¿Qué es la pared celular bacteriana?
La pared celular bacteriana es una estructura compleja y semirrígida, que protege y da forma a las bacterias. Estructuralmente, está compuesta por una molécula llamada peptidoglicano. Además de la protección ante los cambios de presiones, la pared bacteriana da un sitio de anclaje para estructuras como flagelos o pilis y define varias propiedades relacionadas con la virulencia y la motilidad de la célula.
Una metodología ampliamente usada para clasificar las bacterias según la estructura de su pared celular es la tinción de Gram. Consiste en una aplicación sistemática de colorantes púrpura y rosa, donde las bacterias con pared gruesa y rica en peptidoglicano se tiñen de morado (grampositivas) y las que presentan una pared fina rodeada de lipopolisacáridos se tiñen de rosa (gramnegativas).
Aunque otros seres orgánicos, como arqueas, algas, hongos y plantas, poseen pared celular, la estructura y la composición de estas difiere profundamente de la pared celular bacteriana.
Características de la pared celular bacteriana
- Composición química. Está compuesta principalmente de peptidoglicano, o mureína. El peptidoglicano es un polímero formado por cadenas de azúcares (glucosa y N-acetilglucosamina) interconectadas por péptidos. Esta estructura le da a la pared celular su resistencia y rigidez.
- Protección y forma. Proporciona a la célula bacteriana su forma característica y actúa como una barrera de protección contra factores ambientales adversos, como la presión osmótica. La rigidez del peptidoglicano ayuda a prevenir que la célula bacteriana explote debido a diferencias en la concentración de solutos entre el interior y el exterior celular.
- Diversidad en la composición. Aunque el peptidoglicano es la característica principal de la pared celular bacteriana, existen variaciones en su composición. Algunas bacterias, como las grampositivas, tienen paredes celulares gruesas de peptidoglicano, mientras que las gramnegativas tienen una pared celular más delgada que contiene una membrana externa adicional.
- Barrera selectiva. Actúa como una barrera selectiva que permite la entrada y salida de moléculas y nutrientes esenciales para la célula, restringiendo moléculas más grandes y sustancias tóxicas.
- Interacción con antibióticos. Su estructura es el objetivo de muchos antibióticos utilizados en el tratamiento de infecciones bacterianas. Antibióticos como la penicilina actúan inhibiendo la síntesis del peptidoglicano, debilitando la pared celular y llevando a la lisis celular.
Estructura externa a la pared celular bacteriana
Usualmente, la pared celular de las bacterias está rodeada de algunas estructuras externas, como lo son el glicocálix, flagelos, filamentos axiales, fimbrias y pilis.
El glicocálix es una matriz de consistencia gelatinosa que rodea la pared, y es de composición variable (polisacáridos, polipéptidos, etc). En algunas cepas bacterianas, la composición de esta capsula contribuye a la virulencia. También es un componente crucial en la formación de las biopelículas.
Los flagelos son estructuras filamentosas, cuya forma recuerda a un látigo y contribuyen a la movilidad del organismo. El resto de los filamentos mencionados contribuyen en el anclaje de la célula, la motilidad y en el intercambio de material genético.
Paredes celulares bacterianas atípicas
Aunque la estructura mencionada anteriormente la presentan la inmensa mayoría de bacterias, existen excepciones muy puntuales que no se ajustan a este esquema de pared celular, ya que carecen de ella o tienen muy poco material.
Los miembros del género Mycoplasma y organismos filogenéticamentes relacionados con este son de las bacterias más pequeñas que se han registrado. Debido a su tamaño tan reducido, no poseen pared celular. De hecho, al principio fueron consideradas como virus y no bacterias.
Sin embargo, hay maneras en las que estas pequeñas bacterias obtienen protección: gracias a la presencia de lípidos especiales llamados esteroles, que contribuyen en la protección contra la lisis celular.
Funciones de la pared celular bacteriana
- Protección. La función principal es proteger a la célula, funcionando como una especie de exoesqueleto (como el de los artrópodos). Las bacterias contienen una cantidad importante de solutos disueltos en su interior. Por el fenómeno de ósmosis, el agua que las rodea intentará entrar a la célula creando una presión osmótica, que si no es controlada puede llevar a la muerte de la célula. Si la pared bacteriana no existiese, la única barrera protectora del interior celular seria la frágil membrana plasmática de naturaleza lipídica, que cedería rápidamente ante la presión causada por la ósmosis. La pared celular bacteriana forma una barricada de resguardo ante las oscilaciones de presiones que puedan ocurrir, y permite prevenir la lisis de la célula.
