Estructura de la célula bacteriana

Dos tipos de Bacterias: Eubacterias y Arquibacterias.Arquibacterias: Bacterias que usualmente viven en ambientes extremos (extremófilas). No hay arquibacterias asociadas a patologías en humanos. Los eucariotas tenemos algunas cosas más parecidas a las arquibacterias que a las

eubacterias.Cuando hablamos de estructura de la célula bacteriana hablamos de las

eubacterias: Todas tienen una envoltura que incluye una pared (la pared bacteriana). No tiene núcleo, tiene un único cromosoma circular, se empaca en una estructura

llamada nucleoides en unas proteínas que no son histonas. Tienen unas estructuras de adherencia o de movimiento.

Formando parte de la envoltura algunas bacterias tienen una cápsula: Es la parte más externa de la envoltura y está hecha de polisacáridos, está por fuera

de la pared celular y está firmemente adherida a la bacteria, es difícil de penetrar. Puede tener varias funciones:

o Puede servir como adherencia.o Puede servir como reserva de azúcar y de otros nutrientes.o Puede servir para protección, para disminuir la tasa de difusión de

antibióticos, para evitar la pérdida de nutrientes como el agua, y uno de los mecanismos de patogénesis más importante de las bacterias es que la cápsula las hace más difícilmente fagocitables (son más “resbalosas”).

La pared celular: Mantiene la forma e integridad de la bacteria, le confiere resistencia al estrés

osmótico. Está presente en todas las eubacterias, excepto en los micoplasmas y hay diferencias

evidentes en la estructura de la pared de las Gram positivas y negativas: La pared está hecha de un polisacárido complejo llamado peptidoglican, está

formado por unidades alternantes de dos azúcares: N-acetil glucosamina (NAG) y N-acetil murámico (NAM) y están entrecruzados por tetrapéptidos o pentapéptidos de D-aminoácidos (las dos unidades de azúcar están unidas por enlaces glicosídicos) Las bacterias Gram negativas tienen una capa de peptidoglican más delgada y las

Gram positivas más gruesa. Hay sustancias que afectan la pared, como la lisozima (enzima presente en todas las

secreciones) y la penicillina, que son sustancias que inhiben la síntesis del peptidoglican. Las bacterias Gram negativas aparte de que tienen una capa de peptidoglican más

delgada, tienen lo que se llama una membrana externa, que es una bicapa de fosfolípidos que tiene la particularidad de que en la capa externa de la membrana externa hay una molécula que se llama lipopolisacárido o endotoxina bacteriana (característica de las Gram -). El lipopolisacárido es un lípido que tiene pegado un azúcar, entonces si vemos la

estructura de la envoltura de una bacteria Gram negativa tiene un espacio entre la membrana interna y la membrana externa, se conoce como espacio periplásmico, ahí está la pared de peptidoglican. El lipopolisacárido consta de un disacárido que tiene unidos unos ácidos grasos, el

lípido A y el core que es un hexasacárido que lleva unido azúcares (galactosa, glucosa),

luego tienen lo que se llama el antígeno O o polisacárido O, el cual está formado por un oligosacárido que se repite muchas veces. El lipopolisacárido es pirogénico, es el responsable de que aumente la temperatura

en las infecciones por bacterias Gram negativas, se llama endotoxina, porque la bacteria lo deja cuando muere. También hay otras que se llaman exotoxinas, de naturaleza proteica, la bacteria la

secreta al espacio extracelular y es causante algunas veces de enfermedades. Ejemplos de enfermedades causadas por exotoxinas: la gangrena gaseosa, tétano, el

botulismo. El lipopolisacárido es el causante de lo que se llama choque séptico, a la persona le

