A LANGE medical book

Jawetz, Melnick y Adelberg

Microbiologa mdica25a. edicin

Geo. F. Brooks, MDProfessor Emeritus of Laboratory Medicine andMicrobiology and ImmunologyUniversity of CaliforniaSan Francisco

Karen C. Carroll, MDProfessor of PathologyTh e John Hopkins University School of MedicineDirector, Division Medical MicrobiologyTh e Johns Hopkins HospitalBaltimore

Janet S. Butel, PhDDistinguished Service ProfessorChair, Department of Molecular Virology and Micro-biologyBaylor College of MedicineHouston

Stephen A. Morse, PhDAssociate Director for ScienceBioterrorism Preparedness and Response ProgramNational Center for Infectious DiseasesCenters of Disease Control and PreventionAtlanta

Timothy A. Mietzner, PhDAssociate ProfessorDepartment of Microbiology and Molecular GeneticsUniversity of Pittsburgh School of Medicine PittsburghAdjunct Associate Professor of MicrobiologyArizona School of Dentistry and Oral Health Mesa

Traduccin:Jos Rafael Blengio Pinto Jos Luis Gonzlez Hernndez Ana Mara Prez Tamayo Ruiz Germn Arias Rebatet

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SAO PAULO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL

NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR ST. LOUIS SIDNEY TORONTO

Director editorial: Javier de Len FragaEditor de desarrollo: Norma Leticia Garca CarbajalCorreccin de estilo: Gabriel Gonzlez Loyola, Rita Gabriela Len Jimnez, Alma Rosa HigueraSupervisor de produccin: Jos Luis Gonzlez Huerta

NOTA

La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirn cambios de la teraputica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificacin medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicacin. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la medicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparacin de la obra garantizan que la informacin contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha informacin se obtengan. Convendra recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habr que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la informacin de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administracin. Esto es de particular importancia con respecto a frmacos nuevos o de uso no frecuente. Tambin deber consultarse a los laboratorios para recabar informacin sobre los valores normales.

JAWETZ, MELNICK Y ADELBERG. MICROBIOLOGA MDICA.

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2011, respecto a la primera edicin en espaol, porMcGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V.A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. nm. 736

ISBN: 978-607-15-0503-3

Translated from the twenty-fifth English edition of: Jawetz, Melnick, & Adelbergs Medical MicrobiologyCopyright 2010 by The McGraw-Hill Companies, Inc.Previous editions copyright 2004 by The McGraw-Hill Companies, Inc.; copyright 2001, 1995, 1991, 1989 by Appleton & Lange.All Rights ReservedISBN : 978-0-07-162496-1

1234567890 109876543210Impreso en China Printed in China

iii

Contenido

Prefacio xi

S E C C I N IBASES DE LA MICROBIOLOGA 1Stephen A. Morse, PhD* y Timothy A. Meitzner, PhD

1. La ciencia de la microbiologa 1Introduccin 1Principios biolgicos ilustrados por la

microbiologa 1Virus 2Priones 2Procariotas 3Protistas 5Preguntas de revisin 7

2. Estructura celular 9Introduccin 9Mtodos pticos 9Estructura de clulas eucariotas 11Estructura de clulas procariotas 13Tincin 36Cambios morfolgicos durante la proliferacin 37Preguntas de revisin 38

3. Clasifi cacin de las bacterias 41Criterios para clasifi car a las bacterias 42Sistemas de clasifi cacin 43Descripcin de las principales categoras y grupos

de bacterias 44Subtipifi cacin y su aplicacin 47Taxonoma basada en cidos nucleicos 48Mtodos sin cultivos para identifi car

microorganismos patgenos 50Preguntas de revisin 51

4. Desarrollo, supervivencia y muerte de los microorganismos 53Supervivencia de los microorganismos

en el ambiente natural 53

Importancia del crecimiento 53Proliferacin exponencial 53Curva de proliferacin 55Mantenimiento de las clulas en etapa

exponencial 56Defi nicin y valoracin de la muerte 56Antimicrobianos 58Preguntas de revisin 62

5. Cultivo de microorganismos 65Necesidades para el crecimiento 65Fuentes de energa metablica 65Nutricin 66Factores ambientales que afectan el crecimiento 67Mtodos de cultivo 70Preguntas de revisin 73

6. Metabolismo microbiano 75Participacin del metabolismo en la biosntesis

y crecimiento 75Metabolitos focales y su interconversin 75Vas de asimilacin 80Vas biosintticas 85Patrones microbianos del metabolismo para la

produccin de energa 87Regulacin de las vas metablicas 94Preguntas de revisin 96

7. Gentica microbiana 97Organizacin de los genes 97Replicacin 102Transferencia de DNA 103Mutacin y reordenacin gentica 107Expresin gnica 108Ingeniera gentica 111Identifi cacin del DNA clonado 113Mutagnesis dirigida al sitio 116Anlisis con DNA clonado: sondas de

hibridacin 117Manipulacin del DNA clonado 117Preguntas de revisin 118

* Los captulos 1 a 7 fueron editados por Stephen A. Morse de acuerdo con su criterio profesional. No debe darse por sentado respaldo o aprobacin por parte de los CDC.

www.rinconmedico.smffy.com

iv Contenido

11. Bacilos grampositivos formadores de esporas: especies de Bacillus y Clostridium 165Especies de Bacillus 165Bacillus anthracis 165Bacillus cereus 167Especies de Clostridium 168Clostridium botulinum 169Clostridium tetani 170Clostridios que causan infecciones invasoras 171Clostridium diffi cile y enfermedades

diarreicas 172Preguntas de revisin 173

12. Bacilos grampositivos aerobios no esporulantes: Corynebacterium, Listeria, Erysipelothrix, Actinomyces y patgenos relacionados 175Corynebacterium diphtheriae 175Otras bacterias corineformes 179Listeria monocytogenes 180Erysipelothrix rhusiopathiae 181Actinomicetos 181Nocardiosis 182Actinomicetoma 183Preguntas de revisin 183

13. Estafi lococos 185Preguntas de revisin 191

14. Estreptococos 195Introduccin 195Clasifi cacin de los estreptococos 195Streptococcus pyogenes 197Streptococcus agalactiae 202Grupos C y G 202Estreptococos del grupo D 202Grupo de Streptococcus anginosus 202Estreptococos del grupo N 203Estreptococos de los grupos E, F, G, H y

K a U 203Estreptococos viridans 203Estreptococos nutricionalmente variables 203Peptostreptococcus 203Streptococcus pneumoniae 203Enterococos 206Otros cocos grampositivos catalasa

negativos 208Preguntas de revisin 209

15. Bacilos gramnegativos entricos (Enterobacteriaceae) 213Clasifi cacin 213

S E C C I N IIINMUNOLOGA 121Roderick Nairn, PhD

8. Inmunologa 121Inmunidad y respuesta inmunitaria 121Mecanismos de inmunidad innata 124Mecanismos de defensa especfi ca del

hospedador 126Molculas de reconocimiento de antgenos 127Anticuerpos 128Receptores de superfi cie celular para el

antgeno 131Inmunidad mediada por anticuerpos

(humorales) 135Sistema del complemento 136Inmunidad celular 138Citocinas 140Hipersensibilidad 140Respuestas inmunitarias inadecuadas a agentes

infecciosos 142Pruebas diagnsticas inmunolgicas 142Preguntas de revisin 143

S E C C I N IIIBACTERIOLOGA 145Geo. F. Brooks, MD y Karen C. Carroll, MD

9. Patogenia de la infeccin bacteriana 145Identifi cacin de las bacterias que causan

enfermedades 146Transmisin de la infeccin 147Proceso infeccioso 147Genmica y patogenicidad bacteriana 148Regulacin de los factores de virulencia

bacteriana 148Factores de virulencia bacteriana 149Preguntas de revisin 157

10. Microfl ora normal del cuerpo humano 159Participacin de la microbiota natural 159Microbiota normal de la piel 160Microbiota normal de la boca y vas respiratorias

superiores 161Microbiota normal del intestino 162Microbiota normal de la uretra 163Microbiota normal de la vagina 163Microbiota normal de la conjuntiva 163Preguntas de revisin 163

Contenido v

Yersinia enterocolitica y Yersinia pseudotuberculosis 259

Pasteurella 260Preguntas de revisin 260

20. Neisserias 263Neisseria gonorrhoeae 263Neisseria meningitidis 269Otros gonococos 270Preguntas de revisin 270

21. Infecciones causadas por bacterias anaerobias 273Bacterias anaerobias detectadas en infecciones

en seres humanos 274Patogenia de las infecciones anaerbicas 277Inmunidad en las infecciones por

anaerobios 278La naturaleza polimicrobiana de las infecciones

por anaerobios 278Diagnstico de infecciones por anaerobios 278Tratamiento de las infecciones por

anaerobios 279Preguntas de revisin 279

22. Legionelas, bartonelas y bacterias patgenas poco comunes 281Legionella pneumophila y otras legionelas 281Bartonella 284Bacterias que causan vaginosis 285Streptobacillus moniliformis 285Calymmatobacterium (Donovania)

Granulomatis 286Enfermedad de Whipple 286Preguntas de revisin 286

23. Micobacterias 289Mycobacterium tuberculosis 289Otras micobacterias 297Mycobacterium leprae 298Preguntas de revisin 299

24. Espiroquetas y otros microorganismos espirilares 301Treponema pallidum y sfi lis 301Enfermedades similares a la sfi lis 304Especies de Borrelia y borreliosis 305Borrelia burgdorferi y enfermedad de Lyme 306Spirillum minor (Spirillum morsus muris) 310Espiroquetas de la boca y las mucosas

normales 310Preguntas de revisin 311

Enfermedades causadas por enterobactericeas diferentes a Salmonella y Shigella 217

Las shigelas 220El grupo salmonela-Arizona 221Preguntas de revisin 225

16. Pseudomonas, Acinetobacter y bacterias gramne-gativas infrecuentes 227Pseudomonas aeruginosa 227Burkholderia pseudomallei 230Burkholderia mallei 230Complejo Burkholderia cepacia y Burkholderia

gladioli 230Stenotrophomonas maltophilia 231Otras Pseudomonas 231Actinobacillus 232Achromobacter y Alcaligenes 232Ochrobactrum 232Capnocytophaga 232Cardiobacterium 232Chromobacteria 232Eikenella corrodens 232Chryseobacterium 232Kingella 233Moraxella 233Preguntas de revisin 233

