2.3C: La pared celular resistente al ácido

Declaraciones fundamentales para este objeto de aprendizaje:

En esta sección de Anatomía Celular Procariota estamos analizando las diversas partes anatómicas que conforman una bacteria. Como se mencionó en la introducción a esta sección, una bacteria típica generalmente consiste en:

• una membrana citoplasmática rodeada por una pared celular de peptidoglicano y tal vez una membrana externa;
• un citoplasma fluido que contiene una región nuclear (nucleoide) y numerosos ribosomas; y
• a menudo diversas estructuras externas como un glicocáliz, flagelos y pili.

Hay tres tipos primarios de pared celular bacteriana: Gram-positivos, Gram-negativos y ácido-resistentes. Ahora veremos la pared celular acidorresistente.

Las bacterias ácido-resistentes se tiñen mal con el procedimiento de tinción Gram, apareciendo débilmente Gram-positivas o Gram-variables. Por lo general, se caracterizan mediante el procedimiento de tinción ácido-resistente. Como se mencionó en la sección anterior sobre peptidoglicano, las bacterias con una pared celular ácido-resistente resisten la decoloración con una mezcla ácido-alcohol durante el procedimiento de tinción ácido-resistente, retienen el colorante inicial carbol fucsina y aparecen de color rojo (Figura\(\PageIndex{1; left}\)). Las bacterias ácido-resistentes comunes de importancia médica incluyen Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, Mycobacterium avium-intracellulare complex y especies de Nocardia.

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) Micrografía Electrónica de Barrido de Mycobacterium tuberculosis. Imagen proporcionada por el Dr. Ray Butler y Janice Carr. Cortesía de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades. (derecha) Tinción ácido-rápida de Mycobacterium tuberculosis en Esputo. Tenga en cuenta los bacilos ácido-resistentes rojizos entre la flora azul normal y los glóbulos blancos en el esputo que no son ácido-resistentes.

Estructura y composición de la pared celular ácido-resistente

Las bacterias ácido-resistentes son grampositivas, pero además del peptidoglicano, la membrana externa o envoltura de la pared celular ácido-resistente de contiene grandes cantidades de glicolípidos, especialmente ácidos micólicos que en el género Mycobacterium, constituyen aproximadamente el 60% de la pared celular ácido-resistente (Figura \(\PageIndex{2}\)).

• Capa 1: La pared celular acidorresistente de Mycobacterium tiene una fina capa interna de peptidoglicano.
• Capa 2: La capa de peptidoglicano está, a su vez, unida a arabinogalactano (D-arabinosa y D-galactosa).
• Capa 3: El arabinogalactano se une luego a una membrana externa que contiene ácidos micólicos de alto peso molecular. La capa de arabinogalactano/ácido micólico se recubre con una capa de polipéptidos y ácidos micólicos que consiste en lípidos libres, glicolípidos y peptidoglicolípidos. Otros glicolípidos incluyen lipoarabinomanano y fosfatidiinositol manósidos (PIM). Al igual que la membrana externa de la pared celular gramnegativa, las porinas son necesarias para transportar pequeñas moléculas hidrófilas a través de la membrana externa de la pared celular ácido-resistente.
• Capa 4: La superficie externa de la pared celular acidorresistente está tachonada de proteínas superficiales que difieren con la cepa y la especie de la bacteria.
• Capa 5: El periplasma es el material gelatinoso entre el peptidoglicano y la membrana citoplasmática.