- Rigidez y forma. La pared contribuye a darle forma a la bacteria. Por eso se puede diferenciar entre varias formas de bacterias según este elemento, y usar esta característica para establecer una clasificación basada en las morfologías más comunes (cocos o bacilos, entre otros).
- Sitio de anclaje. Sirve como sitio de anclaje para otras estructuras relacionadas con la motilidad y el anclaje, como los flagelos.
- Aplicaciones clínicas. También tiene aplicaciones clínicas y taxonómicas: se usa para discriminar entre varios tipos de bacterias. Además, la pared celular permite entender la virulencia de la bacteria y a qué clase de antibiótico puede ser susceptible. Como los componentes químicos de la pared celular son únicos de las bacterias (carentes en el huésped humano), este elemento es un blanco potencial para el desarrollo de antibióticos.
Clasificación de la pared celular bacteriana según la tinción de Gram
En microbiología, las tinciones son procedimientos ampliamente usados. Algunas de ellas son simples y su propósito es evidenciar de manera clara la presencia de un organismo. Sin embargo, otras tinciones son diferenciales, donde los colorantes usados reaccionan dependiendo del tipo de bacteria.
Una de las tinciones diferenciales más usadas es la tinción de Gram, técnica desarrollada en 1884 por el bacteriólogo Hans Christian Gram. La técnica permite clasificar las bacterias en dos grandes grupos: grampositivas y gramnegativas.
Hoy en día se considera una técnica de gran utilidad médica, aunque algunas bacterias no reaccionan debidamente a la coloración. Suele aplicarse cuando las bacterias son jóvenes y están en crecimiento.
Protocolo de la tinción de Gram
- Aplicación del colorante primario: una muestra fijada con calor se cubre con un colorante púrpura básico, generalmente se usa el cristal violeta. Este colorante impregna todas las células de la muestra.
- Aplicación del iodo: luego de un periodo corto, el colorante púrpura se retira de la muestra y se aplica iodo, un agente mordante. En esta etapa, tanto las bacterias grampositivas como las negativas están teñidas de morado intenso.
- Lavado: el tercer paso implica el lavado del colorante con una solución de alcohol o una mezcla de alcohol-acetona. Estas soluciones tienen la capacidad de eliminar el color, pero solamente de algunas muestras.
- Aplicación de la safranina: por último, se elimina la solución aplicada en el paso anterior y se aplica otro colorante, la safranina, un colorante básico rojo. Se procede al lavado de este colorante y la muestra está lista para observarse a la luz del microscopio óptico.
Pared celular bacteriana grampositiva
En el tercer paso de la tinción solamente algunas bacterias retienen el colorante morado: son las bacterias grampositivas. El color de la safranina no las afecta, y al final de la coloración las que pertenecen a este tipo se observan de color morado.
El principio teórico de la coloración se basa en la estructura de la pared celular bacteriana, ya que de esta depende el escape o no del colorante morado, que forma un complejo junto con el iodo.
La diferencia básica entre las bacterias gramnegativas y las positivas es la cantidad de peptidoglicano que presentan. Las grampositivas tienen una gruesa capa de este compuesto que les permite retener la coloración morada, a pesar del lavado posterior.
El cristal violeta que entra a la célula en el primer paso forma un complejo con el iodo, que dificulta su salida con el lavado de alcohol, gracias a la capa gruesa de peptidoglicano que los rodea.
El espacio que existe entre la capa de peptidoglicano y la membrana celular se conoce como espacio plásmico y consiste en una capa granular compuesta de ácido lipoteicoico. Adicionalmente, las bacterias grampositivas se caracterizan por poseer una serie de ácidos teicoicos anclados a la pared.
Ejemplo de este tipo de bacteria es la especie Staphylococcus aureus, patógeno para el ser humano.
Pared celular bacteriana gramnegativa
Las bacterias que no retienen la coloración del tercer paso son, por descarte, las gramnegativas. Esta es la razón por la cual se aplica un segundo colorante (la safranina) para visualizar este grupo de procariotas. Así, las bacterias gramnegativas se observan de color rosado.