17. Vibrios, Campylobacter, Helicobacter y bacterias relacionadas 235Vibrio cholerae 235Vibrio parahaemolyticus y otros vibrios 238Campylobacter jejuni y Campylobacter

coli 239Campylobacter fetus 240Otros Campylobacter 240Helicobacter pylori 240Preguntas de revisin 242

18. Haemophilus, Bordetella, Brucella y Francisella 245Haemophilus infl uenzae 245Haemophilus aegyptius 247Aggregatibacter aphrophilus 247Haemophilus ducreyi 247Otras bacterias del gnero Haemophilus 248Bordetella pertussis 248Bordetella parapertussis 250Bordetella bronchiseptica 250Preguntas de revisin 254

19. Yersinia y Pasteurella 257Yersinia pestis y peste 257

vi Contenido

Tetraciclinas 361Glicilciclinas 362Cloranfenicol 362Eritromicinas 363Clindamicina y lincomicina 364Glucopptidos 364Daptomicina 364Estreptograminas 364Oxazolidinonas 365Bacitracina 365Polimixinas 365Aminoglucsidos 365Quinolonas 367Sulfonamidas y trimetoprim 368Otros frmacos con aplicaciones

especializadas 369Frmacos utilizados principalmente

para el tratamiento de las infecciones micobacterianas 369

Preguntas de revisin 371

S E C C I N IVVIROLOGA 373Janet S. Butel, PhD

29. Propiedades generales de los virus 373Trminos y defi niciones en virologa 373Orgenes evolutivos de los virus 374Clasifi cacin de los virus 374Principios de la estructura viral 378Composicin qumica de los virus 380Cultivo y anlisis virales 383Purifi cacin e identifi cacin de virus 384Seguridad en el laboratorio 385Reaccin a los agentes fsicos y qumicos 385Replicacin de los virus: generalidades 386Gentica de los virus animales 391Historia natural (ecologa) y modos de transmisin

de los virus 393Preguntas de revisin 394

30. Patogenia y control de enfermedades virales 397Principios de enfermedad viral 397Patogenia de las enfermedades virales 398Prevencin y tratamiento de las infecciones

virales 407Preguntas de revisin 413

31. Parvovirus 417Propiedades de los parvovirus 417

25. Micoplasmas y bacterias con pared defectuosa 313Micoplasmas 313Mycoplasma pneumoniae y neumonas

atpicas 315Mycoplasma hominis 316Ureaplasma urealyticum 316Mycoplasma genitalium 316Bacterias con pared defectuosa 316Preguntas de revisin 317

26. Rickettsia y Ehrlichia 319Generalidades 319Ehrlichiosis 323Preguntas de revisin 324

27. Clamidias 327Tracoma 330Infecciones genitales por Chlamydia trachomatis

y conjuntivitis de inclusin 331Linfogranuloma venreo 332Chlamydophila pneumoniae e infecciones

respiratorias 333Chlamydia psittaci y psitacosis 334Preguntas de revisin 336

28. Quimioterapia antimicrobiana 339Toxicidad selectiva 339Inhibicin de la sntesis de la pared

celular 339Inhibicin de la funcin de la membrana

celular 340Inhibicin de la sntesis de protenas 341Inhibicin de la sntesis de cidos nucleicos 343Origen de la farmacorresistencia 343Resistencia cruzada 344Limitacin de la farmacorresistencia 344Consecuencias clnicas de la

farmacorresistencia 344Factores que modifi can la actividad

antimicrobiana 346Medicin de la actividad antimicrobiana 346Relaciones entre frmaco y microorganismo

patgeno 347Relaciones entre hospedador y microorganismo

patgeno 348Seleccin de los antibiticos 348Riesgos del uso indiscriminado 349Antimicrobianos utilizados en combinacin 349Quimioprofi laxis antimicrobiana 350Penicilinas 352Cefalosporinas 358Otros lactmicos 361

Contenido vii

Reovirus 512Orbivirus y coltivirus 512Calicivirus 512Astrovirus 514Preguntas de revisin 515

38. Enfermedades virales transmitidas por artrpodos y roedores 517Encefalitis por togavirus y fl avivirus 519Fiebre amarilla 526Dengue 528Encefalitis por bunyavirus 529Fiebre por la mosca de la arena 530Fiebre del valle de Rift 530Fiebre por la garrapata de Colorado 530Enfermedades por bunyavirus 531Enfermedades por arenavirus 532Enfermedades por fi lovirus 534Preguntas de revisin 536

39. Ortomixovirus(virus de la infl uenza) 539Propiedades de los ortomixovirus 539Infecciones por el virus de la infl uenza en seres

humanos 544Preguntas de revisin 550

40. Paramixovirus y virus de la rubola 553Propiedades de los paramixovirus 553Infecciones por el virus de la parainfl uenza 556Infecciones por el virus sincitial respiratorio 560Infecciones por metaneumovirus humanos 562Infecciones por virus de la parotiditis 563Infeccin por el virus del sarampin 564Infecciones por virus Hendra y virus

Nipah 568Rubola posnatal 568Sndrome de rubola congnita 570Preguntas de revisin 571

41. Coronavirus 573Propiedades de los coronavirus 573Infecciones por coronavirus en seres humanos 574Preguntas de revisin 577

42. Rabia, infecciones por virus lentos y enfermedades prinicas 579Rabia 579Enfermedad de Borna 585Infecciones por virus lentos y enfermedades

prinicas 585Preguntas de revisin 588

Infecciones por parvovirus en seres humanos 418Preguntas de revisin 421

32. Adenovirus 423Propiedades de los adenovirus 423Infecciones por adenovirus en seres humanos 427Preguntas de revisin 430

33. Herpesvirus 433Propiedades de los herpesvirus 433Virus del herpes simple 437Virus de varicela-zoster 442Citomegalovirus 445Virus de Epstein-Barr 450Herpesvirus humano 6 453Herpesvirus humano 7 453Herpesvirus humano 8 453Virus B 453Preguntas de revisin 454

34. Poxvirus 457Propiedades de los poxvirus 457Infecciones por poxvirus en seres humanos:

enfermedad vacuna (vaccinia) y varicela 460Infecciones por viruela de los simios 464Infecciones por enfermedad vacuna 465Infecciones por viruela de bfalos 465Infecciones por virus de ectima contagioso 465Molusco contagioso 466Tumores smicos por virus tanapox y yaba

e infecciones por poxvirus 468Preguntas de revisin 468

35. Virus de la hepatitis 471Propiedades de los virus de la hepatitis 471Infecciones por el virus de la hepatitis en seres

humanos 476Preguntas de revisin 487

36. Picornavirus (grupos de enterovirus y rinovirus) 491Propiedades de los picornavirus 491Poliovirus 494Coxsackievirus 497Otros enterovirus 500Enterovirus en el medio ambiente 501Grupo parechovirus 501Grupo de los rinovirus 502Fiebre aft osa (aft ovirus del ganado) 503Preguntas de revisin 504

37. Reovirus, rotavirus y calicivirus 507Rotavirus 508

viii Contenido

Micotoxinas 655Farmacoterapia antimictica 655Antimicticos tpicos 660Preguntas de revisin 661

S E C C I N VIPARASITOLOGA 665Judy A. Sakanari, PhD y James H. McKerrow, MD, PhD

46. Parasitologa mdica 665Giardia lamblia (fl agelado intestinal) 669Entamoeba histolytica (amebas de intestino

y tejidos) 670Otras amebas intestinales 672Cryptosporidium (esporozoos intestinales) 672Cyclospora (esporozoos intestinales) 673Trichomonas vaginalis (fl agelado de vas

genitourinarias) 673Hemofl agelados 673Trypanosoma brucei rhodesiense y T. B. gambiense

(hemofl agelados) 674Trypanosoma cruzi (hemofl agelados) 675Especies de Leishmania (hemofl agelados) 675Entamoeba histolytica (ameba tisular) consltese

la seccin de infecciones intestinales por protozoos 677

Naegleria fowleri, Acanthamoeba castellanii y Balamuthia mandrillaris (amebas libres) 677

Especies de Plasmodium (esporozoos de la sangre) 677

Babesia microti (esporozoos de la sangre) 681Toxoplasma gondii (esporozoos tisulares) 682Microsporidios 682Enterobius vermicularis (oxiuro nematodo

intestinal) 683Trichuris trichiura (tricocfalo nematodo

intestinal) 683Ascaris lumbricoides (verme redondo de humanos

nematodo intestinal) 684Ancylostoma duodenale y Necator americanus

(uncinariosis de humanos nematodo intestinal) 684

Strongyloides stercoralis (estrongiloidosis humananematodo intestinal y tisular) 685

Trichinella spiralis (nematodo intestinal y tisular) 689

Fasciolopsis buski (duela intestinal gigantetrematodo intestinal) 690

Taenia saginata (tenia de la res cestodo intestinal) y Taenia solium (tenia del cerdo cestodo intesti-nal y tisular) 692

43. Virus que causan cncer en el ser humano 591Caractersticas generales de la carcinognesis

viral 591Retrovirus 593Oncogenes celulares 600Genes supresores de tumores 600Poliomavirus 600Papilomavirus 602Adenovirus 605Herpesvirus 606Poxvirus 606Virus de hepatitis B y C 606Preguntas de revisin 607

44. SIDA y lentivirus 609Propiedades de los lentivirus 609Infecciones por VIH en seres humanos 613Preguntas de revisin 622

S E C C I N VMICOLOGA 625Th omas G. Mitchell, PhD

45. Micologa mdica 625Propiedades generales y clasifi cacin

de los hongos 627Proliferacin y aislamiento de hongos 630Micosis superfi ciales 630Micosis cutneas 630Micosis subcutneas 634Esporotricosis 634Cromoblastomicosis 635Faeohifomicosis 637Micetoma 637Micosis endmicas 638Coccidioidomicosis 639Histoplasmosis 641Blastomicosis 644Paracoccidioidomicosis 646Micosis por oportunistas 646Candidosis 647Criptococosis 649Aspergilosis 651Mucormicosis 652Neumona por Pneumocystis 653Penicilosis 653Otras micosis por oportunistas 654Profi laxia antimictica 654Hipersensibilidad a hongos 654

Contenido ix

S E C C I N VIICORRELACIN ENTRE LA MICROBIOLOGA MDICA DIAGNSTICA Y LA CLNICA 703Karen C. Carroll, MD

47. Principios de microbiologa mdica diagnstica 703Comunicacin entre el mdico y el laboratorio 703Diagnstico de infecciones por bacterias y hongos 704Importancia de la fl ora bacteriana y mictica

normal 714Medios auxiliares de laboratorio en la seleccin del

tratamiento antimicrobiano 715Diagnstico de infeccin segn el sitio anatmico 715Infecciones por anaerobios 722Diagnstico de infecciones por clamidias 722Diagnstico de infecciones por virus 724Preguntas de revisin 731

