con la de la propia membrana plasmática.
Membrana plasmática
Las membranas contienen tanto proteínas como lípidos, aunque las proporciones exactas de unas y otros varían ampliamente. Las membranas plasmáticas bacterianas pre-sentan una proporción más alta de proteínas que las de euca-riotas, probablemente debido a las numerosas funciones que realizan; en el caso de eucariotas, dichas funciones se llevan a cabo en membranas de orgánulos internos. La mayoría de
Tabla 3.1
Funciones de las estructuras
de células procariotas
Membrana plasmática Barrera permeable selectiva, frontera mecánica de la célula, transporte de nutrientes y residuos, localización de muchos procesos metabólicos (respiración, fotosíntesis), detección de señales ambientales quimiotácticas Vacuola de gas Hincha la célula para flotar en un medio
acuático Ribosomas Síntesis de proteínas
Cuerpos de inclusión Almacenamiento de carbono, fosfato y otras sustancias
Nucleoide Localización del material genético (DNA) Espacio periplásmico Contiene enzimas hidrolíticas y proteínas
de unión para la captura y transporte de nutrientes
Pared celular Confiere a las bacterias una forma rígida y las protege frente a la lisis en soluciones diluidas
Cápsulas y «slime» Resistencia frente a la fagocitosis, adherencia a superficies
Fimbriae y pili Adherencia a superficies, conjugación bacteriana
Flagelos Movimiento
Endospora Supervivencia en condiciones ambientales adversas
Figura 3.4 Morfología de una bacteria Gram positiva. La mayoría de las estructuras que se muestran en esta figura se encuentran en todas las células Gram positivas. Únicamente se ha incluido una pequeña parte de las proteínas de la capa S para simplificar el dibujo; cuando existen, estas proteínas cubren toda la superficie.
Nucleoide
Flagelo
Ribosoma Cápsula
Cuerpos de inclusión
los lípidos asociados a membranas son estructuralmente asi-métricos, con extremos polares hidrofílicos y no polares hidrofóbicos (Figura 3.5), por tanto son anfipáticos. Los extremos no polares son insolubles en agua y tienden a aso-ciarse entre sí. Esta propiedad de los lípidos les confiere la capacidad de formar membranas en bicapa. Las superficies externas son hidrofílicas, mientras que los extremos hidrofó-bicos quedan inmersos en el interior, lejos del agua circun-dante. Muchos de estos lípidos anfipáticos son fosfolípidos (Figura 3.5). Las membranas bacterianas se diferencian nor-malmente de las de eucariotas en que carecen de esteroles, como colesterol (Figura 3.6a). Sin embargo, muchas
mem-branas bacterianas contienen moléculas pentacíclicas, tipo esteroles, denominadas hopanoides (Figura 3.6b), presentes en gran cantidad en nuestro ecosistema (Recuadro 3.2). Los hopanoides se sintetizan a partir de los mismos precursores que los esteroides. Estas sustancias, cumplirían en procario-tas la misma función que los esteroides en eucarioprocario-tas, esta-bilizar la membrana.
Los componentes lipídicos de la membrana de procario-tas se distribuye en dos capas de moléculas ordenadas de extremo a extremo (Figura 3.7). Por el contrario, muchas membranas de Archaea están conformadas por una monoca-pa de moléculas lipídicas. Archaea (Capítulo 20).
3.2 Membranas de la célula procariota 49
Figura 3.5 Estructura de un lípido polar de membrana. Fosfatidiletanolamina, fosfolípido anfipático, presente a menudo en las membranas bacterianas. Los grupos R son cadenas largas de ácidos grasos no polares.
Etanolamina
Glicerol
Ácidos grasos
Extremo polar e hidrofílico
Cadenas largas de ácidos grasos, no polares, hidrofóbicos
Figura 3.6 Esteroides y hopanoides de membrana. Ejemplos comunes.
HO
OH OH
OH OH
(a) Colesterol (esteroide)
(b) Bacteriohopanetetrol (hopanoide)
Recuadro 3.2
Bacterias y combustibles fósiles
D
urante muchos años ha existido un enorme interés por elorigen de los combustibles fósiles, como carbón y petró-leo. En los océanos hay una constante sedimentación de membranas y otros compuestos orgánicos de procariotas que se depositan en el fondo de los océanos. La formación de los com-bustibles fósiles comienza cuando la materia orgánica queda enterrada antes de que los microorganismos puedan oxidarla a dióxido de carbono. Cuando la materia orgánica está enterrada profundamente y sometida a temperaturas crecientes, en condi-ciones anaerobias, se forman con frecuencia carbón y petróleo. La cantidad de materia que participa en este proceso es enorme. Se ha estimado que la Tierra contiene aproximadamente 1016 toneladas de carbono en los sedimentos.
