domingo, 19 de enero de 2014

Panorámica de la célula procariota

En esta entrada vamos a ver resumidamente la estructura básica de los procariotas. 

Una vez tuve un profesor de geología que se presentó comentando la brevedad e insignificancia de nuestra existencia, que la vida era como una especie de tumor o quiste en el planeta y que éste, una y otra vez, "se esforzaba" por eliminar (a mí personalmente me caía bien). Su introducción fue la fugacidad, en realidad, de todas las cosas sobre la Tierra, de cómo los agentes erosivos, toda la dinámica terrestre, acabarían eliminando todo lo que conocemos ahora mismo. No somos eternos (y en mi humilde opinión, ni falta que hace). Pero lo que me ha quedado muy claro desde entonces es que las humanas gentes somos, en realidad, los últimos en llegar.

En esta foto estás viendo un muestreo de las bacterias de
mi propio ombligo y de mi propia barba. Se pasa un hisopo
esterilizado por la superficie y se lleva directamente al
cultivo de agar. Se mete a incubar en una estufa para que
los microorganismos crezcan y este es el resultado.
Cada punto sería una colonia crecida a partir de una célula.

Te informo de que iba duchado cuando hice el muestreo...

A título de curiosidad, un estudio está revelando que en
el ombligo hay más especies bacterianas que espe-
cies animales en elAmazonas.
http://www.muyinteresante.es/salud/articulo/
icuantas-bacterias-hay-en-tu-ombligo
Los primeros habitantes celulares, los primeros organismos vivos en el planeta, han sido procariotas: células sin membrana nuclear, sencillas, pequeñas... nuestras células (eucariotas) han derivado de ellas y han tenido éxito. Los humanos, como somos grandes y listos y tenemos a nuestra disposición una amplia gama de fármacos y productos de limpieza, podemos creer que somos muy superiores a las bacterias, pero nada más lejos de la realidad: las bacterias están por todas partes. Están en el suelo, en el agua, en las partículas aerosol del aire, sobre nuestra piel, en nuestras pestañas, nadando sobre nuestra córnea, pegadas a las paredes de nuestros dientes y nuestras mucosas, en nuestros intestinos. Están (sin duda) en el teclado con el que estoy escribiendo esta entrada, en todos los besos, en todas las toallas, en todos los estornudos y bostezos, manos, pelos, cuevas, playas, mares, en el sustrato oceánico, a 10 km bajo tierra... las hay por millares y millares, y lo mejor de todo es que, aunque tienen una fama bastante desagradable porque, efectivamente, muchos microorganismos son patógenos, la inmensa mayoría no hacen nada malo en absoluto en nosotros; es más, sin ellas no podríamos vivir. No las temas; cuida tu higiene, pero no las temas.

Las bacterias son seres unicelulares procariotas (todos los procariotas son fundamentalente unicelulares) formados, dicho de forma simplista, por una pared celular, una membrana plasmática y un citoplasma que contiene el material genético en forma de cromosoma circular sin envoltura nuclear que lo proteja, además de las enzimas necesarias para su manipulación. También encontramos ribosomas de coeficiente de sedimentación 70 S, iones inorgánicos y metabolitos, enzimas de las diferentes rutas metabólicas, inclusiones y, en muchos casos, porciones de material genético independiente más pequeñas que conocemos como plásmidos (también se encuentran en algunos hongos, pero es un carácter muy raro en eucariotas).

Aunque carezcan de todos los orgánulos membranosos eucariotas y midan en general tan poco, su diversidad es gigantesca (de hecho, se conocen unas 7.000 especies y se calcula que realmente podría haber entre 10.000 y 1.000.000). Este es su planeta, han estado aquí antes que nosotros y estarán cuando ya no estemos.

Además de las bacterias, en las últimas décadas se ha descubierto un grupo que actualmente se clasifica en un dominio aparte de ellas: el Dominio Archaea. Las arqueobacterias, morfológicamente, cuesta distinguirlas visualmente (si no resulta imposible) de las bacterias verdaderas, pero cuando las analizamos un poco, realmente tienen tanto que ver con ellas como las células eucariotas. Son propias de ambientes extremos, como fuentes termales o charcas ácidas; se las bautizó como arqueas porque se pensó que podrían ser las primeras pobladoras vivas de la Tierra debido a que habitan en estos lugares de condiciones tan rocambolescas.