48. Casos y correlaciones clnicas 735

ndice alfabtico 773

Diphyllobothrium latum (tenia ancha de peces cestodo intestinal) 692

Hymenolepis nana (tenia enana cestodo intestinal) 692

Dipylidium caninum (tenia de perros cestodo intestinal) 693

Wuchereria bancroft i y Brugia malayi (fi lariosis linftica nematodos tisulares) 693

Onchocerca volvulus (ceguera de los ros nematodo tisular) 693

Dracunculus medinensis (gusano de Guinea nematodo tisular) 695

Larva migratoria (infecciones zoonticas por larvas de nematodos) 695

Clonorchis sinensis (duela heptica china),Fasciola hepatica (duela heptica de las ovejas)y Paragonimus westermani (duela del pulmntrematodos de tejidos) 695

Schistosoma mansoni, S. japonicum y S. haematobium (duelas de la sangre) 696

Taenia solium cisticercosis/neurocisticercosis 698

Echinococcus granulosus (quiste hidatdico) 698Preguntas de revisin 698

x

Comit asesor para la revisin cientfi cade la edicin en espaol

Cristina Eugenia Cabrera AlaixDocente asistente de la Universidad Libre, seccional CaliDocente de Inmunologa y Microbiologa en la Facultad de

Salud. rea de Ciencias BsicasDocente asistente en la Universidad del ValleDocente de Inmunologa en la Facultad de Salud, adscrita al

Departamento de Microbiologa

Jos Luis Snchez SalasProfesor del Depto. de Ciencias Qumico-BiolgicasEscuela de Ciencias. Universidad de las Amricas, Puebla

Patricia Tato SaldvarDoctora en Ciencias Biomdicas Profesora Titular B de la Facultad de Medicina, UNAM Jefa del Departamento de Microbiologa y Parasitologa

Othn Rafael Cruz LpezEspecialidad en Microbiologa Mdica, Facultad de Medicina

de la Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Divisin de Estudios de Posgrado

MASS (Maestra en Administracin de Servicios de Salud) Facultad de Medicina de la BUAP (Benemrita Universidad Autnoma de Puebla)

Profesor de Microbiologa y Parasitologa, Facultad de Medicina BUAP

Profesor de Microbiologa y Parasitologa de la Escuela de Me-dicina, Universidad Autnoma de Tlaxcala

Coordinador de la Sociedad Mexicana de Parasitologa AC, Seccin Puebla

Paula Figueroa Doctorado en Ciencias Qumico-BiolgicasProfesora Titular del Posgrado Institucional de Biomedicina

MolecularInstituto Politcnico NacionalEscuela Nacional de Medicina y Homeopata

Estrella Cervantes G.Profesora de Microbiologa y Parasitologa, Facultad

de Medicina, UNAM

Laura E. Garca TovarM.C. Microbiologa MdicaProfesora Asociada. Divisin de Ciencias de la SaludUniversidad de Monterrey

xi

Prefacio

En la vigsima quinta edicin de Jawetz, Melnick y Adelberg. Mi-crobiologa mdica, continan vigentes los objetivos de la primera edicin publicada en 1954: proporcionar una fuente de informa-cin breve, concisa y actualizada de aquellos aspectos de la micro-biologa mdica que son de particular signifi cado para el campo de las infecciones clnicas y la farmacoterapia. La presente edicin posee nuevas caractersticas que incluyen un cambio en el formato, la adicin de fotografas en color y un mayor nmero de preguntas de repaso nuevas y revisadas, al fi nal de cada captulo. Todos los captulos se han examinado de manera amplia en concordancia con la extraordinaria expansin del conocimiento mdico, que le han proporcionado los mecanismos moleculares, as como los avances en nuestra comprensin de la patogenia microbiana y el descubrimiento de nuevos microorganismos patgenos.

Por primera vez en la edicin de esta obra interviene el doc-tor Timothy Mietzner, PhD, Profesor Asociado en el Departa-mento de Microbiologa y Gentica Molecular en la Escuela de Medicina de la Universidad de Pittsburgh. La gran experiencia en la patogenia molecular microbiana que l posee agregar una caracterstica signifi cativa a la presente edicin, y a las subsi-guientes, por lo que le damos la bienvenida a su participacin.

El cambio en el uso del color en la impresin ha propor-cionado la oportunidad de incluir muchas y nuevas fotografas

y micrografas, as como la nueva uniformidad han dado como resultado un benefi cio caracterstico en la Seccin de Bacterio-loga (III). La tincin de Gram se fotografi utilizando el mismo equipo de microscopio, cmara y programa computacional. Las imgenes se recortaron para la impresin en formato de fi guras cuadradas a una columna. El resultado es que el tamao relativo de la bacteria se puede comparar entre una imagen y otra. De manera que Escherichia coli (fi g. 15-1) aparece ms grande que Haemophilus infl uenzae (fi g. 18-1) y Franciscella tularensis (fi g. 18-2), en gran medida como se veran cuando se observan al mi-croscopio. Los autores esperan que la comparacin del tamao relativo de las bacterias en las fotografas sea de utilidad para los estudiantes de microbiologa.

Geo. F. Brooks,San Francisco

Karen C. Carroll,Baltimore

Janet S. Butel,Houston

Stephen A. Morse,Atlanta

marzo 2010

1

1La ciencia de la microbiologaC A P T U L O

SECCIN I BASES DE LA MICROBIOLOGA

INTRODUCCIN

La microbiologa es el estudio de los microorganismos, grupo grande y diverso de microorganismos microscpicos que viven en forma de clulas aisladas o grupos de clulas; tambin com-prende a los virus, que son microscpicos pero no son celulares. Los microorganismos influyen extensamente en la vida y consti-tucin tanto fsica como qumica de nuestro planeta. Son los en-cargados de los ciclos de los elementos qumicos indispensables para la vida, incluidos carbono, nitrgeno, azufre, hidrgeno y oxgeno; adems, los microorganismos realizan ms fotosntesis que las plantas verdes. Se calcula que en la tierra existen 5 1030 clulas microbianas; excluyendo a la celulosa, stas constituyen 90% de la biomasa de toda la biosfera. Los seres humanos tienen un relacin estrecha con los microorganismos; ms de 90% de las clulas del cuerpo corresponde a microbios.

PRINCIPIOS BIOLGICOS ILUSTRADOS POR LA MICROBIOLOGA

La diversidad biolgica es ms evidente en los microorganis-mos que en ninguna otra parte; estas criaturas no se pueden ver a simple vista sin ayuda. En cuanto a forma y funcin, ya sea una propiedad bioqumica o un mecanismo gentico, el anlisis de los microorganismos nos lleva hasta el lmite de la comprensin biolgica. Por lo tanto, la necesidad de originalidad (una prueba del mrito de una hiptesis cientfica) se logra por completo en la microbiologa. Una hiptesis til debe ofrecer una base para hacer una generalizacin y la diversidad microbiana proporcio-na el terreno donde siempre existe este reto.

La prediccin, que es la consecuencia prctica de la ciencia, es un producto creado por una mezcla de tcnica y teora. La

bioqumica, biologa molecular y gentica proporcionan los recursos necesarios para el anlisis de los microorganismos. A su vez, la microbiologa ampla el horizonte de estas disciplinas cientficas. Quiz un bilogo describira este intercambio como mutualismo, esto es, algo que beneficia a todas las partes que contribuyen. Un ejemplo de mutualismo microbiano es el de los lquenes. Los lquenes constan de un hongo y un compaero fototrpico, ya sea un alga (eucariota) o una cianobacteria (pro-cariota). El componente fototrpico es el productor principal, mientras que el hongo proporciona sujecin y proteccin de los elementos. En biologa, el mutualismo se denomina simbiosis, que es una relacin continua de distintos organismos. Cuando el intercambio opera principalmente en beneficio de una de las partes, la relacin se describe como parasitismo, en la que el hospedador proporciona el beneficio principal al parsito. Para el aislamiento y clasificacin de un parsito (p. ej., una bacteria o virus patgeno) a menudo es necesario simular en el labora-torio el ambiente de crecimiento que proporcionan las clulas hospedadoras. Esta situacin en ocasiones representa un reto importante para el investigador.

Los trminos mutualismo, simbiosis y parasitismo se relacionan con la ciencia de la ecologa y los principios de la biologa ambiental se encuentran implcitos en la microbiolo-ga. Los microorganismos son productos de la evolucin, que es la consecuencia biolgica de la seleccin natural que opera en una gran variedad de microorganismos distintos desde el punto de vista gentico. Vale la pena tener en mente la complejidad de la historia natural antes de generalizar sobre los microorganis-mos, que forman el subgrupo ms heterogneo de las criaturas vivientes.

Una divisin biolgica importante separa a las eucariotas, microorganismos que contienen ncleo rodeado de una mem-brana, de las procariotas, en los que el DNA no se separa del

2 SECCIN I Bases de la microbiologa

de estructuras similares a varillas con numerosos pares de bases. Su tamao vara de 246 a 375 nucletidos de longitud. La varie-dad extracelular del viroide es RNA desnudo; carece de cpside de cualquier tipo. La molcula de RNA no contiene genes que codifican protenas y, por lo tanto, el viroide depende por com-pleto de las funciones del hospedador para su multiplicacin. El RNA del viroide se multiplica por medio de la RNA-polimerasa dependiente del DNA de la planta hospedadora; la prioridad de esta enzima quiz contribuye a la patogenia del viroide.

Se ha demostrado que los RNA de los viroides contienen secuencias de bases repetidas invertidas en sus extremos 3 y 5, caracterstica de los transposones (cap. 7) y de los retrovi-rus. De esta manera, probablemente han evolucionado a partir de transposones o retrovirus por la eliminacin de secuencias internas.

En el captulo 29 se describen las propiedades generales de los virus animales patgenos para el ser humano. Los virus bac-terianos se describen en el captulo 7.