da inflamación y llegan las células fagocíticas, pero cuando una infección se disemina, la cantidad de bacterias que llega a la circulación es mucha, con lo que hay una gran cantidad de lipopolisacárido, y va a causar inflamación de todos los tejidos endoteliales, produciendo paro cardiorrespiratorio. El lipopolisacárido lo que hace es estimular a las células inmunológicas de manera inespecífica, produciendo citoquinas proinflamatorias. En los pacientes con toxemia por bacterias Gram Negativas se les da anticuerpos contra el lipopolisacárido y eso ayuda a disminuir el daño, también se les puede dar anticuerpos contra el Factor de Necrosis Tumoral, que es una citoquina. La membrana citoplasmática es una bicapa lipídica con el 50% de proteínas, que

sirven como proteínas transportadoras. En el citoplasma hay ribosomas, que son complejos supramacromoleculas de ARN,

estos pueden estar en el citoplasma o adheridas a la membrana plasmática sintetizando proteínas. Unas bacterias tienen gránulos de reserva con agua o poli-beta-hidroxibutirato. Algunas bacterias tienen la capacidad de producir esporas, en condiciones adversas.

Por ejemplo las del género clostridium, como las que producen el tétano, el botulismo, la gangrena gaseosa. El botulismo es una enfermedad que causa parálisis por una intoxicación alimentaria. La bacteria cuando está en condiciones adversas lo que hace es que segrega material genético, formando varias capas de peptidoglican, haciendo una estructura metabólica inactiva.

Los flagelos son apéndices, son estructuras que están unidas a la envoltura y a la membrana plasmática, hay bacterias que tienen uno o varios flagelos, son estructuras proteicas que tienen un cuerpo basal, que está insertado en la membrana externa y en la membrana interna. Se mueve por gradiente electroquímico de protones, en el motor de los flagelos hay canales para el paso de protones, cuando esos protones pasan y por esto da vueltas.

En cuanto al material genético de las bacterias, tienen un cromosoma único, circular, pueden tener plásmidos, que son elementos de ADN extracromosomal, que se replican de manera autónoma, acarrean frecuentemente genes que confieren ventajas adaptativas a las bacterias, como por ejemplo genes que codifican por enzimas que degradan antibióticos.

Hay bacterias monotricas, anfitricas, lofotricas y peritricas, dependiendo del número de flagelos.

Las fimbrias son estructuras de adhesión, no todas las bacterias tienen fimbrias.Hay pilus sexual que permite la transferencia de material genético entre

bacterias, y esto tiene que ver con los plásmidos de resistencia a antibióticos, por ejemplo las infecciones nosocomiales.

Las bacterias de pendiendo de sus estructuras se dividen en bacilos, cocos; los bacilos son alargaditos y los cocos son redondos. Los cocos pueden formar diplococos, estreptococos o estafilococos. Los cocos son muy comunes, frecuentemente producen

infecciones asociadas a úlceras, también producen toxinas, por ejemplo los tampones que producían infecciones y shock por exotoxinas (se llaman superantígenos) de los estafilococos.

También existen los espirilos como Vibrio cholerae, que produce diarrea muy severa, por una exotoxina que afecta las células endoteliales del intestino; también hay otras bacterias que son las espiroquetas, como el Treponema pallidum, que produce la sífilis.

Luego están las bacterias atípicas, que incluyen las clamidias, que son muy pequeñas tienen 0.2 micras (las bacterias típicas tienen 1-2 micras) algunas producen neumonía. Las rickettsias producen rash, que sin como erupciones. Se clasifican como atípicas porque no se pueden cultivar como las típicas, por lo que su diagnóstico es más difícil, rutinariamente no se hace en Costa Rica.

Luego están los Micoplasmas, que son los organismos más simples, tienen 500 genes.

