Presión osmótica
Las células bacterianas parecen simples, pero construir estas células representa un gran desafío de ingeniería. Para comprender este desafío, primero debemos comprender la presión osmótica y su relación con las células bacterianas.
La ósmosis se define como el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable desde áreas de baja concentración de solutos a áreas de alta concentración de solutos. Un soluto es simplemente cualquier sustancia disuelta en un disolvente líquido, que normalmente es agua. El agua puede atravesar la membrana, pero el soluto no. Si un lado tiene más soluto (una solución hipertónica ) que el otro lado (una solución hipotónica ), el agua se moverá hacia el lado más concentrado en un intento por equilibrar las concentraciones de soluto. Si la solución hipertónica está en un recipiente cerrado, la entrada de agua puede crear una presión significativa, posiblemente suficiente para romper el recipiente.
Entonces, ¿qué tiene esto que ver con las bacterias? Las bacterias están cubiertas por una membrana celular., que es semipermeable. El agua puede difundirse libremente dentro o fuera de la célula a través de proteínas de transporte, dependiendo de las concentraciones de soluto. Generalmente, en el interior de la celda hay una cantidad considerable de soluto. Las bacterias tienen ADN, proteínas, enzimas, sales, nutrientes e iones en solución en el citoplasma que son retenidos por la naturaleza semipermeable de la membrana. Es fundamental para la supervivencia de la bacteria que estas moléculas permanezcan en el citoplasma. Dentro de la célula, la solución citoplasmática es hipertónica en comparación con el medio ambiente. Lo que acabamos de aprender sobre el agua es que se esfuerza por mantener el equilibrio y debe difundirse en la célula. Desafortunadamente para la celda, la presión osmótica resultante puede ser de hasta 2 atmósferas, que es aproximadamente la misma presión que los neumáticos de su automóvil.
Entonces, volviendo a ese desafío de ingeniería, las bacterias necesitan desarrollar algún mecanismo que evite que la célula se rompa pero que aún sea lo suficientemente porosa para que materiales como nutrientes o desechos entren y salgan de la célula.
Envoltura celular
Las células bacterianas están cubiertas por una envoltura celular que se compone de una membrana celular y una pared celular. La membrana celular es una bicapa de fosfolípidos que regula el transporte de moléculas dentro y fuera de la célula. Esta es la estructura débil que estallaría por la presión osmótica sin refuerzo. La pared de la celda es el componente de la envolvente que proporciona ese refuerzo.
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Pared celular
Casi todos los géneros de bacterias tienen una pared celular , que es una estructura rígida que contiene carbohidratos que rodea la célula bacteriana. Como siempre sucede en biología, hay algunos bichos raros, como el género Mycoplasma , que han perdido sus paredes celulares, pero como son una minoría, tener una pared celular debe ser una gran ventaja para las bacterias.
Este exoesqueleto de la pared celular proporciona a las bacterias varios beneficios. La pared celular protege a la bacteria del daño rodeándola con una estructura rígida y resistente. Esta estructura también es porosa. Las moléculas pequeñas pueden pasar libremente a través de la pared celular hacia la membrana, pero se excluyen las moléculas grandes. De esta forma, la pared celular actúa como un filtro grueso. Sin embargo, la función principal de la pared celular es mantener la forma de la célula y evitar que estalle por la presión osmótica (llamada lisis).
Como era de esperar, la naturaleza parece haber resuelto el desafío a la perfección. ¡La pared celular mantiene su forma y su permeabilidad! Al profundizar en los detalles, podemos comprender cómo la pared celular logra esto.
Peptidoglicano
El principal componente estructural de la pared celular es el peptidoglicano , que es una molécula compleja compuesta por unidades alternas de N-acetilglucosamina (NAG) y ácido N-acetilmurámico (NAM) reticulado por péptidos cortos. El resultado es un patrón de rayado cruzado plano que es muy fuerte y rígido, pero lo suficientemente abierto para el movimiento de partículas. Como puede ver, el peptidoglicano se asemeja a una cerca de tela metálica.