PRIONES

Los grandes descubrimientos en los ltimos 30 aos han permi-tido la clasificacin tanto molecular como gentica del microor-ganismo transmisible que causa la visna de las ovejas, enferme-dad degenerativa del sistema nervioso central de las ovejas. En los estudios ha sido posible identificar a la protena especfica de esta enfermedad en preparaciones obtenidas de cerebro de ovi-no infectado con esta encefalopata y que puede reproducir los sntomas en ovejas sanas (fig. 1-1). Los esfuerzos por identificar otros componentes, como cidos nucleicos, no han tenido xito. Con el fin de distinguir a este elemento de los virus y viroides,

citoplasma. Como se describir ms adelante y en el captulo 2, se pueden hacer ms distinciones entre las clulas eucariotas y procariotas. Por ejemplo, las primeras se distinguen por su ta-mao relativamente grande y la presencia de organelos especia-lizados, rodeados por membranas como las mitocondrias.

Como se describe con detalle ms adelante, las clulas eu-cariotas (o Eukarya, desde el punto de vista filogentico) com-parten su estructura celular definida e historia filogentica. Al-gunos grupos de microorganismos eucariticos son algas, pro-tozoarios, hongos y mohos.

Las propiedades singulares de los virus los colocan en un si-tio aparte de las criaturas vivientes. Las eucariotas y procariotas son microorganismos puesto que contienen todas las enzimas necesarias para su multiplicacin y poseen el equipo biolgico necesario para la produccin de energa metablica. Por lo tan-to, stos se distinguen de los virus, que dependen de las clulas hospedadoras para estas funciones necesarias.

VIRUS

Los virus carecen de muchos de los atributos de las clulas, in-cluida la capacidad de multiplicarse. Slo cuando infectan una clula adquieren el atributo clave de un sistema viviente: la re-produccin. Se sabe que los virus infectan cualquier clula, in-cluidas las clulas microbianas. Las interacciones entre hospe-dador y virus tienden a ser altamente especficas y el espectro biolgico de los virus refleja la diversidad de clulas hospeda-doras potenciales. La diversidad de virus se expresa en su gran variedad de estrategias de multiplicacin y supervivencia.

Una partcula viral consta de una molcula de cido nu-cleico, ya sea DNA o RNA, cubierta por una capa protenica o cpside (en ocasiones tambin cubierta por una capa de lpidos, protenas y carbohidratos). Las protenas, a menudo glucopro-tenas, en la cpside establecen la especificidad de la interaccin del virus con su clula hospedadora. La cpside protege al cido nucleico y facilita la fijacin y penetracin del virus en la clula hospedadora. Dentro de la clula, el cido nucleico viral redirige la maquinaria enzimtica del hospedador hacia funciones vin-culadas con la multiplicacin del virus. En algunos casos, la in-formacin gentica del virus se incorpora en forma de DNA en el cromosoma del hospedador. En otros, la informacin gentica del virus sirve como base para la produccin celular y liberacin de copias del virus. Este proceso exige la multiplicacin del ci-do nucleico viral y la produccin de protenas virales especficas. La maduracin consiste en armar subunidades recin sintetiza-das de cido nucleico y protenas hasta formar partculas virales maduras, que posteriormente son liberadas hacia el ambiente extracelular. Algunos virus ms pequeos necesitan la ayuda de otro virus en la clula hospedadora para su multiplicacin. El elemento delta, tambin conocido como virus de la hepatitis D,es demasiado pequeo como para codificar incluso una sola pro-tena de la cpside y necesita ayuda del virus de la hepatitis B para su transmisin. Se sabe que los virus infectan una gran va-riedad de hospedadores tanto vegetales como animales y ade-ms protistas, hongos y bacterias. Sin embargo, la mayor parte de los virus puede infectar tipos especficos de clulas de una sola especie de hospedador.

Algunas enfermedades transmisibles de las plantas son cau-sadas por viroides, molculas pequeas de RNA monocatenario y circular con enlaces covalentes estrechos que existen en forma

50 m

FIGURA 1-1 Prin. Priones aislados a partir del cerebro de un hmster infectado por visna de las ovejas. Esta enfermedad neurodegenerativa es causada por un prin. (Reimpresa con autorizacin de Stanley B. Prusiner/Visuals Unlimited.)

CAPTULO 1 La ciencia de la microbiologa 3

en Gran Bretaa desde que se descubri en 1985. Una nueva variedad de CJD (vCJD) en seres humanos, se ha vinculado con la ingestin de carne de res infectada por priones en el Reino Unido y Francia. Una caracterstica comn de todas estas enfer-medades es la conversin de una sialoglucoprotena codificada por el hospedador en una forma resistente a la proteasa como consecuencia de la infeccin.

Las enfermedades por priones en los seres humanos son singulares porque se manifiestan en forma de enfermedades es-pordicas, genticas e infecciosas. El estudio de la biologa de los priones constituye un tema nuevo importante de investigacin biomdica y an se debe aprender mucho.

PROCARIOTAS

Las caractersticas distintivas de las procariotas son su tamao relativamente pequeo, casi siempre del orden de 1 m de di-metro, y la ausencia de una membrana nuclear. El DNA de casi todas las bacterias es un crculo con una longitud aproximada de 1 mm; este es el cromosoma procaritico. La mayor parte de las clulas procariotas posee un solo cromosoma. El DNA cro-mosmico se debe doblar ms de 1 000 veces para acomodarse dentro de la membrana celular procaritica. Existe evidencia considerable que sugiere que quiz estos dobleces se realizan en

se introdujo el trmino prin para subrayar su naturaleza pro-teincea e infecciosa. La forma celular de la protena prinica (PrPc) es codificada por el DNA cromosmico del hospedador. La PrPc es una sialoglucoprotena con un peso molecular de 33 000 a 35 000 y un alto contenido de una estructura helicoidal secundaria que es sensible a las proteasas y soluble en deter-gente. La PrPc se expresa en la superficie de las neuronas a travs del anclaje de glucosilfosfatidilinositol en cerebros tanto infec-tados como no infectados. El nico componente conocido del prin es una isoforma anormal de esta protena (PrPres) y est vinculada con su potencial de transmisin. Posee la misma se-cuencia de aminocidos que PrPc, pero difiere desde el punto de vista fsico de la isoforma celular normal por su alto contenido de hoja o lmina , su insolubilidad en detergentes, su tendencia a aglutinarse y su resistencia parcial a la protelisis. Se cree que la PrPres induce a la PrPc para que se doble o se vuelva a doblar hasta adquirir la forma de prin.

Existen otras enfermedades importantes causadas por prio-nes (cuadro 1-1). El kuru, la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob (CJD, Creutzfeldt-Jakob disease), la enfermedad de Gerstmann-Strussler-Scheinker y el insomnio familiar mortal afectan a los seres humanos. La encefalopata espongiforme ovina, que se cree que es resultado de la ingestin de alimentos y harina de huesos preparados a partir de residuos de animales del matade-ro, ha causado la muerte de ms de 184 000 cabezas de ganado

CUADRO 1-1 Principales enfermedades en seres humanos y animales causadas por priones

Tipo Nombre Causa

Enfermedades por priones en seres humanos

Adquiridas Variante de enfermedad de Creutzfeldt-Jakoba

Kuru

Enfermedad yatrgena de Creutzfeldt-Jakobb

Vinculada con la ingestin o inoculacin de material infectado por priones

Espordicas Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob Se desconoce el origen de la infeccin

Familiares Gerstmann-Strussler-Scheinker

Insomnio familiar mortal

Enfermedad de Creutzfeldt-Jakob

Vinculadas con mutaciones especficas dentro del gen que codifica al PrP

Enfermedades por priones en animales

Ganado vacuno Encefalopata espongiforme bovina Contacto con carne y alimento de harina de hueso contaminado con priones

Ovejas Visna de las ovejas Ingestin de material contaminado con visna de las ovejas

Venados, alces Enfermedad por desgaste crnico Ingestin de material contaminado con priones

Mink Encefalopata transmisible del mink Se desconoce la fuente de la infeccin

Gatos Encefalopata espongiforme felinaa Contacto con carne y alimento de harina de hueso contaminado con priones

a Vinculado con el contacto con materiales contaminados por encefalopata espongiforme bovina.b Vinculado con materiales biolgicos contaminados por priones como injerto de duramadre, trasplante de crnea, hormona de crecimiento humana derivada de cadver o instrumentos quirrgicos contaminados por priones.

Reimpreso con autorizacin de ASM News 3:570, Dec, 2008.

4 SECCIN I Bases de la microbiologa

do seleccin natural) se encuentra asegurada en un clon. Entre mayor sea el nmero de clulas dentro de los clones, mayor es la probabilidad de ofrecer proteccin fisiolgica cuando menos a algn miembro del grupo. Por ejemplo, los polisacridos ex-tracelulares confieren proteccin contra algunos elementos po-tencialmente mortales como los antibiticos o iones de metales pesados. La gran cantidad de polisacridos producidos por nu-merosas clulas dentro de un clon permite que las que estn en el interior sobrevivan al contacto con un elemento mortal a una concentracin que aniquilara a clulas individuales.

Muchas bacterias utilizan un mecanismo de comunicacin intercelular llamado percepcin de qurum para regular la transcripcin de los genes que participan en diversos procesos fisiolgicos, como bioluminiscencia, transferencia conjugada de plsmidos y produccin de los factores que confieren virulencia. La percepcin de qurum depende de la produccin de una o ms molculas de seales que se pueden difundir llamadas auto-inductores o feromonas y que permiten a la bacteria vigilar su propia densidad de poblacin celular. Es un ejemplo del com-portamiento multicelular en las procariotas.

Una caracterstica distintiva de las procariotas es su capa-cidad de intercambio de pequeos paquetes de informacin ge-ntica. Esta informacin es llevada en los plsmidos, elementos genticos pequeos y especializados que se pueden multiplicar cuando menos dentro de una lnea celular procaritica. En algu-nos casos, los plsmidos se transfieren de una clula a otra y por lo tanto llevan consigo grupos de informacin gentica especia-lizada a travs de una poblacin. Algunos plsmidos exhiben un espectro amplio de hospedadores que les permite transmitir grupos de genes a distintos microorganismos. Algunos de los ms importantes son los plsmidos de resistencia farmacol-gica, que provocan que varias bacterias sean resistentes al trata-miento con antimicrobianos.

La estrategia de supervivencia de una sola lnea celular pro-caritica conduce a un espectro de interacciones con otros micro-organismos. stas comprenden relaciones simbiticas ilustradas por intercambios nutritivos complejos entre los microorganismos dentro del intestino humano. Estos intercambios benefician tan-to a los microorganismos como a sus hospedadores humanos. Algunas veces las interacciones parasitarias son nocivas para el hospedador. La simbiosis o el parasitismo avanzado provocan la prdida de ciertas funciones que no permiten el crecimiento del simbionte o parsito independientemente de su hospedador.