Existen cada vez más pruebas de que gran parte de la materia orgánica presente en los sedimentos tiene origen
bacte-riano. Cerca del 90 % de estos materiales se encuentra en forma de querogeno, precursor orgánico del petróleo. Recientemente, se ha aislado del querogeno el hopanoide bacteriohopanetetrol (Figura 3.6b), y aumentan las pruebas que demuestran que el querogeno se produce como consecuencia de la actividad bac-teriana. Quizás, las reservas de combustibles fósiles las deba-mos principalmente a las bacterias que sirven como descompo-nedoras finales de la materia orgánica de los organismos muertos.
Se ha estimado que la cantidad total de hopanoides en los sedimentos es de aproximadamente 1011-12
toneladas, tanto como la masa total de carbono orgánico de todos los organismos vivos (1012toneladas). Es posible que los hopanoides sean las molécu-las biológicas más abundantes de nuestro planeta.
Las membranas celulares son estructuras muy delgadas, aproximadamente de 5 a 10 nm de grosor, y sólo pueden verse con el microscopio electrónico. La técnica de criofrac-tura se ha empleado para romper membranas por entre la doble capa lipídica, dividiéndola en dos partes y exponiendo las partes ocultas. De esta forma, se ha descubierto que muchas membranas, incluida la plasmática, tienen una estructura interna compleja. Así, aparecen pequeñas partí-culas globulares, que son proteínas que se sitúan dentro de la doble capa lipídica (Figura 2.26). Técnica de criofractura (p. 35).
El modelo de estructura de membrana más aceptado actualmente es el modelo de mosaico fluido de S. Jona-than Singer y Garth Nicholson (Figura 3.7). Estos inves-tigadores diferenciaron entre dos tipos de proteínas de membrana. Las proteínas periféricas están débilmente conectadas a la membrana y pueden eliminarse fácilmente. Son solubles en soluciones acuosas, y constituyen aproxi-madamente el 20-30 % del total de las proteínas de mem-brana. El resto, 70-80 % de las proteínas de membrana, son proteínas integrales, que no se extraen fácilmente y son insolubles en soluciones acuosas cuando se eliminan los lípidos. Química de proteínas y lípidos (Apéndice I).
Las proteínas integrales, al igual que los lípidos de membrana, son anfipáticas; sus regiones hidrofóbicas están inmersas en la fracción lipídica, mientras que las porciones hidrofílicas sobresalen de la superficie de la membrana (Figura 3.7). Algunas de estas proteínas atraviesan com-pletamente la capa lipídica. Estas proteínas pueden difun-dir lateralmente en la superficie hasta una nueva posición, pero no giran. A menudo, la membrana presenta hidratos de carbono unidos a su superficie externa, que parecen poseer funciones importantes.
La nueva imagen de la membrana celular está formada por un sistema muy organizado y asimétrico, flexible y dinámico a la vez. Aunque, aparentemente las membranas tienen un diseño básico común, existen grandes variaciones en su capacidad, tanto estructural como funcional. Las diferencias son tan grandes y características que la compo-sición química de las membranas se puede utilizar en la identificación.
Las membranas plasmáticas de las células bacterianas tienen que desempeñar satisfactoriamente un número in-creíble de funciones. A continuación, se expondrán muchas de las funciones principales de la membrana plasmática, aunque se describirán más delante de forma individual. La membrana plasmática retiene el citoplasma, particularmen-te crítico en las células sin pared, y lo separa del medio exterior. Esta membrana actúa también como barrera selec-tivamente permeable: permite el paso de iones y moléculas particulares, tanto hacia dentro como hacia fuera de la célula, mientras que evita el tráfico de otras. Por ello, esta membrana evita la pérdida de componentes esenciales, mientras que permite la difusión o transporte de otras moléculas. Como muchas sustancias no pueden atravesar la membrana plasmática sin ayuda, hay que facilitar este movimiento cuando sea necesario. Se pueden emplear sis-temas de transporte para esas actividades, como la absor-ción de nutrientes, la excreabsor-ción de residuos y la secreabsor-ción de proteínas. La membrana plasmática de procariotas es también el lugar donde se desarrollan numerosos procesos metabólicos: respiración, fotosíntesis, síntesis de lípidos y de constituyentes de la pared celular y, probablemente, la segregación cromosómica. Finalmente, la membrana con-tiene moléculas receptoras especiales que ayudan a las bac-terias a detectar y responder a sustancias químicas del
Figura 3.7 Estructura de la membrana plasmática. Este diagrama del modelo de mosaico fluido de la estructura de la membrana plasmática bacteriana muestra a las proteínas integrales (azul) flotando en una doble capa lipídica. Las proteínas periféricas (morado) están asociadas íntimamente con la superficie de la membrana. Las esferas pequeñas representan los extremos hidrofílicos de los fosfolípidos de membrana, y las colas onduladas, las cadenas de ácidos grasos hidrofóbicos. Puede haber también otros lípidos de membrana, como hopanoides (rosa). Para que quede más claro, los fosfolípidos se muestran con un tamaño proporcionalmente muy superior al que poseen en las membranas verdaderas.