Casi todas las bacterias tienen paredes celulares hechas de peptidoglicano. Pero hay más en una pared celular que solo peptidoglicano. En la naturaleza, existen dos tipos principales de paredes celulares, Gram-positivas y Gram-negativas, cada una con estructuras muy diferentes. El término ‘Gram’ se refiere a la técnica de tinción de Gram que diferencia las bacterias con dos paredes celulares diferentes. Para esta lección, no es importante conocer el procedimiento de tinción exacto.
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Gram positivas
Las bacterias Gram positivas tienen múltiples capas de peptidoglicano que forman paredes celulares rígidas y muy gruesas. Las capas planas y sombreadas de peptidoglicano se apilan una encima de la otra, creando una pared celular relativamente gruesa. Abarcando la pila de peptidoglicano se encuentra el ácido teicoico. Esta molécula larga tiene una carga negativa y ayuda a mover los iones a través de la pared celular gruesa. Es importante señalar que el ácido teicoico solo se encuentra en bacterias Gram positivas.
Gram-negativo
Las bacterias Gram negativas se diferencian de las Gram positivas de dos formas principales. La pared celular gramnegativa está compuesta de solo una o dos capas de peptidoglicano que está cubierta por una membrana externa.
Las bacterias gramnegativas tienen una membrana celular típica que cubre toda la célula. Justo afuera de esta membrana se encuentra el periplasma , que es una capa gelatinosa entre la membrana externa y la membrana celular. El espacio periplásmico incluye las capas de peptidoglicano, así como enzimas y proteínas de transporte adicionales. En las bacterias gramnegativas, solo hay una o dos capas de la malla de peptidoglicano.
Inmediatamente fuera del periplasma está la membrana externa. La superficie interna de la membrana externa está hecha de fosfolípidos al igual que la membrana celular. La superficie exterior de la membrana exterior tiene una composición diferente. En lugar de ser fosfolípidos, esta mitad de la membrana está compuesta por lipopolisacáridos (LPS) unidos a moléculas de lípido A. Estos LPS son principalmente estructurales, pero también son endotoxinas bacterianas. Si una bacteria Gram-negativa muere, los LPS se liberan y pueden ser tóxicos para los organismos hospedadores.
A lo largo de la membrana externa hay porinas. Estas proteínas forman poros en la membrana externa que permiten que pequeñas moléculas hidrofílicas como azúcares y aminoácidos entren en el espacio periplásmico pero mantienen afuera las moléculas hidrofóbicas más grandes. A menudo, estas porinas impiden que los tintes, los antimicrobianos y los desinfectantes entren en la célula.
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Lo último que hay que recordar acerca de las bacterias gramnegativas es que se consideran bacterias de doble membrana, con una membrana externa además de la membrana celular normal. Las bacterias Gram positivas solo tienen la membrana celular.
Resumen de la lección
Hemos aprendido que casi todas las bacterias tienen pared celular. La función principal de la pared celular es mantener la forma y la integridad de la célula frente a una alta presión osmótica. La presión resulta de la alta concentración de moléculas disueltas dentro de la célula en relación con el medio ambiente.
Además de evitar que la célula se rompa, la pared celular es porosa , lo que permite el transporte de nutrientes y desechos dentro y fuera de la célula.
La fuerza y la porosidad de la pared celular es el resultado del peptidoglicano . Las moléculas NAG y NAM unidas entre sí por péptidos forman un patrón de sombreado, que se asemeja a una cerca de tela metálica.
Si las bacterias tienen una pared gruesa de muchas capas de peptidoglicano, la bacteria es grampositiva . En toda la pared celular hay ácido teicoico que facilita la transferencia de iones.
Si las bacterias tienen una pared celular delgada de solo una o dos capas de peptidoglicano rodeadas por una segunda membrana externa, es Gram-negativa . Estas bacterias de doble membrana tienen porinas y lipopolisacáridos en sus membranas externas.
Resultado de la lección
Cuando haya terminado esta lección, debería poder:
- Reconocer el propósito de las paredes celulares y las bacterias.
- Describe por qué las paredes celulares son porosas.
- Comparar y contrastar por qué las paredes bacterianas pueden ser Gram positivas o Gram negativas
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