Por ejemplo, los micoplasmas son parsitos procariotos que han perdido la capacidad para formar una pared celular. La adaptacin de estos microorganismos a su ambiente parasitario ha tenido como resultado la incorporacin de una cantidad con-siderable de colesterol en sus membranas celulares. El colesterol, que no se observa en otras procariotas, es asimilado a partir del ambiente metablico del hospedador. La prdida de la funcin tambin es ejemplificada por los parsitos intracelulares obliga-dos, clamidias y rickettsias. Estas bacterias son muy pequeas (0.2 a 0.5 m de dimetro) y dependen de la clula hospedadora para muchos metabolitos esenciales y coenzimas. Esta prdida de la funcin se refleja por la presencia de un genoma ms pe-queo con menos genes (cuadro 7-1).

Al parecer, los ejemplos de mayor distribucin de simbion-tes bacterianos son los cloroplastos y las mitocondrias, que son los organelos que liberan energa de las eucariotas. Numerosas pruebas indican que los antecesores de estos organelos eran en-dosimbiontes, procariotas que establecieron simbiosis dentro

forma ordenada, acercando ciertas regiones del DNA. La regin especializada de la clula que contiene al DNA se denomina nucleoide y se puede observar con un microscopio electrnico o un microscopio ptico despus de someter a la clula a un tratamiento especial para poder observarlo. Por lo tanto, sera un error concluir que la diferenciacin subcelular, claramente delimitada por membranas en las eucariotas, no existe en las procariotas. De hecho, estas ltimas en algunos casos forman estructuras subcelulares unidas a membranas con funciones especializadas como los cromatforos de las bacterias fotosin-tticas (cap. 2).

Diversidad procariticaEl tamao tan pequeo del cromosoma procaritico limita la cantidad de informacin gentica que puede contener. La infor-macin ms reciente basada en las secuencias del genoma in-dica que el nmero de genes dentro de una clula procariota vara de 468 en Mycoplasma genitalium a 7 825 en Streptomyces coelicolor y que muchos de estos genes se dedican a funciones bsicas como generacin de energa, sntesis macromolecular y multiplicacin celular. Las procariotas poseen relativamente pocos genes que permiten la adaptacin fisiolgica del microor-ganismo a su ambiente. El espectro de ambientes procariticos potenciales es inconcebiblemente amplio, por lo que el grupo procaritico comprende a una categora heterognea de espe-cialistas, cada uno adaptado a un entorno circunscrito bastante estrecho.

La gama de ambientes procariticos se ilustra al conside-rar las estrategias utilizadas para generar energa metablica. La principal fuente de energa para la vida es la luz solar. Algunas procariotas como las bacterias prpuras convierten la energa luminosa en energa metablica sin produccin de oxgeno. Otras, ejemplificadas por las bacterias verde-azules (cianobac-terias) producen oxgeno que proporciona energa a travs de la respiracin en ausencia de luz. Los microorganismos aero-bios dependen de la respiracin con oxgeno para obtener ener-ga. Algunos microorganismos anaerobios utilizan aceptores de electrones distintos del oxgeno en la respiracin. Muchos anaerobios llevan a cabo fermentaciones, de donde obtienen la energa a partir de la reorientacin metablica de los sustra-tos qumicos para el crecimiento. La gran variedad qumica de sustratos potenciales para el crecimiento tanto aerobio como anaerobio se refleja en la diversidad de procariotas que se han adaptado a su utilizacin.

Comunidades procariticasUna estrategia til de supervivencia para los especialistas es en-trar en consorcios, organizaciones en las que las caractersticas fisiolgicas de los diferentes microorganismos contribuyen a la supervivencia del grupo como un todo. Si los microorganismos dentro de una comunidad interrelacionada desde el punto de vista fsico se derivan directamente a partir de una clula, la co-munidad es un clon que contiene hasta 108 clulas. La biologa de esta comunidad difiere considerablemente de la de una sola clula. Por ejemplo, el gran nmero de clulas prcticamente asegura que en el clon existe cuando menos una clula que po-see una variante de cualquier gen en el cromosoma. Por lo tanto, la variabilidad gentica (la fuente del proceso evolutivo llama-

CAPTULO 1 La ciencia de la microbiologa 5

no toma en cuenta por completo la suposicin por lo general aceptada de que la clula eucaritica se deriva de la fusin evo-lutiva de distintas lneas celulares procariticas.

Bacterias y arqueobacterias: subdivisiones principales dentro de las procariotasUn logro importante en la filogenia molecular ha sido demos-trar que las procariotas pertenecen a uno de dos grupos prin-cipales. La mayor parte de las investigaciones se ha orientado hacia un grupo, las bacterias. El otro grupo, las arqueobacterias, ha recibido menos atencin hasta hace poco, en parte a causa de que muchos de sus representantes son difciles de estudiar en el laboratorio. Por ejemplo, algunas arqueobacterias mueren al contacto con el oxgeno y otras crecen a una temperatura que excede la del agua en ebullicin. Antes de contar con indicios moleculares, los principales subgrupos de arqueobacterias pare-can diferentes. Las metangenas llevan a cabo una respiracin anaerobia que genera metano; las halfilas necesitan una con-centracin muy elevada de sal para crecer; y las termoacidfilas necesitan una temperatura elevada y gran acidez. Ahora se sabe que estas procariotas comparten rasgos bioqumicos como la pared celular o los componentes de la membrana que los co-locan en un grupo completamente aparte del de los dems mi-croorganismos vivientes. Un rasgo intrigante que comparten las arqueobacterias y eucariotas es la presencia de intrones dentro de los genes. No se ha establecido la funcin de los intrones (seg-mentos de DNA que interrumpen al DNA informativo dentro de los genes). Lo que se sabe es que los intrones representan una caracterstica fundamental que comparte el DNA de las arqueo-bacterias y eucariotas. Este rasgo comn ha originado la hipte-sis de que, al igual que las mitocondrias y cloroplastos parecen ser derivados evolutivos de las bacterias, el ncleo eucaritico se origin a partir de una arqueobacteria antecesora.

PROTISTAS

El ncleo verdadero de las eucariotas (del griego karyon, n-cleo) constituye slo una de sus caractersticas distintivas. Los organelos adheridos a la membrana, los microtbulos y los mi-crofilamentos de las eucariotas forman una estructura intracelu-lar compleja distinta a la encontrada en las procariotas. Los ele-mentos para la motilidad de las clulas eucariticas son flagelos o cilios (estructuras complejas formadas por mltiples filamen-tos que difieren de los flagelos de las procariotas). La expresin gentica en los eucariotos se lleva a cabo a travs de una serie de eventos que logran la integracin fisiolgica del ncleo con el re-tculo endoplsmico, estructura que carece de contraparte en las procariotas. Las eucariotas forman un grupo aparte por la orga-nizacin de su DNA celular en forma de cromosomas separados por un aparato mittico distintivo durante la divisin celular.

En general, la transferencia gentica entre las eucariotas de-pende de la fusin de los gametos haploides para formar una clula diploide que contiene un conjunto completo de genes derivados de cada gameto. El ciclo vital de muchas eucariotas se lleva a cabo casi por completo en estado diploide, cualidad de la que carecen las procariotas. La fusin de los gametos para for-mar su progenie reproductiva constituye una funcin altamente especfica y establece la base de la especie eucaritica. Este tr-

de la membrana celular del hospedador eucaritico ancestral. La presencia de mltiples copias de los organelos quiz contribuy al tamao relativamente grande de las clulas eucariticas y a su potencial de especializacin, rasgo que finalmente se ha re-flejado en la evolucin de los microorganismos multinucleares diferenciados.

Clasificacin de las procariotasPara comprender cualquier grupo de microorganismos, es nece-sario hacer una clasificacin. Un buen sistema de clasificacin permite al cientfico elegir las caractersticas con las que se puede categorizar con rapidez y precisin cualquier microorganismo nuevo. La categorizacin permite pronosticar muchos rasgos adicionales que comparten otros miembros de la misma catego-ra. En el mbito hospitalario, la clasificacin satisfactoria de un microorganismo patgeno ofrece la va ms directa para elimi-narlo. Asimismo, la clasificacin permite conocer las relaciones existentes entre diversos microorganismos y esta informacin tiene un gran valor prctico. Por ejemplo, un microorganismo patgeno se podr eliminar durante un tiempo relativamente largo si su hbitat es ocupado por una variedad no patgena.

En el captulo 3 se describen los principios de la clasifica-cin procaritica. Al principio es importante reconocer que cualquier caracterstica procaritica puede servir como criterio potencial de clasificacin. Sin embargo, no todos los criterios son tan efectivos para agrupar microorganismos. Por ejemplo, la posesin de DNA constituye un criterio intil para distinguir a los microorganismos puesto que todas las clulas lo contienen. La presencia de un plsmido con un espectro amplio de hospe-dadores no es un criterio til puesto que estos plsmidos existen en distintos hospedadores y no es necesario que existan todo el tiempo. Los criterios tiles pueden ser estructurales, fisiolgi-cos, bioqumicos o genticos. Las esporas, estructuras celula-res especializadas que permiten la supervivencia en ambientes extremos, son criterios estructurales tiles para la clasificacin puesto que slo subgrupos bien clasificados de bacterias forman esporas. Algunos grupos de bacterias se pueden subdividir con base en su potencial para fermentar ciertos carbohidratos. Es-tos criterios son poco efectivos cuando se aplican a otros grupos bacterianos que carecen de potencial de fermentacin. Existe una prueba bioqumica, la tincin de Gram , que constituye un criterio efectivo de clasificacin puesto que la respuesta al co-lorante refleja diferencias fundamentales y complejas en la su-perficie celular bacteriana que dividen a la mayor parte de las bacterias en dos grupos principales.

Los criterios genticos cada vez se utilizan ms en la clasifi-cacin bacteriana y muchos de estos avances han sido posibles gracias a la tecnologa de DNA recombinante. Ahora es posible disear sondas de DNA que permiten identificar rpidamente microorganismos que poseen regiones genticas especficas con una ascendencia comn. Al comparar las secuencias del DNA de algunos genes se pudieron conocer las relaciones filogenti-cas entre las procariotas. Es posible rastrear las lneas celulares ancestrales y agrupar a los microorganismos con base en sus afi-nidades evolutivas. A partir de estas investigaciones surgieron conclusiones sorprendentes. Por ejemplo, la comparacin de las secuencias del citocromo c sugiere que todos los eucariotos, incluidos los seres humanos, se originaron a partir de uno de tres grupos de bacterias fotosintticas prpuras. Esta conclusin explica parcialmente el origen evolutivo de las eucariotas, pero

6 SECCIN I Bases de la microbiologa

Cuando los seres humanos consumen estos mariscos presentan los sntomas de la intoxicacin paraltica por mariscos e inclu-so pueden morir.