Se aproxima que el linaje de las bacterias y el linaje de las arqueas se separaron hace unos 3.700 millones de años, pero todas siguen siendo procariotas.
Teniendo en cuenta que las células tienen una forma
más o menos esférica, cuanto menor sea su radio, menor
volumen tendrán y su relación S/V será más ventajosa.
Para un mismo volumen, la superficie disponible
en el cubo es mayor que en la esfera. Las células eucariotas
no son cúbicas, pero palían relaciones S/V demasiado
grandes con la superficie de las membranas de sus
orgánulos internos, que se reparten el trabajo que, en
una célula procariota, tiene que realizar toda la membrana
plasmática.

Las células procariotas tienen un tamaño variable entre 0,5 y 5 μm de longitud, dependiendo de la especie, aunque se han encontrado algunas formas más grandes incluso que nuestras células eucariotas. A diferencia de ellas, no contienen orgánulos membranosos en su interior, lo que afecta a su relación superficie/volumen.

La relación superficie/volumen es un cociente importante para las células, ya que para un mismo volumen, la cantidad de superficie capaz de absorber nutrientes y eliminar desechos es determinante para el crecimiento de las células. Es el motivo por el que los procariotas no pueden permitirse tener un tamaño muy grande: las células pequeñas tienen tienen mayor superficie relativa disponible que las células más grandes.

Esto tendrá implicaciones en la tasa de crecimiento de las colonias bacterianas e, indirectamente, en su tasa de mutación. Cuanta más facilidad tenga una bacteria para absorber nutrientes y eliminar desechos, más rápido crecerá y se dividirá, lo que implica que tendrá que hacer más copias de su genoma. Esto puede aumentar la tasa de errores al copiar la información y, por tanto, el número de mutaciones producidas.

Las células eucariotas han podido alcanzar tamaños más grandes gracias a la compartimentalización de su citoplasma: dentro de ellas existen una serie de orgánulos membranosos que aumentan la superficie celular, al mismo tiempo que las diferentes funciones se ven repartidas. En la célula procariota, en cambio, la gran parte del trabajo corre a cargo de la membrana plasmática.

En cuanto a la arquitectura y composición de sus membranas, hay dos modelos básicos principales según hablemos de arqueas o de bacterias verdaderas. 
  • La membrana plasmática de las bacterias es similar a la membrana plasmática de los eucariotas. Consiste en una bicapa de fosfolípidos en los que los grupos acilo se encuentran esterificados al esqueleto de glicerol-3-fosfato. Las cabezas polares representadas por la carga negativa que aporta el grupo fosfato se disponen en contacto con los medios líquidos intra y extra celular, mientras que las colas apolares representadas por los grupos acilo se mantienen enfrentados y alejados del agua.
  • La membrana plasmática de las arqueas es muy distinta. Los radicales lipídicos no consisten en ácidos grasos, sino en derivados isoprenoides (fitanil), que no se unen al esqueleto de glicerol por enlaces éster, sino por enlaces éter. Tampoco forman una bicapa lipídica, ya que los radicales fitanil de las dos capas se unen (bifitanil), formando una monocapa.
La estructura de la membrana de las arqueas puede responder a sus formas de vida: todas viven en condiciones extremas de temperatura, acidez o salinidad, y ésta arquitectura de la membrana es más resistente que las membranas convencionales.


Por encima de la membrana plasmática se dispone la pared celular, una estructura semirrígida que protege a la célula de la lisis osmótica y que, aunque presenta diferencias entre los distintos tipos de bacterias, está fundamentada en una macromolécula exclusiva de bacterias: el peptidoglucano. Si queremos analizar químicamente la presencia de bacterias en algún sustrato, la presencia de peptidoglucano es un indicador seguro.

La pared, al mismo tiempo, también mantiene la morfología de las células. Las formas más frecuentes son esféricas (cocos) o alargadas (bacilos), aunque hay desde cúbicas hasta estrelladas pasando por espirales y con forma de filamento. Centrándonos en las cocoides y las bacilares, también es característico de una especie el número de células agrupadas que se presentan, determinado en parte por los planos de división que la célula utiliza (en el caso de los bacilos, es siempre el plano que corta transversalmente el ecuador de la célula, paralelo a su eje longitudinal). Tenemos así diplococos y diplobacilos (cuando se presentan por parejas), streptococos y streptobacilos (cuando se presentan en cadenas), tétradas (cocos presentes en grupos de cuatro), sarcinas (cocos en grupos de ocho), estafilococos (cocos desordenados en forma de racimo)... etc., etc.