Figura\(\PageIndex{2}\): Estructura de una Pared Celular Acidorresistente. Además del peptidoglicano, la pared celular acidorresistente de Mycobacterium contiene una gran cantidad de glicolípidos, especialmente ácidos micólicos. La capa de peptidoglicano se une a arabinogalactano (D-arabinosa y D-galactosa) que luego se une a ácidos micólicos de alto peso molecular. La capa de arabinogalactano/ácido micólico se recubre con una capa de polipéptidos y ácidos micólicos que consiste en lípidos libres, glicolípidos y peptidoglicolípidos. Otros glicolípidos incluyen lipoarabinomanano y fosfatidiinositol manósidos (PIM). Al igual que la membrana externa de la pared celular gramnegativa, las porinas son necesarias para transportar pequeñas moléculas hidrófilas a través de la membrana externa de la pared celular ácido-resistente. Debido a su pared celular única, cuando se tiñe por el procedimiento ácido-rápido, resistirá la decoloración con ácido-alcohol y se manchará de rojo, el color de la mancha inicial, carbol fucsina. Con la excepción de muy pocas otras bacterias ácido-resistentes como Nocardia, todas las demás bacterias se decolorarán y se mancharán de azul, el color de la contratinción azul de metileno.

Funciones de los componentes de pared celular resistentes al ácido

• Capa 1: El peptidoglicano previene la lisis osmótica.
• Capa 2: La capa de arabinogalactano está unida tanto al peptidoglicano como a la membrana externa del ácido micólico y probablemente proporciona resistencia adicional a la pared celular.
• Capa 3: Los ácidos micólicos y otros glicolípidos también impiden la entrada de químicos haciendo que los organismos crezcan lentamente y sean más resistentes a los agentes químicos y componentes lisosómicos de los fagocitos que la mayoría de las bacterias (Figura\(\PageIndex{2}\)). Hay muchas menos porinas en la pared celular ácido-resistente en comparación con la pared celular gramnegativa y los poros son mucho más largos. Se cree que esto contribuye significativamente a la menor permeabilidad de las bacterias ácido-resistentes.
• Capa 4: Las proteínas superficiales en la pared celular ácido-resistente, dependiendo de la cepa y especie, llevan a cabo una variedad de actividades, incluyendo funcionar como enzimas y servir como adhesinas, que permiten que la bacteria se adhiera íntimamente a las células hospedadoras y otras superficies con el fin de colonizar y resistir el rubor.
• Capa 15 El periplasma contiene enzimas para la descomposición de los nutrientes.

Ejercicio: Preguntas de Pensar-Par-Compartir

Mycobacterium tuberculosis es una bacteria de crecimiento muy lento con un tiempo de generación a menudo medido en días a semanas. También es resistente a la gran mayoría de los antibióticos que comúnmente son efectivos contra otras bacterias y el tratamiento suele ser con una combinación de medicamentos hasta por 9 meses.

A partir de lo que acabamos de aprender, explicar lo que podría explicar estas dos características.

Importancia de los componentes ácido-resistentes de la pared celular para el inicio de las defensas corporales

El cuerpo tiene dos sistemas inmunitarios: el sistema inmune innato y el sistema inmune adaptativo.

1. La inmunidad innata es un mecanismo de defensa no específico de antígeno que un huésped utiliza inmediatamente o dentro de varias horas después de la exposición a casi cualquier microbio. Esta es la inmunidad con la que nace y es la respuesta inicial del cuerpo para eliminar microbios y prevenir la infección.
2. La inmunidad adaptativa (adquirida) se refiere a mecanismos de defensa específicos de antígeno que tardan varios días en volverse protectores y están diseñados para reaccionar y eliminar un antígeno específico. Esta es la inmunidad que se desarrolla a lo largo de la vida.

Iniciación de la Inmunidad Innata

Para protegerse contra la infección, una de las cosas que el cuerpo debe hacer inicialmente es detectar la presencia de microorganismos. El cuerpo hace esto reconociendo moléculas únicas de microorganismos que no están asociados con células humanas. Estas moléculas únicas se denominan patrones moleculares asociados a patógenos o PAMP. Las especies patógenas de Mycobacterium como Mycobacterium tuberculosis y Mycobacterium leprae liberan ácido micólico, arabinogalactano y fragmentos de peptidoglicano de su pared celular ácido-resistente. (Debido a que todos los microbios, no solo los microbios patógenos, poseen PAMP, los patrones moleculares asociados a patógenos se denominan en algún momento patrones moleculares asociados a microbios o MAMP).

