Introducción a las Bacterias

Las bacterias fueron descubiertas por Anton van Leeuwenhoek en 1683, quien las llamó «animálculos» (organismos que solo se pueden observar con un microscopio). Christian Gottfried Ehrenberg introdujo posteriormente el nombre de «bacteria».

Características Generales

• Son microorganismos procariotas (unicelulares).
• Se reproducen principalmente por fisión binaria, de manera asexual.
• Se encuentran en hábitats extremadamente diversos: el suelo, el subsuelo, el agua, glaciares, fuentes hidrotermales, el tracto digestivo de animales, el fondo oceánico, desechos radiactivos, etc.
• Son consideradas la forma de vida más antigua de la Tierra.

Estructura Bacteriana

Las bacterias están formadas por:

• Citoplasma: Es el interior bacteriano que contiene ribosomas (responsables de la síntesis de proteínas) y el nucleoide (región que alberga el material genético, ADN).
• Membrana plasmática: Envoltura de proteínas y fosfolípidos, similar a la de las células eucariotas, pero generalmente con más proteínas, sin colesterol y con repliegues internos (mesosomas en algunas).
• Pared celular: Envoltura rígida compuesta principalmente de peptidoglicano que protege a la bacteria y le confiere forma (ausente en micoplasmas).
• Cápsula: Cubierta externa gelatinosa (hidrofílica) compuesta de glucoproteínas y polisacáridos. Puede ser una estructura firme o más laxa y amorfa (llamada capa mucosa o pseudocápsula).
• Flagelos: Estructuras filamentosas complejas compuestas por la proteína flagelina, que otorgan movilidad a las bacterias. Una bacteria puede tener uno o múltiples flagelos.
• Pili (o fimbrias): Proyecciones cortas en forma de pelo que permiten la adherencia a superficies y, en el caso de los pili sexuales, el intercambio de material genético (conjugación).
• Esporas (endosporas): Formaciones altamente resistentes con bajo contenido de agua, producidas por algunas bacterias (como los géneros Bacillus y Clostridium) en condiciones ambientales desfavorables.

Morfología Bacteriana

Las bacterias presentan diversas formas:

• Cocos: Tienen forma esférica o ligeramente ovoide. Según su agrupación, se denominan: cocos (aislados), diplococos (pares), estafilococos (racimos), estreptococos (cadenas), sarcinas (cubos), tétradas (grupos de cuatro).
• Bacilos: Tienen forma de bastón. Pueden ser: cocobacilos (cortos y anchos), bacilos (aislados), diplobacilos (pares), estreptobacilos (cadenas).
• Vibrios: Son bacilos cortos y curvos, con forma de coma.
• Espirilos: Tienen forma espiralada o helicoidal rígida.
• Nota: Existen otras formas como las espiroquetas (helicoidales flexibles).

Origen y Evolución Procariota

El origen de la vida y de las primeras células procariotas se postula a través de varias etapas:

1. Periodo prebiótico: Formación de compuestos orgánicos simples (azúcares, ácidos grasos, aminoácidos) a partir de materia inorgánica en las condiciones de la Tierra primitiva.
2. Evolución biológica: Formación de macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos) y estructuras como los coacervados (agrupaciones de moléculas orgánicas rodeadas por una película de agua). Surgimiento del código genético, permitiendo la replicación y la creación de células autosuficientes.

Dominios de la Vida

Carl R. Woese identificó tres dominios principales de la vida basados en análisis de ARN ribosomal: Arqueobacterias (Archaea), Eubacterias (Bacteria) y Eucariotes (Eukarya). Se cree que estos tres dominios descienden de un ancestro común universal (progenote o LUCA). Los eucariotes habrían evolucionado a partir de un ancestro (posiblemente un urcariote) a través de procesos como la endosimbiosis.

Diferencias entre Dominios

Un ejemplo de diferencia estructural es el flagelo: el flagelo bacteriano es más simple y gira como una hélice, mientras que el flagelo arqueano tiene una estructura diferente, es más delgado y se mueve por un mecanismo distinto (crece desde la base, no desde la punta).

Las células procariotas precedieron a las eucariotas, apareciendo hace unos 3.400 millones de años. Los hongos, como ejemplo de eucariotas, aparecieron mucho después, hace unos 470 millones de años.

Ejemplo: Pseudomonas

Las bacterias del género Pseudomonas son un ejemplo importante:

• Son bacterias aerobias.
• Son gramnegativas.
• Son quimioheterótrofas.
• Son móviles (generalmente por flagelos polares) y tienen forma de bacilo.
• Presentan una notable versatilidad metabólica.
• A menudo son resistentes a antibióticos y otros productos químicos.

Metabolismo Bacteriano

El metabolismo bacteriano es el conjunto de procesos químicos que las bacterias utilizan para obtener energía y materia para su crecimiento y reproducción.