Hopanoide Fosfolípido Glucolípido Oligosacárido Hélice α hidrofóbica Proteína periférica Proteína integral Proteína integral
medio exterior. Resulta evidente que la membrana plasmá-tica es esencial para la supervivencia de los microorganis-mos. Ósmosis (p. 64); Transporte de sustancias a través de membranas (pp. 104-109).
Sistemas internos de membrana
Aunque el citoplasma bacteriano no contiene orgánulos membranosos complejos como mitocondrias o cloroplastos, se pueden observar varias clases de estructuras membrano-sas. Una común es el mesosoma. Los mesosomas son inva-ginaciones de la membrana plasmática, conformando vesí-culas, túbulos o lamelas (Figura 3.8 y Figura 3.11). Se observan tanto en las bacterias Gram positivas como en las Gram negativas, aunque son más prominentes, en general, en las primeras.
Los mesosomas a menudo se encuentran próximos a los septos o tabiques que dividen las bacterias, y a veces pare-cen unidas al cromosoma bacteriano. Por ello, se piensa que deben participar en la formación de la pared celular durante la división o desempeñar un papel en la replicación del cro-mosoma y su distribución a las células hijas.
Sin embargo, actualmente, muchos bacteriólogos consi-deran que los mesosomas son artefactos generados durante la fijación química de las bacterias para su observación con el microscopio electrónico. Posiblemente, representan
aque-llas partes de la membrana plasmática con una composición química diferente y que se alteran más con los fijadores.
Muchas bacterias poseen otros sistemas internos de membrana más evidentes diferentes de los mesosomas (Figura 3.9). Los plegamientos de la membrana plasmática pueden ser extensos y complejos en bacterias fotosintéticas, como las cianobacterias y las bacterias púrpuras, o en bac-terias con una intensa actividad respiratoria, como las nitri-ficantes (Capítulo 22). Pueden constituir agregados de vesí-culas esféricas, vesívesí-culas aplanadas, o membranas tubulares. Su función sería la de ofrecer una superficie amplia de membrana para realizar una mayor y más rápida actividad metabólica.
3.2 Membranas de la célula procariota 51
Figura 3.8 Estructura del mesosoma. Bacillus fastidiosus (× 91 000). Se observa un gran mesosoma junto al nucleoide.
«Mesosoma»
Nucleoide
Figura 3.9 Membranas internas bacterianas. Membranas de bacterias nitrificantes y fotosintéticas. (a) Nytrocystis oceanus con membranas paralelas atravesando toda la célula. Obsérvese el nucleoplasma (n) con estructura fibrilar. (b) Ectothiorhodospira mobilis con un sistema extenso de membrana intracitoplasmática (× 60 000).
(b) (a)
n
1. Describa con un diagrama y con palabras el modelo de mosaico fluido de las membranas celulares.
2. Enumere las funciones de la membrana plasmática. 3. Discuta la naturaleza, estructura y posibles funciones del
mesosoma.
3.3
La matriz citoplasmática
La matriz citoplasmática es la sustancia situada entre la membrana plasmática y el nucleoide (p. 55). La matriz está compuesta fundamentalmente por agua (casi el 70 % de la masa bacteriana es agua). La de las células procariotas, a diferencia de la de eucariotas, carece de orgánulos limita-dos por una membrana unitaria. No posee rasgos distintivos en microfotografías electrónicas, pero a menudo está com-pactada con ribosomas y se encuentra muy organizada (Figura 3.10). Proteínas específicas se sitúan en lugares particulares, como el polo celular y el punto donde la célula bacteriana se divide; así, aunque la bacteria carezca de un verdadero citoesqueleto, su matriz citoplasmática presenta un sistema proteico con esa función. La membrana plasmá-tica y todo el contenido interior se denomina protoplasto; por tanto, la matriz citoplasmática es una parte principal del protoplasto.