Estos PAMPS se unen a receptores de reconocimiento de patrones o PRR en una variedad de células de defensa del cuerpo provocando que sinteticen y secreten una variedad de proteínas llamadas citoquinas. Estas citoquinas pueden, a su vez, promover defensas inmunitarias innatas como la inflamación, la fagocitosis, la activación de las vías del complemento y la activación de la vía de coagulación.

La inflamación es la primera respuesta a infecciones y lesiones y es fundamental para la defensa corporal. Básicamente, la respuesta inflamatoria es un intento por parte del cuerpo de restaurar y mantener la homeostasis después de una lesión. La mayoría de los elementos de defensa corporal se encuentran en la sangre, y la inflamación es el medio por el cual las células de defensa corporal y los químicos de defensa corporal salen de la sangre y entran en el tejido alrededor de un sitio lesionado o infectado.

Las células de defensa corporal llamadas macrófagos, y las células dendríticas tienen receptores de reconocimiento de patrones tales como receptores tipo Toll en su superficie que son específicos para los fragmentos de peptidoglicano y ácidos micólicos en la pared celular ácido-resistente y/o a NOD en su citoplasma que son específicos para fragmentos de peptidoglicano . La unión de estos componentes de la pared celular a sus receptores de reconocimiento de patrones correspondientes desencadena que los macrófagos liberen diversos químicos reguladores de defensa llamados citocinas, incluyendo IL-1 y TNF-alfa. Las citocinas luego se unen a los receptores de citocinas en las células diana e inician la inflamación y activan tanto las vías del complemento como la vía de coagulación.

La inmunidad innata se discutirá con mayor detalle en la Unidad 5.

Iniciación de la inmunidad adaptativa

Las proteínas y polisacáridos asociados a la pared celular ácido-resistente funcionan como antígenos e inician la inmunidad adaptativa. Un antígeno se define como una forma molecular que reacciona con moléculas de anticuerpos y con receptores de antígeno en linfocitos. Reconocemos esas formas moleculares como extrañas o diferentes de las formas moleculares de nuestro cuerpo porque se ajustan a receptores específicos de antígenos en nuestros linfocitos B y linfocitos T, las células que llevan a cabo la inmunidad adaptativa.

Las porciones o fragmentos reales de un antígeno que reaccionan con anticuerpos y con receptores en linfocitos B y linfocitos T se denominan epítopos. Un epítopo es típicamente un grupo de 5-15 aminoácidos con una forma única que constituye una porción de un antígeno proteico, o 3-4 residuos de azúcar que se ramifican de un antígeno polisacárido. Un solo microorganismo tiene cientos de epítopos de diferentes formas que nuestros linfocitos pueden reconocer como extraños y montar una respuesta inmune adaptativa contra.

El cuerpo reconoce un antígeno como extraño cuando los epítopos de ese antígeno se unen a linfocitos B y linfocitos T por medio de moléculas receptoras específicas de epítopos que tienen una forma complementaria a la del epítopo. El receptor epitópico en la superficie de un linfocito B se llama receptor de células B y en realidad es una molécula de anticuerpo. El receptor en un linfocito T se llama receptor de células T (TCR).

Hay dos ramas principales de las respuestas inmunes adaptativas: la inmunidad humoral y la inmunidad mediada por células.

1. Inmunidad humoral: La inmunidad humoral implica la producción de moléculas de anticuerpos en respuesta a un antígeno y está mediada por linfocitos B. A través de una variedad de mecanismos, estos anticuerpos son capaces de eliminar o neutralizar microorganismos y sus toxinas después de unirse a sus epítopos.
2. Inmunidad mediada por células: La inmunidad mediada por células implica la producción de linfocitos T citotóxicos, macrófagos activados, células NK activadas y citocinas en respuesta a un antígeno y está mediada por linfocitos T. Estas células de defensa ayudan a eliminar las células infectadas y las células cancerosas que muestran epítopos extraños.

La inmunidad adaptativa se discutirá con mayor detalle en la Unidad 6.

Significado de los componentes ácido-resistentes de la pared celular para la patogenicidad bacteriana

Se cree que la mayor parte del daño en los pulmones durante la tuberculosis se debe a los efectos inflamatorios de la producción excesiva de TNF-alfa, junto con la liberación de componentes lisosómicos tóxicos de los macrófagos que intentan matar a Mycobacterium tuberculosis.