ProtozoariosLos protozoarios son organismos protistas unicelulares no foto-sintticos. Los protozoarios ms primitivos son flagelados y se asemejan en muchos aspectos a algunos representantes de las al-gas. Probablemente los antecesores de estos protozoarios fueron algas que se tornaron hetertrofas, las necesidades alimentarias de estos microorganismos se satisfacen con compuestos orgni-cos. La adaptacin a un modo de vida hetertrofo en ocasiones se acompa de prdida de los cloroplastos y, de esta manera, las algas originaron a los protozoarios afines. Se han observado eventos similares en el laboratorio como resultado de una muta-cin o de una adaptacin fisiolgica.

Al parecer, a partir de los protozoarios flagelados surgieron las variedades ameboides y ciliadas; se sabe que algunas formas intermedias poseen flagelos durante una fase de su ciclo vital y seudpodos (caractersticos de la ameba) en otra fase. Un cuarto grupo de protozoarios, los esporozoarios, son parsitos estrictos que casi siempre son inmviles; la mayor parte se reproduce de manera sexual y asexual en generaciones alternas por medio de esporas. En el captulo 46 se describen los protozoarios par-sitos del ser humano.

HongosLos hongos son protistas no fotosintticos que crecen en forma de aglomeracin de filamentos ramificados y entrelazados (hi-fas) conocidos como micelios. A pesar de que las hifas poseen paredes cruzadas, stas tienen perforaciones que permiten el paso libre del ncleo y citoplasma. Por lo tanto, el microorga-nismo completo es un cenocito (aglomeracin multinucleada de citoplasma continuo) confinado dentro de una serie de tubos ra-mificados. Estos tubos, elaborados a base de polisacridos como quitina, son homlogos con las paredes celulares. Los micelios se denominan mohos; unas cuantas variedades, las levaduras, no forman micelios pero se reconocen fcilmente como hongos por la naturaleza de su reproduccin sexual y la presencia de formas de transicin.

Probablemente los hongos representan una rama evolutiva de los protozoarios; no tienen relacin con los actinomicetos, que son bacterias con micelios a las que se parecen superficial-mente. Las subdivisiones principales (filo) de los hongos son: Chytridiomycota, Zygomycota (cigomicetos), Ascomycota (as-comicetos), Basidiomycota (basidiomicetos) y los deuteromi-cetos (u hongos imperfectos).

La evolucin de los ascomicetos a partir de los ficomicetos se observa en un grupo de transicin, cuyos miembros forman un cigoto que posteriormente se transforma en ascos. Se cree que los basidiomicetos provienen a su vez de los ascomicetos. La clasificacin de los hongos y su importancia mdica se describen en el captulo 45.

Mohos de fangoEstos microorganismos se caracterizan por la presencia, durante una fase de su ciclo vital, de una masa multinucleada ameboide

mino se puede aplicar slo en forma metafrica a las procario-tas, que intercambian fragmentos de DNA a travs de la recom-binacin. Los grupos taxonmicos de las eucariotas a menudo se basan en una serie de propiedades morfolgicas compartidas y es importante sealar que muchos de los factores taxonmicos estn ligados a la reproduccin. Casi todas las especies eucari-ticas exitosas son aquellas en las que las clulas afines, miem-bros de la misma especie, se pueden recombinar para formar descendencia viable. Las estructuras que contribuyen de manera directa o indirecta al proceso de la reproduccin tienden a ser muy avanzadas, con modificaciones mnimas entre las especies afines, y conservadas.

Las eucariotas microbianas (protistas) son miembros de cuatro grupos principales: algas, protozoarios, hongos y mohos. Es importante sealar que estos grupos no son necesariamente filogenticos: algunos microorganismos afines se han clasificado por separado puesto que an no se encuentran similitudes bio-qumicas y genticas de fondo.

AlgasEl trmino alga se utiliza desde hace tiempo para referirse a los microorganismos que producen O2 como fruto de la foto-sntesis. Un subgrupo importante de estos microorganismos, las bacterias verde-azules o cianobacterias, son procariotas y ya no se llaman algas. Esta clasificacin se reserva exclusivamen-te para los microorganismos eucariotos fotosintticos. Todas las algas contienen clorofila en la membrana fotosinttica de su cloroplasto subcelular. Muchas especies de algas son unicelula-res. Otras algas forman estructuras multicelulares muy grandes. Los sargazos de algas cafs miden en ocasiones varios cientos de metros de longitud. Otras algas producen toxinas que son vene-nosas para el ser humano y otros animales. Los dinoflagelados, algas unicelulares, generan las mareas rojas en el ocano (fig. 1-2). La marea roja producida por el dinoflagelado de la espe-cie Gonyaulax es importante, puesto que este microorganismo produce neurotoxinas como saxitoxina y gonyautoxinas, que se acumulan en los mariscos (p. ej., almejas, mejillones, callo de hacha y ostiones) que se alimentan con este microorganismo.

FIGURA 1-2 Microfotografa electrnica de un dinoflagelado Gymnodinium (4000). (Reimpresa con autorizacin de David M. Phillips/Visuals Unlimited.)

CAPTULO 1 La ciencia de la microbiologa 7

2. Cul de los siguientes carece de cido nucleico?(A) Bacterias(B) Virus(C) Viroides(D) Priones(E) Protozoarios

3. Cul de los siguientes no es protista?(A) Bacterias(B) Algas(C) Protozoarios(D) Hongos(E) Mohos de fango

4. Cul de los siguientes contiene simultneamente DNA y RNA?(A) Bacterias(B) Virus(C) Viroides(D) Priones(E) Plsmidos

5. Un hombre de 65 aos de edad manifiesta demencia progresiva a lo largo de varios meses acompaada de ataxia y somnolencia. El pa-trn del electroencefalograma exhibe paroxismos con voltajes altos y ondas lentas sugestivas de enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. Esta enfermedad es causada por cul de los siguientes:(A) Bacteria(B) Virus(C) Viroide(D) Prin(E) Plsmido

Respuestas

1. B 3. A 5. D2. D 4. A

de citoplasma llamada sincicio. El sincicio de un moho de fango es anlogo al micelio de un hongo verdadero. Ambos son ceno-cticos. En este ltimo, la circulacin citoplsmica se confina a la red de tubos quitinosos, mientras que en el primero el citoplas-ma circula en cualquier direccin. Esta circulacin provoca que el sincicio emigre en direccin de su fuente alimentaria, a me-nudo bacterias. En respuesta a una seal qumica, 3,5-AMP c-clico (cap. 7), el sincicio, que alcanza un tamao macroscpico, se diferencia para formar un cuerpo con pednculo que produce clulas mviles individuales. Estas clulas, flageladas o ameboi-des, empiezan una nueva ronda en el ciclo vital del moho de fango (fig. 1-3). El ciclo a menudo empieza por la fusin sexual de clulas aisladas.

El ciclo vital de los mohos de fango ilustra un tema central de este captulo: la interdependencia de las formas vivientes. El crecimiento de los hongos de fango depende de los nutrientes que proporcionan las bacterias o, en algunos casos, las clulas vegetales. La reproduccin de los mohos de fango a travs de sincicios depende del reconocimiento intracelular y la fusin de las clulas de la misma especie. Para comprender bien las ca-ractersticas de un microorganismo es importante conocer a los otros microorganismos con los que ha evolucionado y apreciar el espectro de respuestas fisiolgicas que contribuyen a su su-pervivencia.

PREGUNTAS DE REVISIN 1. Cul de los trminos siguientes describe la interaccin entre un

hongo y un alga en un liquen?(A) Parasitismo(B) Simbiosis(C) Endosimbiosis(D) Endoparasitismo(E) Consorcio

Esporas

Germinacin

Mixamebas

Sincicio

Cuerpo fructfero

A B

Cuerpos fructferosliberando esporas

FIGURA 1-3 Mohos de fango. A: Ciclo vital de un moho de fango acelular. B: Cuerpo fructfero de un moho de fango celular. (Reimpresa con auto-rizacin de Carolina Biological Supply/Phototake.)

8 SECCIN I Bases de la microbiologa

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9

C A P T U L O

Estructura celular 2INTRODUCCIN

En este captulo se revisa la estructura y funcin bsicas de los componentes que constituyen a las clulas eucariotas y proca-riotas. El captulo inicia con el anlisis del microscopio. Desde el punto de vista histrico, el microscopio revel por primera vez la presencia de bacterias y ms tarde, los secretos de la estructura celular. Hoy en da es an una herramienta poderosa en el estu-dio de la biologa celular.

MTODOS PTICOS

El microscopio de luzEl poder de resolucin del microscopio de luz bajo condicio-nes ideales es de casi la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. El poder de resolucin es la distancia que debe se-parar dos puntos de fuentes de luz para que puedan observarse como dos imgenes distintas. Con la longitud de onda de la luz amarilla con 0.4 m, los dimetros separados ms pequeos son de casi 0.2 m, casi la tercera parte del ancho de una clula procariota tpica. La utilidad del microscopio radica en que la magnifi cacin hace visibles las partculas ms pequeas alcan-zables en el poder de resolucin. En microbiologa a menudo se utilizan varios tipos de microscopios de luz:

A. Microscopio de campo brillanteEl microscopio de campo brillante es el utilizado ms a menudo en los cursos de microbiologa y consiste en dos series de lentes (objetivo y ocular) que actan en conjunto para la resolucin de la imagen. Estos microscopios por lo general emplean una lente objetivo con 100 aumentos y una lente ocular con 10 aumentos, con lo que la magnifi cacin de la muestra es de hasta 1 000 veces. Las partculas con dimetros de 0.2 m se incrementan de ta-mao a casi 0.2 mm, por lo que se hacen claramente visibles. La magnifi cacin adicional no brinda mayor resolucin de detalle y puede reducir el rea de visibilidad (campo).

Con el microscopio, las muestras se tornan visibles por las di-ferencias en el contraste entre ellas y el entorno. Muchas bacterias son difciles de observar bien por la falta de contraste con el medio circundante. Pueden utilizarse colorantes para teir las clulas o

sus organelos e incrementar el contraste, de forma que sean visi-bles con mayor facilidad en la microscopia de campo brillante.