Clasificación Metabólica

Las bacterias se clasifican metabólicamente según:

1. Su fuente de carbono: autótrofas (usan CO₂ como fuente de carbono) o heterótrofas (usan compuestos orgánicos).
2. Su fuente de energía: fotótrofas (usan luz) o quimiótrofas (usan compuestos químicos). Las quimiótrofas pueden ser litótrofas (energía de compuestos inorgánicos) u organótrofas (energía de compuestos orgánicos).
3. Su aceptor final de electrones en la respiración: aerobias (usan oxígeno), anaerobias (usan otras moléculas distintas al oxígeno, como nitratos o sulfatos) o facultativas (pueden vivir con o sin oxígeno).

Tipos Especiales (Mixótrofas, Cianobacterias)

Mixótrofas: Son bacterias con un metabolismo energético generalmente litótrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su metabolismo biosintético (como fuente de carbono).

Cianobacterias (antiguamente llamadas algas verde-azules): Son bacterias gramnegativas que contienen clorofila, lo que les permite realizar fotosíntesis oxigénica (liberando oxígeno). Pueden sintetizar sus propios nutrientes a partir de dióxido de carbono y agua, usando la luz solar como fuente de energía.

Anabolismo y Catabolismo

Anabolismo o Biosíntesis: Es el conjunto de procesos químicos en las bacterias que implica la síntesis de nuevo material celular (componentes complejos a partir de moléculas simples). Requiere un aporte de energía del entorno para que la célula pueda crecer y multiplicarse. Sintetizan aminoácidos para proteínas, nucleótidos para ácidos nucleicos, monosacáridos para polisacáridos y ácidos grasos para lípidos.

Catabolismo: Es el conjunto de procesos químicos que descomponen nutrientes orgánicos o inorgánicos para liberar energía. Esta energía es utilizada en la biosíntesis y otras funciones celulares como el movimiento y, en algunos casos, la producción de calor.

Enzimas y Factores que Afectan

Las reacciones metabólicas son catalizadas por enzimas (proteínas especializadas, antiguamente llamadas diastasas, fermentos solubles o zimasas). La función enzimática es altamente específica y está influida por varios factores:

1. Especificidad: Cada enzima actúa sobre un sustrato específico.
2. Concentración: Tanto la concentración de la enzima como la del sustrato afectan la velocidad de la reacción.
3. pH: Cada enzima tiene un pH óptimo de funcionamiento.
4. Temperatura: La actividad enzimática aumenta con la temperatura hasta un punto óptimo, a partir del cual se desnaturaliza.
5. Presencia de inhibidores: Sustancias (como algunos venenos o antibióticos) que pueden disminuir o bloquear la actividad enzimática.

Fermentación

Fermentación tiene diferentes conceptos:

1. En un sentido amplio, consiste en la descomposición de sustancias orgánicas complejas en otras más simples por la acción de microorganismos.
2. En bioquímica, se refiere a procesos químicos liberadores de energía en los cuales tanto el donador de hidrógeno como el aceptor final de hidrógeno son sustancias orgánicas. Generalmente, se realiza en condiciones anaeróbicas y no implica una cadena de transporte de electrones como la respiración.

Reproducción Bacteriana

Las principales formas de reproducción o multiplicación bacteriana son:

1. Fisión binaria: Es la forma más común. Consiste en la duplicación del material genético y los componentes celulares, el aumento del tamaño de la célula y su posterior división en dos células hijas idénticas. Implica la formación de un septo transversal.
2. Conjugación: No es una forma de reproducción en sí misma, sino un mecanismo de transferencia de material genético (generalmente plásmidos) entre dos bacterias a través de un pilus sexual. Aumenta la variabilidad genética.
3. Formación de esporas (endosporas): No es un método reproductivo, sino una estrategia de supervivencia. Una célula bacteriana forma una única espora resistente en su interior para sobrevivir a condiciones adversas.

Septo: Estructura (pared transversal) que se forma en el centro de las bacterias durante la fisión binaria y que separa el citoplasma de la célula madre en dos partes antes de la división completa.

Coacervado: Agrupación de moléculas orgánicas (como proteínas y lípidos) que se forma espontáneamente en una solución acuosa, rodeada por una película de agua. Se consideran posibles precursores de las primeras células.

Identificación y Clasificación

Existen diversos métodos para identificar y clasificar bacterias:

Fagotipia: Método que clasifica cepas bacterianas basándose en su susceptibilidad diferencial a la infección por diferentes tipos de bacteriófagos (virus que infectan bacterias).

Serología: Estudio del suero sanguíneo y otras secreciones corporales. En bacteriología, se utiliza para detectar la presencia de anticuerpos específicos producidos por el sistema inmunitario del huésped contra determinadas bacterias, o para identificar antígenos bacterianos usando anticuerpos conocidos.

Fotosíntesis en Bacterias y Plantas

La Fotosíntesis es el proceso metabólico mediante el cual ciertos organismos (plantas, algas y algunas bacterias), utilizando la energía de la luz solar, convierten materia inorgánica (dióxido de carbono y agua) en materia orgánica (glucosa y otros azúcares), liberando oxígeno como subproducto en la fotosíntesis oxigénica.