Estructura de la célula eucariotaLa membrana plasmática:

Las membranas tienen dominios, los componentes de las membranas son esfingolípidos, el principal es la esfingomielina (esfingosina+colina), y el principal glicerofosfolípido es la fosfatidilcolina, también están la fosfatidiletanolamina y la fosfatidilserina. También en las membranas está el colesterol, de los eucariotas, porque en las membranas de procariotas no hay esteroles, excepto en los micoplasmas. Los lípidos están juntos pero no están revueltos, algunos hacen como grupos, están

como flotando peor juntos en las membranas, los lípidos forman dominios; ciertos tipos de lípidos, los esfingolípidos y el colesterol tienden a formar dominios o balsas lipídicas. Las proteínas de membrana se clasifican en periféricas e integrales. Un ejemplo son

las Rafts. Todos los azucares de las membranas, los carbohidratos, los glicolípidos de las

membranas, están por fuera porque en el retículo endoplásmico y en el Aparato de Golgi las glicosilaciones ocurren en el lumen y viajan en vesículas y cuando se fusiona con la membrana queda con las glicosilaciones por fuera (los glicolípidos no sufren flip-flop). La membrana sirve como punto de interacción del citoesqueleto con la matriz

extracelular, en la membrana hay sitios de interacción con otras células, que son importantes para los tejidos y hay diferentes tipos: uniones adherentes, uniones de abertura, los desmosomas y los hemidesmosomas; los desmosomas son puntos de anclaje para el citoesqueleto, las uniones endémicas sellan los epitelios, para que constituyan una barrera, las uniones adherentes son uniones en las que hay uniones especializadas de contacto intercelular, las uniones de abertura permiten el paso de moléculas pequeñas, iones por ejemplo. En las uniones adherentes hay proteínas transmembrana como las cadherinas, que hacen contacto con las cateninas. La claudina y la ocludina son proteínas especializadas de las uniones herméticas, los desmosomas sirven como punto de anclaje y los hemidesmosomas que son sitios de contacto con la matriz extracelular, y las uniones focales son uniones de la célula con la matriz extracelular.

Citoesqueleto:Los microtúbulos, los centros organizadores de los microtúbulos son los

centriolos.

Luego está el núcleo, dentro del núcleo hay nucleolos, el nucleolo es una región con mucha densidad donde ocurre las transducción de los ARNr, es una región especializada del núcleo en donde ocurre transducción y específicamente síntesis de los ARNr.

El citoesqueleto está formado por una red filamentosa, filamentos de actina, filamentos intermedios, microtúbulos.

El citoesqueleto tiene funciones de soporte mecánico, movimientos y adhesión celular, transporte y organización de la célula, división.

Los filamentos intermedios específicamente, tienen que ver con la forma de la célula, mantenimiento de la estructura, protección al estrés mecánico, están formados por proteínas filamentosas, es el principal componente de la formación estructural de los axones, hay filamentos intermedios citoplasmáticos como la queratina, la vimentina, también hay nucleares como neurofilamentos y lamininas que forman parte de la malla que sostiene al núcleo. Hay 4 tipos de filamentos intermedios: las citoqueratinas ácidas, las citoqueratinas básicas que son características de tejido epitelial, las vimentinas que están en tejido mesenquimatoso, la desmina que es específica de músculo y los neurofilamentos. Los filamentos intermedios para los patólogos pueden tener utilidad para identificar un tumor que hizo metástasis, para ver si es un carcinoma (epitelial) o un sarcoma (mesénquima).

Los microtúbulos se forman a través de los centriolos, los centriolos son las estructuras organizadoras de los microtúbulos, en las células ciliadas están en el cuerpo basal; son cilindros huecos formados por dímeros de tubulina, participan en el transporte celular, división, movimiento y organización de las organelas.

Los flagelos en las células eucariotas no son iguales que los flagelos de las bacterias, los flagelos de las células eucariotas, en los mamíferos, los encontramos específicamente en los espermatozoides, la estructura de los flagelos, tienen varios microtúbulos y es un mecanismo de movimiento completamente diferente al de los flagelos bacterianos. Los microtúbulos sirven como carreteras para el transporte de vesículas a lo largo de las células, del citoplasma celular, hay proteínas llamadas proteínas motor como la dyneina y la kinesina, que son las que transportan las vesículas, estas son proteínas que gastan ATP, van haciendo cambios conformacionales uniendo ATP, en milisegundos, es muy importante para el transporte en las células nerviosas. De las proteínas motor unas funcionan hacia la periferia y otras hacia la parte central. Los microtúbulos sirven como armazón para las organelas, como en el RE y en el Aparato de Golgi.