Estructuras importantes en la membrana y en la pared son los flagelos, las fimbrias y los pili.
  • Los pili o pelos sexuales son unas proyecciones cortas y de duración breve que se utilizan para establecer contacto celular en los procesos de conjugación genética entre algunas bacterias, mediante el cual una bacteria donadora da un poco de su material genético (como un plásmido) a una bacteria receptora. El adjetivo "sexual" debe usarse con cuidado, ya que en las bacterias no se dan verdaderos procesos de reproducción sexual.
  • Las fimbrias son filamentos más largos que los pili y más cortos que los flagelos. Su presencia depende de la especie y determina la capacidad de las células de adherirse a ciertas superficies. Van a tener un papel importante en las infecciones por este motivo. Se ha comprobado que la bacteria causante de la gonorrea, Neisseria gonorrhoeae, es incapaz de producir la enfermedad cuando, por alteración genética, pierde la capacidad de formar fimbrias (y por tanto la capacidad de adherirse a las vías genitales).
  • Los flagelos bacterianos sirven para el movimiento de sus células portadoras; es decir, tienen la misma función que los flagelos eucariotas. Sin embargo, su estructura y composición no tienen nada que ver. El flagelo bacteriano consta de tres partes: un cuerpo basal anclado a la membrana y a la pared, un gancho que sobresale de ellas y un filamento proteico compuesto de subunidades autoensambladas de flagelina que crece por el extremo distal (no como el flagelo de arqueas, que crece por la base). El cuerpo basal ancla el flagelo, y está compuesto por dos o cuatro anillos: C, MS, P y L . Los dos primeros están presentes siempre y comprenden el verdadero motor del flagelo, formado por un stator y un rotor proteicos que utilizan para la rotación la energía proporcionada por un gradiente de protones entre el espacio periplásmico y el citoplasma.
El movimiento en el sentido de las agujas del reloj determina que la bacteria avanza; el sentido en el movimiento contrario determina que la bacteria retrocede, y aunque el flagelo gira a miles de revoluciones por segundo, es capaz de pararse en seco y cambiar su sentido de rotación en respuesta a señales como la presencia de nutrientes, de agentes tóxicos, de luz... 

Para la taxonomía de las bacterias se atiende a caracteres morfológicos como la estructura y composición de sus paredes, la disposición y cantidad de los flagelos o la forma de la célula pero también, y probablemente todavía más importante, a sus perfiles metabólicos. Dicho de otra manera, los requerimientos nutricionales y la forma que tienen las diferentes bacterias de alimentarse son aspectos también muy importantes para su clasificación e identificación, y es que entre los procariotas encontramos una enorme diversidad de formas de vida y de alimentación. Algunos funcionan sólo con oxígeno, mientras que otros se mueren en su presencia; otros pueden fotosintetizar como las plantas, otros son exclusivamente heterótrofos; otros fotosintetizan pero no utilizan el agua sino compuestos con azufre; otros directamente no extraen la energía de la luz, sino de reacciones químicas inorgánicas; algunos fermentan lactosa; otros la encuentran inútil... los hay capaces de fijar el nitrógeno atmosférico, de nitrificar el suelo, otros de desnitrificarlo... otros pueden vivir tan felices viviendo sólo a base de metano; otros lo producen como desecho. Y así hasta aburrirnos.


En la siguiente tabla se recogen las principales diferencias estructurales y, muy laxamente, las fisiológicas entre bacterias, arqueas y eucariotas.



Las células eucariotas son verdaderas quimeras químicas: en aspectos de composición bioquímica se parecen más a las bacterias, pero en aspectos de estructuración y manipulación del genoma se parecen más a las arqueas. Y son muchas las preguntas sin respuesta clara las que envuelven el origen y diferenciación de estos linajes. ¿De dónde procedemos los eucariotas? ¿Cuándo y cómo apareció realmente la envuelta nuclear? ¿Cómo fue la divergencia de estas estirpes? ¿Existen aun hoy en día los eslabones perdidos que nos pueden ayudar a comprender los pasos intermedios, si es que los hubo? Como ves, realmente todo esto es para nosotros un verdadero misterio, tanto como el futuro. Así que el futuro dirá hasta dónde somos capaces de llegar.

Hasta aquí la entrada que dedicamos en este blog a dar una visión general y global de la célula procariota. En las próximas entradas se examinará con más detalle la pared celular bacteriana y los requerimientos nutricionales y el crecimiento de las bacterias en cultivo.

No olvides consultar la bibliografía recomendada y consultada en la sección Sobre el Blog para más y mejores detalles.



2 comentarios:

  1. Siempre me ha parecido muy interesante la conjugación bacteriana. Aunque complica bastante el concepto de "especie bacteriana" jajaja

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    1. Jajajaja, ¡y que lo digas! Como si no fuera bastante difícil el concepto de especie animal... La verdad es que el mundo de los microorganismos es fascinante lo mires por donde lo mires... no hacen más que darte sorpresas :)

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