B. Microscopio de contraste de fasesEl microscopio de contraste de fases se desarroll para mejorar las diferencias de contraste entre las clulas y el medio circun-dante, con lo que se hace posible observar clulas vivas sin tin-cin; con los microscopios de campo brillante deben utilizarse preparaciones de microorganismos muertos y teidos. La mi-croscopia de contraste de fases toma ventaja del hecho de que la luz pasa a travs de objetos transparentes, como las clulas, y se fusiona en diferentes fases dependiendo de las propiedades de los materiales a travs de los cuales pasa. Este efecto se amplifi ca por medio de un anillo especial en la lente objetivo del micros-copio de contraste de fases, lo que da origen a la formacin de una imagen oscura en un entorno luminoso.

C. Microscopio de campo oscuroEl microscopio de campo oscuro es el microscopio de luz en el cual el sistema de iluminacin se ha modifi cado para alcanzar la muestra desde un solo lado. Esto se logra a travs del uso de un condensador especial que bloquea la luz directa y la refl eja a travs de un espejo ubicado a un costado del condensador en un ngulo oblicuo. Esto crea un campo oscuro que crea un con-traste contra el borde luminoso de la muestra y da origen a que los rayos oblicuos se refl ejen desde el borde de la muestra hacia el objetivo del microscopio. La resolucin de la microscopia de campo oscuro es bastante alta. As, esta tcnica ha sido de par-ticular utilidad para la observacin de microorganismos como Treponema pallidum, una espiroqueta con un dimetro inferior a 0.2 m y que por tanto no puede observarse con microscopia de contraste de fases o de campo brillante (fi g. 2-1A).

D. Microscopio de fl uorescenciaEl microscopio de fl uorescencia se utiliza para visualizar mues-tras con efecto de fl uorescencia, que tiene la capacidad de ab sorber luz de longitud de onda corta (ultravioleta) y emitir luz con mayor longitud de onda (luz visible). Algunos micro-organismos presentan fl uorescencia natural por la presencia de sustancias fl uorescentes, por ejemplo la clorofi la. Aquellos que no presentan fl uorescencia natural pueden teirse con un

10 SECCIN I Bases de la microbiologa

E. Microscopio diferencial de contraste de interferencia (DIC)Los microscopios diferenciales de contraste de interferencia uti lizan un polarizador para producir luz polarizada, la cual se hace pasar a travs de un prisma que genera dos haces distintos; estos haces pasan a travs de la muestra y entran al objetivo don-de se combinan en un solo haz. Por las ligeras diferencias en el ndice de refraccin de las sustancias a travs de las cuales pasa cada haz, los haces combinados no estn por completo alinea-dos, sino que crean un efecto de interferencia, el cual intensifi ca diferencias tiles en la estructura celular. Estructuras como espo-ras, vacuolas y grnulos adquieren un aspecto tridimensional. La microscopia DIC es en particular til para observar clulas no teidas, por su capacidad para producir imgenes que revelan estructuras celulares internas que son menos aparentes con las tcnicas de campo brillante.

Microscopio electrnicoEl gran poder de resolucin de la microscopia electrnica ha permitido a los cientfi cos observar estructuras detalladas de clulas procariotas y eucariotas. La resolucin superior de la microscopia electrnica se debe al hecho de que los electrones tienen una longitud de onda mucho ms corta que los fotones de la luz blanca.

Hay dos tipos de microscopios electrnicos para uso gene-ral: el microscopio electrnico de transmisin ( TEM, trans-mission electron microscope ), que tiene muchas caractersticas en comn con el microscopio de luz y el microscopio electr-nico de barrido (SEM, scanning electron microscope). El TEM fue el primero en ser desarrollado y utiliza un haz de electrones proyectados desde una fuente de electrones y se dirige a partir de un condensador electromagntico hacia una muestra delgada. Conforme los electrones golpean la muestra, son dispersados en forma diferencial por los diferentes nmeros atmicos y masa atmica en la muestra; algunos electrones pasan a travs de la muestra y son recopilados y dirigidos por una lente objetivo electromagntica, que presenta una imagen de la muestra a un sistema de proyeccin de lentes para su ampliacin adicional. Se visualiza la imagen al permitir que se afecte la pantalla, la cual presenta fl uorescencia cuando chocan los electrones. La imagen puede registrarse en pelcula fotogrfi ca. El TEM permite obser-var partculas con separacin de 0.001 m. Los virus con dime-tros de 0.01 a 0.2 m pueden observarse con facilidad.

El SEM por lo comn tiene menor poder de resolucin que el TEM; sin embargo, es de particular utilidad para proporcionar imgenes tridimensionales de la superfi cie de objetos microsc-picos. Los electrones se dirigen por medio de lentes a un pun-to muy fi no. La interaccin de los electrones con la muestra da origen a la liberacin de diferentes formas de radiacin (p. ej., electrones secundarios) de la superfi cie del material, la cual se capta por medio de un detector apropiado, se amplifi ca y ms tarde se presenta como imgenes en una pantalla de televisin (fi g. 2-1B).

Una tcnica importante en la microscopia electrnica es el uso de sombreado. Esto consiste en el depsito de una capa delgada de metal pesado (como platino) sobre la muestra al colo-carlo en el trayecto del haz de iones metlicos en el vaco. El haz se dirige en un ngulo agudo con respecto a la muestra, de forma que adquiere una sombra en la forma de un rea no cubierta

grupo de colorantes fl uorescentes denominados fl uorocromos. La microscopia de fl uorescencia se utiliza ampliamente para el diagnstico microbiolgico. Por ejemplo, el fl uorocromo aura-mina O adquiere un color amarillo brillante cuando se expone a la luz ultravioleta y es captado en gran medida por Mycobacte-rium tuberculosis, la bacteria que causa la tuberculosis. Cuando el colorante se aplica a una muestra que se sospecha contiene M. tuberculosis y se expone a la luz ultravioleta, la bacteria puede detectarse por la aparicin de microorganismos de color amari-llo brillante contra un campo oscuro.

El uso principal de la microscopia de fl uorescencia es la tc-nica diagnstica denominada tcnica de anticuerpos fl uores-centes (FA, fl uorescent-antibody) o inmunofl uorescencia. En esta tcnica, anticuerpos especfi cos (p. ej., anticuerpos contra Legionella pneumophila) se marcan por medios qumicos con fl uorocromos como el isotiocianato de fl uorescena (FITC, fl uorescein isothiocyanate). Tales anticuerpos fl uorescentes se aaden a la preparacin que contiene la muestra. Si la muestra contiene L. pneumophila, los anticuerpos fl uorescentes se unen a los antgenos en la superfi cie de la bacteria, dando origen a fl uorescencia cuando haya exposicin a luz ultravioleta.

FIGURA 2-1 A: Examen positivo en campo oscuro. Los treponemas se identifi can por su forma caracterstica en sacacorchos y por los movimientos hacia adelante y hacia atrs con rotacin sobre su eje longitudinal. (Reproducida con autorizacin de Charles Stratton/Visuals Unlimited). B: Microscopia de barrido electrnico de bacterias de Staphylococcus aureus (32 000). (Reproducida con autorizacin de David M. Phillips/Photo Researchers, Inc.)

A

B

CAPTULO 2 Estructura celular 11

pio de luz. En la microscopia lser confocal un haz lser se dirige a un espejo que a su vez dirige el haz a travs del dispositivo de imagen. A continuacin el haz lser se dirige a travs de un orifi cio que se ajusta con precisin al plano del foco del haz para dar una capa vertical en la muestra. Al iluminar con precisin slo un plano de la muestra, la intensidad de la iluminacin dis-minuye con rapidez por arriba y por abajo del plano del foco y aleja la luz de otros planos diferentes al focal. As, con muestras relativamente gruesas, pueden observarse varias capas al ajustar el plano del foco del haz lser.

Las clulas a menudo se tien con colorantes fl uorescen-tes para hacerlas ms visibles. Otro mtodo consiste en generar imgenes con color falso al ajustar el microscopio en forma tal que se obtengan diferentes capas con diferentes colores. Los mi-croscopios lser confocales estn equipados con programas in-formticos para crear imgenes digitales para su procesamiento subsiguiente. As, las imgenes obtenidas de las diferentes ca-pas pueden almacenarse y superponerse por medios digitales para reconstruir una imagen tridimensional de la totalidad de la muestra.

Microscopio de sonda de barridoLos microscopios de sonda de barrido son una nueva clase de microscopios que miden caractersticas de la superfi cie al despla-zar una sonda sobre la superfi cie del objeto. La microscopia de efecto tnel y la microscopia de fuerza atmica son ejemplos de esta nueva clase de microscopios, que permiten a los cientfi -cos observar tomos o molculas en la superfi cie de la muestra estudiada. Por ejemplo, pueden estudiarse las interacciones en-tre las protenas de la bacteria Escherichia coli con el empleo de un microscopio de fuerza atmica.

ESTRUCTURA DE CLULAS EUCARIOTAS

NcleoEl ncleo contiene el genoma de la clula. Est limitado por una membrana formada por un par de unidades de membrana separadas por un espacio de grosor variable. La membrana in-terna por lo comn es un saco simple, pero la membrana ms externa se presenta en varios sitios como una continuacin del retculo endoplsmico. La membrana nuclear muestra per-meabilidad selectiva por la presencia de poros, que consisten en varias protenas complejas cuya funcin es importar sus-tancias y extraer sustancias del ncleo. Los cromosomas de las clulas eucariotas contienen macromolculas de DNA lineal expuestas en una doble hlice. Slo son visibles con la micros-copia de luz cuando la clula se encuentra en divisin y el DNA se encuentra en una forma muy condensada; en otros momen-tos los cromosomas no se encuentran condensados y tienen el aspecto que se muestra en la fi gura 2-2. Las macromolculas de DNA de las clulas eucariotas se asocian con protenas bsicas denominadas histonas que se unen al DNA por medio de in-teracciones inicas.

Una estructura a menudo visible en el ncleo es el nuclolo, un rea rica en RNA que es el sitio de sntesis del RNA ribos-mico (fi g. 2-2). Las protenas ribosmicas sintetizadas en el cito-plasma se transportan hacia el nuclolo y se combinan con RNA ribosmico para formar subunidades grandes y pequeas de

en el otro lado. Cuando un haz de electrones pasa a travs de la preparacin cubierta en el microscopio electrnico y se crea una imagen positiva a partir de una imagen negativa se logra un efecto tridimensional (fi g. 2-22).