La red de los microfilamentos de actina está formada por una proteína que es la actina que polimeriza de manera direccional y que va creciendo, se va integrando a la fibra, con gasto de ATP y forma parte importante de la red de cilios; las fibras de estrés que son fibras de microfilamentos de actina, que están conectadas a las adhesiones focales, puntos de contacto con la matriz extracelular, entonces hay dos tipos de contacto con la matriz extracelular, los hemidesmosomas y las adhesiones focales, los hemidesmosomas son puntos de contacto de filamentos intermedios, los microfilamentos de actina hacen contacto con las adhesiones focales. Y están los lamelopodios y los filopodios que son las proyecciones que hacen las células para desplazarse o fagocitar, y luego el anillo contráctil que separa a las células hijas al final de la mitosis y la meiosis también son de microfilamentos de actina. Entonces participa estabilizando los puntos de contacto con la matriz extracelular específicamente en las adhesiones focales; hay una serie de proteínas especializadas, la actina se une a la vimentina, luego microfilamentos de actina que actúan con algunas proteínas transmembrana, como la distrofina.

La formación de los microfilamentos de actina es polarizada, el microfilamento crece en una dirección y esto permite que se formen los lamelopodios y los filopodios, y que las células se desplacen (como por ejemplo las células fagocíticas). Los microfilamentos de actina son más dinámicos que los filamentos intermedios.

Los ribosomas son complejos supramacromoleculares, son la fábrica de las proteínas celulares, están constituidos por dos subunidades, tienen muchas proteínas y ARN. En eucariotas la subunidad grande tiene 50 proteínas, y la subunidad pequeña 33 proteínas. Y los ARN interactuando mediante interacciones no covalentes, formando los complejos. Los ribosomas se pueden hallar en el citoplasma formando los polisomas o adheridos a la cara citosólica de la membrana del RE, y en la mitocondria tenemos los ribosomas mitocondriales que son similares a los ribosomas de los procariotas por ser parientes de las bacterias.

En el RE están adheridos en la cara citoplasmática, y dependiendo de cuál es su ubicación así van a sintetizar diferentes proteínas que tienen diferentes destinos. Los que están en la mitocondria sintetizan 13 proteínas de la cadena respiratoria, los que están adheridos a la membrana del RE todas las proteínas de la vía secretoria y los ribosomas que están en el citoplasma sintetizan las proteínas que van a estar en el citoplasma, en el núcleo y la mayoría de las proteínas mitocondriales. Una célula eucariota tiene alrededor de 10000 proteínas distintas y van a funcionar al sitio correcto por el péptido señal, es una región que puede estar en el extremo amino o en el carboxilo dependiendo de la organela a la que vayan, son reconocidos por proteínas que están en las membranas a donde vayan dirigidas, entonces la distribución intracelular de las proteínas dependen del péptido señal. La mayoría de las proteínas mitocondriales son sintetizadas por los ribosomas o los polisomas que están en el citoplasma y son importadas luego a la mitocondria con un péptido señal que indica que tiene que ir a la mitocondria. (hay enfermedades que se producen porque hay alteraciones en los péptidos señales de una proteína).

La mitocondria es una organela, que tiene una doble membrana, que se originó porque una célula procariota ancestral que fue engullida por una célula eucariota ancestral y entonces quedó adentro. La membrana mitocondrial interna se parece a la de las bacterias y la membrana mitocondrial externa se parece a la de eucariotas.

La mayor parte del ADN de la mitocondria fue al núcleo y se incorporó en los cromosomas nucleares, por eso ahora los cromosomas de las mitocondrias tienen solo unas poquitas proteínas mitocondriales, la mayoría de las proteínas mitocondriales están codificadas en el núcleo (es una endosimbiosis). Y el genoma de la mitocondria es un ADN circular como el cromosoma de las bacterias.