Cuerpos de inclusión
Numerosos cuerpos de inclusión, gránulos de material orgánico o inorgánico, visibles a menudo con el microsco-pio de luz, se encuentran en la matriz citoplasmática. Estos cuerpos normalmente se utilizan como reserva (p. ej., de compuestos de carbono, sustancias inorgánicas, y de ener-gía), y también pueden reducir la presión osmótica median-te la agregación de moléculas en forma particulada. Algu-nos no están rodeados por una membrana y permanecen libres en el citoplasma —p. ej., gránulos de polifosfato, cianoficina y de glucógeno—. Otros cuerpos de inclusión están rodeados por una membrana no unitaria de una sola capa de aproximadamente 2.0 a 4.0 nm de grosor. Ejemplos de cuerpos de inclusión rodeados por una membrana no unitaria son los gránulos de poli-β-hidroxibutirato, algunos de glucógeno y de azufre, carboxisomas y vacuolas de gas. La composición de los cuerpos de inclusión es variable. Algunos son de naturaleza proteica, mientras que otros con-tienen lípidos. Debido a que algunos cuerpos de inclusión se utilizan como cuerpos de almacenamiento, su cantidad variará dependiendo del estado nutricional de la célula. Por ejemplo, los gránulos de polifosfato desaparecerán en hábi-tats acuáticos en donde el fosfato sea limitante. A continua-ción, se expone una breve descripción de varios cuerpos de inclusión.
Los cuerpos de inclusión orgánicos suelen contener glu-cógeno o poli-β-hidroxibutirato. El glucógeno es un polí-mero de unidades de glucosa, compuesto por cadenas largas formadas por enlaces glucosídicos α (1 → 4) unidos a ca-denas ramificadas por enlaces glucosídicos α (1 → 6) (véase
el Apéndice I). El poli-ββ-hidroxibutirato (PHB) contiene
moléculas de β-hidroxibutirato unidas por enlaces éster entre grupos carboxilos e hidroxilos de moléculas adya-centes. Normalmente, sólo hay presente uno de estos polí-meros orgánicos en una especie, pero las bacterias fotosinté-ticas tienen ambos. El poli-β-hidroxibutirato se acumula en distintos cuerpos de inclusión, de aproximadamente 0.2 a 0.7 µm de diámetro, que se tiñen fácilmente con negro Sudán para observarlos con microscopio óptico, y son clara-mente visibles con el microscopio electrónico (Figura 3.11). El glucógeno se dispersa más uniformemente por la matriz en forma de gránulos pequeños (aproximadamente de 20 a 100 nm de diámetro) y a menudo sólo pueden verse con el microscopio electrónico. Si las células contienen una gran cantidad de glucógeno, al teñirlas con una solución yodada adquieren un color marrón rojizo. Los cuerpos de inclusión de glucógeno y de PHB son reservas de carbono, que apor-tan material para obtener energía y realizar la biosíntesis. Muchas bacterias acumulan también carbono en forma de gotitas lipídicas.
Las cianobacterias tienen dos tipos característicos de cuerpos de inclusión orgánicos, gránulos de cianoficina y carboxisomas. Los gránulos de cianoficina (Figura 3.13a) están compuestos por polipéptidos grandes que contienen aproximadamente la misma cantidad de los aminoácidos arginina y ácido aspártico. Los gránulos son a menudo lo suficientemente grandes para ser visibles con el microscopio óptico y acumulan el exceso de nitrógeno como reserva bac-teriana. Los carboxisomas están presentes en muchas ciano-bacterias, bacterias nitrificantes y tiobacilos. Son poliédricos, de aproximadamente 100 nm de diámetro, y contienen la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa (p. 223) en una disposición paracristalina. Sirven como reserva de esta enzi-ma, y pueden ser el lugar de fijación de CO2.
Un cuerpo de inclusión orgánico realmente extraordina-rio, la vacuola de gas, está presente en muchas cianobacte-rias (véase sección 21.3), así como en bactecianobacte-rias fotosintéti-cas púrpuras y verdes, y en algunas bacterias acuátifotosintéti-cas, como Halobacterium y Thiothrix. Estas bacterias flotan en o cerca de la superficie, gracias a las vacuolas de gas que les confieren flotabilidad. Esto se demuestra claramente con un experimento sencillo, pero eficaz. Las cianobacterias mante-nidas en un frasco lleno y cerrado herméticamente flotarán, pero si se golpea el tapón con un martillo, las bacterias se hundirán hacia el fondo. El examen de las bacterias al inicio y al final del experimento revela que la repentina presión provocada por el martillazo hizo colapsar las vacuolas de gas, eliminando la flotabilidad de los microorganismos.
Las vacuolas de gas son agregados de un gran número de estructuras pequeñas, huecas, cilíndricas, denominadas vesículas de gas (Figura 3.12). La pared de las vesículas de
3.3 La matriz citoplasmática 53 Flagelo Motor flagelar Ribosoma Proteosoma DNA DNA polimerasa Chaperonina Membranas celulares Piruvato deshidrogenasa Espacio periplásmico
Figura 3.10 Dibujo ampliado un millón de veces de un corte transversal de la bacteria Escherichia coli. En la parte superior se observan el glicocálix, el flagelo, la pared celular Gram negativa y la membrana plasmática. Los ribosomas sintetizando proteínas se encuentran en toda la matriz citoplasmática subyacente. En la parte inferior se observa el nucleoide con su densa maraña de DNA y proteínas asociadas.