A diferencia de la gruesa capa de peptidoglicano de las bacterias grampositivas, las negativas tienen una capa mucho más fina. Adicionalmente, presentan una capa de lipopolisacáridos que forma parte de su pared celular.
Podemos usar la analogía de un sándwich: el pan representa dos membranas lipídicas y el interior o el relleno seria el peptidoglicano.
La capa de lipopolisacáridos está formada de tres componentes principales: (1) el lípido A, (2) un núcleo de polisacáridos y (3) polisacáridos O, que funcionan como un antígeno.
Cuando una bacteria de este tipo muere, libera el lípido A, que funciona como una endotoxina. El lípido está relacionado con la sintomatología causada por infecciones de bacterias gramnegativas, como fiebre o dilatación de los vasos sanguíneos, entre otros.
Esta capa fina no retiene el colorante morado aplicado en el primer paso, ya que el lavado con alcohol elimina la capa de lipopolisacáridos (y junto con ella el colorante). No contienen los ácidos teicoicos mencionados en las grampositivas.
Un ejemplo de este patrón de organización de la pared celular bacteriana es la E. coli.
Consecuencias médicas de la tinción de Gram
Desde una perspectiva médica es importante conocer la estructura de la pared bacteriana, ya que las bacterias grampositivas suelen eliminarse fácilmente mediante la aplicación de antibióticos como penicilina y cefalosporina.
En contraste, las bacterias gramnegativas suelen ser resistentes a la aplicación de antibióticos que no logran penetrar la barrera de los lipopolisacáridos.
Otras coloraciones
A pesar de que la tinción de Gram es ampliamente conocida y aplicada en el laboratorio, también existen otras metodologías que permiten diferenciar las bacterias según aspectos estructurales de la pared celular. Una de ellas es la coloración ácida que se une fuertemente a las bacterias que tienen materiales del tipo cera unidos a la pared.
Esta se usa específicamente para diferenciar a las especies de Mycobacterium de otras especies de bacterias.
Biosíntesis de la pared celular bacteriana
La síntesis de la pared celular bacteriana puede ocurrir en el citoplasma de la célula o bien en la membrana interna. Una vez sintetizadas las unidades estructurales, el armado de la pared procede en el exterior de la bacteria.
La síntesis del peptidoglicano ocurre en el citoplasma, donde se forman los nucleótidos que servirán de precursores para esta macromolécula que compone la pared.
La síntesis sigue su camino en la membrana plasmática, donde tiene lugar la generación de los compuestos lipídicos de la membrana. En el interior de la membrana plasmática ocurre la polimerización de las unidades que conforman el peptidoglicano. Todo el proceso es asistido por distintas enzimas bacterianas.
Degradación de la pared celular bacteriana
La pared celular puede degradarse gracias a la acción enzimática de la lisozima, enzima que se encuentra naturalmente en fluidos como las lágrimas, el moco y la saliva.
Esta enzima actúa con mayor eficiencia en las paredes de las bacterias grampositivas, siendo estas últimas más vulnerables a la lisis.
El mecanismo de esta enzima consiste en la hidrólisis de los enlaces que mantienen unidos los bloques monoméricos del peptidoglicano.
Pared celular en arqueas
La vida se divide en tres dominios principales: las bacterias, los eucariotas y las arqueas. A pesar de que estas últimas recuerdan de manera superficial a las bacterias, la naturaleza de su pared celular es diferente.
En las arqueas puede o no existir pared celular. En caso de que exista, la composición química varía incluyendo una serie de polisacáridos y proteínas, pero hasta ahora no se ha reportado ninguna especie con pared compuesta de peptidoglicano.
Sin embargo, pueden contener una sustancia conocida como pseudomureína. En caso de que se les aplique la tinción de Gram, todas resultarán gramnegativas. Por ello, la coloración no es útil en arqueas.
Referencias
- Albers, S. V., & Meyer, B. H. The archaeal cell envelope. Nature Reviews Microbiology.
- Cooper, G. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sinauer Associates.
- Cooper, G. M., & Hausman, R. E. The cell: a molecular approach. Sunderland, MA.
- Cullimore, D. R. Practical atlas for bacterial identification. CRC Press.
- Tortora, G. J., Funke, B. R., & Case, C. L. Microbiology. An introduction. Pearson.