Da click en este enlace, lee la descripción de Mycobacterium tuberculosis, y poder hacer coincidir la bacteria con su descripción en un examen.

Agentes antimicrobianos que inhiben la síntesis ácida de la pared celular para controlar especies de Mycobacterium

El INH (isoniazida) bloquea la incorporación de ácido micólico en las paredes celulares acidorresistentes mientras que el etambutol interfiere con la incorporación de arabinoglactano (Figura\(\PageIndex{2}\)). Ambos inhiben la síntesis de la pared celular ácido-resistente. La pirazinamida inhibe la síntesis de ácidos grasos en Mycobacterium tuberculosis.

Preguntas de Think-Pair-Share

Observe la siguiente micrografía electrónica de transmisión y tinción de Gram de la misma bacteria.

(izquierda) Micrografía electrónica de transmisión: (derecha) Tinción de Gram

1. ¿Este organismo es Gram-positivo, Gram-negativo o ácido-rápido?
2. ¿Cómo se puede decir? Indicar todas las razones.

Resumen

1. Debido a la naturaleza de su pared celular, las bacterias ácido-resistentes se tiñen de rojo después de la tinción ácido-resistente
2. El género Mycobacterium y el género Nocardia se encuentran entre las pocas bacterias que poseen una pared celular acidorresistente.
3. La pared celular ácido-resistente consiste en una fina capa interna de peptidoglicano unida a una capa de arabinogalactina, que a su vez se une a una membrana externa que contiene ácidos micólicos y se recubre con una variedad de polipéptidos y glicolípidos.
4. Las porinas son necesarias para transportar pequeñas moléculas hidrófilas a través de la membrana externa de la pared celular acidorresistente.
5. La pared celular acidorresistente activa tanto las defensas inmunitarias innatas del cuerpo como sus defensas inmunitarias adaptativas.
6. El cuerpo activa la inmunidad innata al reconocer moléculas únicas de microorganismos que no están asociadas con células humanas llamadas patrones moleculares asociados a patógenos o PAMP. Los PAMP se unen a receptores de reconocimiento de patrones (PRR) en las células de defensa para desencadenar la producción de citocinas inflamatorias.
7. La inflamación es el medio por el cual el cuerpo entrega células de defensa y moléculas de defensa a un sitio de infección, sin embargo, la inflamación excesiva, puede ser dañina e incluso mortal para el organismo.
8. Los PAMP asociados con la pared celular ácido-resistente incluyen monómeros de peptidoglicano, arabinogalactina y ácidos micólicos.
9. Un antígeno es una forma molecular que reacciona con los receptores de antígeno en los linfocitos para iniciar una respuesta inmune adaptativa.
10. Las moléculas de la pared celular también pueden desencadenar inmunidad adaptativa, como la producción de moléculas de anticuerpos contra antígenos de la pared celular bacteriana.
11. Algunos agentes quimioterapéuticos antimicrobianos inhiben la síntesis de la pared celular ácido-resistente

Preguntas

Estudie el material en esta sección y luego escriba las respuestas a estas preguntas. No se limite a hacer clic en las respuestas y escríbelas. Esto no pondrá a prueba tu comprensión de este tutorial.

1. Indique qué color aparecen las bacterias ácido-resistentes después del procedimiento de tinción ácido-resistente. (ans)
2. Describir la estructura y apariencia de una pared celular acidorresistente. (ans)
3. Indicar la función beneficiosa para la bacteria de los siguientes componentes de la pared celular acidorresistente:
   1. peptidoglicano (ans)
   2. ácido micólico y otros glicolípidos (ans)
   3. porinos (ans)
4. Mycobacterium tuberculosis es mucho más resistente a los antibióticos y desinfectantes que la mayoría de las otras bacterias. También crece mucho más lentamente. ¿Por qué podría ser esto? (ans)
5. Prueba de pared celular de opción múltiple (ans)