Bacterias Fotosintéticas (Bacterias Verdes)

Las bacterias verdes son un grupo de procariotas fotosintéticos que poseen pigmentos como la bacterioclorofila, lo que les confiere su color característico. Realizan fotosíntesis anoxigénica (no producen oxígeno). Se clasifican principalmente en dos grupos: las bacterias verdes del azufre (usan sulfuro de hidrógeno como donador de electrones) y las bacterias verdes no del azufre (usan otros compuestos orgánicos o inorgánicos reducidos).

Clorosomas: Son estructuras elipsoidales únicas presentes en las bacterias verdes del azufre y algunas bacterias filamentosas anoxigénicas (como Chloroflexus), que actúan como complejos antena altamente eficientes para captar la luz, incluso en condiciones de baja intensidad lumínica. Se localizan bajo la membrana citoplasmática.

Factores que Afectan la Fotosíntesis

La tasa de fotosíntesis se ve afectada por diversos factores:

1. Externos: Cantidad y calidad (longitud de onda) de la luz incidente sobre las hojas, temperatura ambiente, concentración de CO₂ atmosférico, concentración de O₂ (la fotorrespiración compite con la fotosíntesis) y disponibilidad de agua.
2. Internos: Estructura de la hoja (grosor, número de estomas), contenido de clorofila y otros pigmentos, acumulación de productos de la fotosíntesis en los cloroplastos, actividad de las enzimas implicadas en el proceso y presencia de nutrientes minerales esenciales.

Plástidos (en Eucariotas)

Los Plástidos son orgánulos característicos de las células de las plantas y las algas, con diversas funciones relacionadas con la síntesis y almacenamiento de sustancias. Se originaron por endosimbiosis.

• Cromoplastos: Orgánulos que almacenan pigmentos carotenoides, responsables de los colores amarillos, naranjas o rojos de muchas flores, frutos y raíces.
• Leucoplastos: Orgánulos incoloros (carecen de pigmentos) que almacenan sustancias de reserva como almidón (amiloplastos), proteínas (proteinoplastos) o lípidos (oleoplastos). Se encuentran principalmente en tejidos no fotosintéticos como raíces o semillas.
• Cloroplastos: Orgánulos que contienen clorofila y otros pigmentos fotosintéticos. Son el sitio donde se realiza la fotosíntesis en plantas y algas. Tienen una estructura compleja con membranas internas (tilacoides) donde ocurren las reacciones dependientes de la luz.

Etapas de la Fotosíntesis (en plantas y algas)

La fotosíntesis se divide generalmente en dos etapas principales:

• Fase lumínica (o dependiente de la luz): Ocurre en las membranas tilacoidales de los cloroplastos. La energía de la luz solar se captura y se convierte en energía química almacenada en moléculas de ATP y NADPH. Durante este proceso, la molécula de agua se rompe (fotólisis), liberando oxígeno al ambiente.
• Fase oscura (o independiente de la luz, ciclo de Calvin): Ocurre en el estroma de los cloroplastos. El ATP y el NADPH producidos en la fase luminosa se utilizan para fijar el dióxido de carbono (CO₂) atmosférico y reducirlo para sintetizar glucosa y otros carbohidratos.

Ciclos Fotosintéticos (C3, C4, CAM)

Existen diferentes vías para la fijación del CO₂ en la fase oscura:

Ciclo de Calvin (C3): Es la vía más común. Fija directamente el CO₂ atmosférico a una molécula de 5 carbonos, la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), formando un compuesto inestable de 6 carbonos que se divide en dos moléculas de 3 carbonos (ácido 3-fosfoglicérico). El ciclo consta de tres etapas: carboxilación (fijación del CO₂), reducción (formación de gliceraldehído-3-fosfato (G3P) usando ATP y NADPH) y regeneración de la RuBP. Es la base para la producción de carbohidratos.

Ciclo de Hatch-Slack (C4): Es una adaptación presente en algunas plantas (maíz, caña de azúcar) que viven en climas cálidos y secos. Fija inicialmente el CO₂ en las células del mesófilo en un compuesto de 4 carbonos (oxalacetato o malato). Este compuesto se transporta a las células de la vaina del haz, donde libera el CO₂ que entra entonces en el ciclo de Calvin. Esta separación espacial permite concentrar el CO₂ alrededor de la enzima RuBisCO, aumentando la eficiencia fotosintética y reduciendo la fotorrespiración en condiciones de alta luminosidad y temperatura.

Metabolismo Ácido de las Crasuláceas (CAM): Es una adaptación temporal presente en plantas de ambientes muy áridos (cactus, piña). Estas plantas abren sus estomas por la noche para captar CO₂ y lo fijan en forma de ácido málico, que se almacena en las vacuolas. Durante el día, con los estomas cerrados para evitar la pérdida de agua, liberan el CO₂ del ácido málico y lo utilizan en el ciclo de Calvin para la fotosíntesis, utilizando la luz solar. Separa la captación de CO₂ y el ciclo de Calvin en el tiempo (noche/día).