En el núcleo está la envoltura nuclear que tiene dos unidades de membrana, que se continúa con la membrana del RE, tiene poros, que son regiones especializadas formadas por proteínas, que constituyen una especie de compuerta que no se cierra completamente, entonces las proteínas pequeñitas pueden entrar y salir libremente del núcleo, las proteínas más grandes requieren una señal de localización nuclear para poder entrar y son transportadas por transporte activo, en el núcleo está el material en la mayor parte de la interfase los cromosomas están descondensados, pero existen (sólo que en la mitosis están empacados), formando la cromatina.

Las partes del cromosoma: centrómero, que es el punto donde están unidas las dos cromátidas, y los telómeros que son las partes extremas de los cromosomas (los brazos del cromosoma se denominan p y q, corto y largo respectivamente).

El ADN está ligado alrededor de las histonas, las histonas H3, H4, H2A y H2B forman un núcleo octamérico alrededor del cual el ADN da dos vueltas y lo que queda fuera se llama ADN internucleosomal, que en mitosis la ADN activada de las caspasas

corta aquí y cada 200 bp es la distancia alrededor del nucleosoma, los nucleosomas (fibra de cromatina primaria) forman solenoides que son la agrupación de nucleosomas y esto es lo que se llama la fibra de cromatina secundaria, y la fibra de cromatina secundaria forma asas y las asas forman bucles y al final el cromosoma es 10000 veces más corto que el ADN estirado completamente. El ADN no está disperso en el núcleo, están en territorios, aunque no hay compartimentos, los cromosomas están organizados de manera muy fina dentro del núcleo en posiciones específicas.

Organelas de la vía secretoria:La vía secretoria está formada por: RE, Aparato de Golgi, lisosomas y

membrana plasmática, a lo largo de la vía secretoria hay un tráfico de vesículas, y también hay un tráfico retrógrado de vesículas, de manera que la composición de la membrana del RE no es la misma que la membrana plasmática, ni que la del Aparato de Golgi, porque hay una serie de procesos que devuelven ciertos lípidos o ciertas proteínas de manera que cada uno de los compartimentos tiene sus características individuales.

Estos compartimentos derivan de la membrana plasmática, topológicamente, porque se formaron por una invaginación de la membrana plasmática o bien puede ser que una célula procariota ancestral con los ribosomas adheridos a la membrana plasmática, entonces cuando se formó el RE los ribosomas quedaron adheridos a la cara citoplasmática. El RE es el sitio donde se sintetizan los lípidos de las membranas, donde se pliegan las proteínas de la vía secretoria. Constituye casi el 50% de las membranas celulares, dependiendo de la célula tiene más síntesis de fosfolípidos o plegamiento de las proteínas de la vía secretoria.

El RE liso en ciertas células cumple funciones especializadas, en los hepatocitos tiene las enzimas del citocromo P450, que se encargan del metabolismo de ciertas drogas. El tamaño del RE varía mucho dependiendo del tipo de célula, una célula plasmática (fábricas de anticuerpos, que se forma a partir de un linfocito B estimulado por un antígeno) tiene un retículo endoplásmico inmenso, las células de los acinos pancreáticos secretan mucho por lo que tienen un RE muy grande, los eritroblastos (son los que van a dar origen a los eritrocitos) como no secretan nada tienen un RE pequeño.

El número de mitocondrias de una célula también varía mucho de pendiendo del tipo de tejido y del estado metabólico de la célula, los hepatocitos o las células musculares tienen una gran cantidad de mitocondrias, un hepatocito puede tener hasta 3000-4000 mitocondrias.

El Aparato de Golgi es un conjunto de sacos a través de los cuales hay un flujo constante de vesículas desde la cara cis (la que da al RE) hasta la cara trans. En el sufren modificación las lipoproteínas y distribución de proteínas a los diferentes destinos, el Aparato de Golgi es un centro de distribución. Hay proteínas de revestimiento como las clatrinas, que sirven de envoltura para transportar las vesículas y después las vesículas se liberan de las proteínas y las vesículas van a un compartimento aceptor dependiendo de proteínas que están en las membranas de las vesículas.

Entonces en estos sacos hay una exocitosis de material de manera constitutiva. Luego están la picnocitocis, endocitosis y fagocitosis, que son procesos en los

cuales se capta material externo.La fagocitosis es la captación de partículas que ocurre en células fagocíticas. La

picnocitosis ocurre en todas las células, es un proceso que ocurre de manera espontánea e inespecífica. Y la endocitosis mediada por receptor, que es la captación selectiva de macromoléculas, es un proceso que involucra receptores específicos y es el proceso

mediante el cual la célula endocita colesterol y lipoproteínas, este proceso sirve para captar materiales esenciales que la célula no puede sintetizar.

En la fagocitosis se forman estos pseudópodos de manera que se invaginan las bacterias y en algunos casos hay reciclaje del material endocitado. También están los autofagosomas que se producen para la degradación de organelas envejecidos o dañados como mitocondrias, o fragmentos de RE.

Y en la endocitosis mediada por receptor hay un ligando que se une a un receptor específico, mientras que la picnocitosis es inespecífica para la toma de material soluble y no involucra receptores.

Los lisosomas son sitios especializados para la digestión que contienen enzimas hidrolíticas que funcionan a pH 5, acidificado por una bomba de protones. Hay una serie de enzimas que degradan tanto lípidos, como proteínas, como carbohidratos. Los lisosomas son muy importantes en procesos de apoptosis, porque la salida de proteasas al citoplasma es una señal que dispara apoptosis. La membrana lisosomal no hace falta que se rompa totalmente, con solo que salgan algunas proteasas lisosomales es una señal muy temprana, el estrés oxidativo por ejemplo a menudo causa apoptosis porque causa peroxidación de la membrana lisosomal y salida de proteasas lisosomales, que van a activar apoptosis. El lisosoma es importante porque es el compartimiento de la célula donde hay la mayor cantidad de hierro libre, porque el hierro en el citoplasma está quelado, en el lisosoma por su pH está favorecida la reacción de Femto. Si el daño oxidativo al lisosoma es muy grande también se puede producir necrosis.

El ciclo celular: En la fase G1 la célula está metabólicamente activa, en respuesta a una señal va a

activar los factores de crecimiento entra en fase S, en la cual se duplica el material hereditario. En G2 ocurre la condensación y en mitosis ocurre la separación. Hay puntos de control: uno para entrar a fase S, otro para entrar a mitosis y otro

para salir de mitosis. Durante la mitosis el núcleo se desintegra, porque las lamininas son fosforiladas por

quinasas que se activan durante la mitosis, eso hace que se desensamble el andamiaje que sostiene la envoltura nuclear y entonces los cromosomas se pueden separar durante la mitosis.

Entonces comparando célula procariota con célula eucariota, la célula procariota es más pequeña (1000-10000 veces más pequeña), es una célula altamente adaptable, de rápido crecimiento, como el ADN no está empacado, entonces los cambios de organización génica ocurren rápidamente; en las células eucariotas son más grandes, tienen organelas definidas por membranas, en los organismos multicelulares hay muchos sitios de contacto y es muy importante la comunicación intercelular; se diferencian, el material genético de una bacteria está formado por un cromosoma circular, en la célula eucariota hay varios cromosomas lineales; y en procariotas transcripción y traducción pueden ocurrir simultáneamente porque todo ocurre en un mismo compartimento, en eucariotas no, porque la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción en el citoplasma y el ARN tiene que madurar dentro del núcleo, entonces la utilización de los genomas es diferente. En las bacterias hay menos ADN intergénico, la regulación es más complicada en eucariotas.