Otra tcnica importante en la microscopia electrnica in-cluye el uso de cortes ultradelgados de material incrustado, un mtodo de congelamiento-secado de muestras que evita la distor-sin causada por los procedimientos convencionales desecados, y con el uso de tinciones negativas con un material denso para los electrones, como el cido fosfotungstnico o sales de uranilo (fi g. 42-1). Sin estas sales de metales pesados, no se lograra sufi -ciente contraste para detectar los detalles de una muestra.

Microscopio lser confocalEl microscopio lser confocal (CSLM, confocal scanning laser microscope) asocia una fuente luminosa lser con un microsco-

NucleoloNucleolo

PoresPoresPoros

CromatinaCromatina

Nuclolo

Cromatina

FIGURA 2-2 Micrografa electrnica de un corte delgado de un ncleo tpico de una clula eucariota que muestra un nuclolo prominente y agregados grandes de heterocromatina contra la membrana nuclear, que es atravesada por poros (fl echas). Recuadro superior izquierdo: Dos poros nucleares con los diafragmas correspondientes. Recuadro inferior derecho: La lmina fi brosa se encuentra presente en la cara interna de la envoltura nuclear. Se observan varias mitocondrias en el citoplasma. (Reproducida con autorizacin de Fawcett DW: Bloom and Fawcett, A Textbook of Histology, 12th ed. Copyright 1994. Con autorizacin de Chapman & Hall, New York, NY.)

12 SECCIN I Bases de la microbiologa

Algunos microorganismos eucariotas (p. ej., Trichomonas vaginalis) carecen de mitocondrias y en su lugar contienen or-ganelos respiratorios rodeados por una membrana, denomina-dos hidrogenosomas. Estos ltimos tambin parecen haberse originado por endosimbiosis y en algunos se ha identifi cado que contienen DNA y ribosomas. Los hidrogenosomas, pese a que son similares en tamao con las mitocondrias, carecen de crestas y de las enzimas del ciclo del cido tricarboxlico. El hidrogenosoma capta al piruvato, H2, CO2 y acetato y produce ATP.

Los lisosomas son sacos rodeados por membrana que con-tienen varias enzimas digestivas que las clulas utilizan para des-doblar macromolculas como protenas, grasas y polisacridos. Los lisosomas permiten que estas enzimas no se encuentren en contacto con el citoplasma, donde pueden destruir macromo-lculas celulares de importancia si no son contenidas en forma apropiada. Despus de la hidrlisis de macromolculas en los lisosomas, los monmeros resultantes pasan del lisosoma hacia el citoplasma donde actan como nutrientes.

El peroxisoma es una estructura rodeada por membrana cuya funcin consiste en producir H2O2 por la reduccin de O2 a partir de varios hidrgenos donadores. El H2O2 producido en el peroxisoma ms tarde se degrada a H2O y O2 por accin de la enzima catalasa.

El citoesqueleto es una estructura tridimensional que ocu-pa el citoplasma. Los tres tipos principales de fi bras que com-prenden el citoesqueleto son microfi lamentos, fi lamentos inter-medios y microtbulos. Los microfi lamentos tienen casi 3 a 6 nm de dimetro y son los polmeros compuestos por subunida-des de la protena actina. Estas fi bras forman andamios a travs de los cuales se defi ne y mantiene la forma de la clula. Los mi-crofi lamentos pueden desplazarse por los movimientos celula-res, lo que incluye deslizamiento, contraccin y citocinesis.

Los microtbulos son tubos cilndricos, de 20 a 25 nm de dimetro y estn compuestos por subunidades de la protena tubulina. Los microtbulos colaboran con los microfi lamentos para mantener la estructura celular, formar las fi bras fusiformes que separan los cromosomas durante la mitosis y tambin parti-cipar de manera importante en la motilidad celular. Los fi lamen-tos intermedios tienen casi 10 nm de dimetro y proporcionan fuerza tensil a la clula.

Capas superficialesEl citoplasma est rodeado por una membrana plasmtica com-puesta por protenas y fosfolpidos, similar a la membrana de las clulas procariotas, ilustrada ms adelante (fi g. 2-10). La mayor parte de las clulas animales no tienen otras capas superfi ciales; no obstante, las clulas vegetales tienen una pared celular exter-na compuesta por celulosa. Muchos microorganismos eucariotas tambin tienen una pared celular externa, que puede ser com-puesta por polisacridos como celulosa o quitina o pueden ser inorgnicos, por ejemplo, la pared de slice de las diatomeas.

Organelos que participan en la motilidadMuchos microorganismos eucariotas tienen organelos deno-minados fl agelos (p. ej., Trichomonas vaginalis) o cilios (p. ej.,

ribosoma eucariota. Ms tarde stas son llevadas al citoplasma donde se asocian para formar ribosomas intactos que participan en la sntesis de protenas.

Estructuras citoplsmicasEl citoplasma de las clulas eucariotas se caracteriza por la presen-cia de un retculo endoplsmico, vacuolas, plstidos que se repro-ducen por s mismos y un citoesqueleto complejo, compuesto por microtbulos, microfi lamentos y fi lamentos intermedios.

El retculo endoplsmico (ER, endoplasmic reticulum) es una red de conductos limitados por membranas que tienen con-tinuidad con la membrana del ncleo. Se identifi can dos tipos de retculo endoplsmico: rugoso, al cual se unen ribosomas 80S y liso, sin dichos ribosomas (fi g. 2-2). El retculo endopls-mico rugoso es el principal productor de glucoprotenas y tam-bin produce nuevo material de membrana que se transporta a travs de la clula; el retculo endoplsmico liso participa en la sntesis de lpidos y en algunos aspectos del metabolismo de los carbohidratos. El aparato de Golgi consiste en un conjunto de membranas que funcionan en combinacin con el retculo en-doplsmico para modifi car y organizar productos qumicos del retculo endoplsmico que ms tarde sern secretados y aquellos que participan en la produccin de otras estructuras de la mem-brana celular.

Los plstidos incluyen mitocondrias y cloroplastos. Va-rias pruebas sugieren que las mitocondrias y cloroplastos son descendientes de microorganismos procariotas antiguos y que se originaron del englobamiento de clulas procariotas por clulas de mayor tamao (endosimbiosis). Las mitocondrias tienen el tamao de una clula procariota y su membrana, que carece de esteroles, es mucho menos rgida que la membrana citoplsmica de las clulas eucariotas, las cuales contienen es-teroles. Las mitocondrias contienen dos grupos de membranas. La membrana ms externa es permeable y cuenta con numero-sos conductos diminutos que permiten el paso de iones y mol-culas pequeas (p. ej., ATP). La invaginacin de la membrana externa forma un sistema de membranas plegadas internas de-nominadas crestas. Las crestas son los sitios donde se encuen-tran las enzimas que participan en la respiracin y produccin de ATP. Tambin contienen protenas de transporte especfi co que regulan el paso de metabolitos hacia el interior y el exte-rior de la matriz mitocondrial. Dicha matriz contiene varias enzimas, en particular aquellas que participan en el ciclo del cido ctrico. Los cloroplastos son organelos celulares fotosin-tticos capaces de convertir la energa de la luz solar a energa qumica por medio de la fotosntesis. La clorofi la y todos los dems componentes necesarios para la fotosntesis se ubican en una serie de discos aplanados de la membrana denomina-dos tilacoides. El tamao, forma y nmero de cloroplastos por clula vara notablemente; a diferencia de las mitocondrias, los cloroplastos por lo general son mucho ms grandes que las c-lulas procariotas. Las mitocondrias y cloroplastos contienen su propio DNA, el cual se encuentra en forma circular cerrada por medio de enlaces covalentes y codifi ca algunas protenas (no todas) y participa en la transferencia de RNA. Las mito-condrias y cloroplastos tambin contienen ribosomas 70S, al igual que las procariotas.

CAPTULO 2 Estructura celular 13

ESTRUCTURA DE LAS CLULAS PROCARIOTAS

La clula procariota es ms simple que la eucariota al nivel de la energa, con una excepcin: la envoltura celular es ms com-pleja.

NucleoideLas clulas procariotas no tienen un ncleo verdadero; alma-cenan su DNA en una estructura conocida como nucleoide. El nucleoide puede observarse en la microscopia de luz en material teido (fi g. 2-4). Es positivo para el colorante de Feulgen, lo que indica la presencia de DNA. El DNA de carga negativa es neu-tralizado, al menos en parte, por poliaminas pequeas y por io-nes de magnesio, pero las protenas similares a histonas existen en bacterias y tal vez desempean una funcin similar a la de las histonas en la cromatina de las clulas eucariotas.

Las micrografas electrnicas de clulas procariotas tpicas, como en la fi gura 2-5, revelan la presencia de membrana nu-clear y de un aparato mittico. La excepcin a esta regla son los plantomicetos, un grupo de bacterias acuticas que tienen un nucleoide rodeado por una cubierta nuclear formada por dos membranas. La diferenciacin entre las clulas procario-tas y eucariotas es que las primeras no cuentan con un aparato similar al huso mittico. La regin nuclear (fi g. 2-5) est llena con fi brillas de DNA. El nucleoide de la mayor parte de las c-lulas bacterianas consiste en una molcula circular nica y con-tinua, que vara en tamao de 0.58 a casi 10 millones de pares de bases. Sin embargo, unas cuantas bacterias han demostrado poseer dos, tres o incluso cuatro cromosomas diferentes. Por ejemplo, Vibrio cholerae y Brucella melitensis tienen dos cro-mosomas distintos. Hay dos excepciones a esta regla de mate-rial gentico circular porque algunas clulas procariotas (Borre-

Balantidium coli) que permiten el movimiento similar a una onda que desplaza las clulas sobre el agua. Los fl agelos eu-cariotas surgen de las regiones polares de la clula, donde los cilios, que son ms cortos que los fl agelos, rodean a las clulas. Los fl agelos y los cilios de las clulas eucariotas tienen la misma estructura bsica y composicin bioqumica. Ambos consisten en grupos de microtbulos, cilindros protenicos huecos com-puestos por una protena llamada tubulina y que est rodea-da por una membrana. La disposicin de los microtbulos se conoce como sistema 9 + 2 porque est formado de nueve pares perifricos de microtbulos rodeados por dos microt-bulos centrales (fi g. 2-3).

Cabezadel rayo

Brazoexternode dinena

Brazointerno dedinena

Rayo

Vnculode nexina

Vaina central

Subtbulo B

Subtbulo A

Microtbulocentral

Microtbulodoble

BA

FIGURA 2-3 Estructura de cilios y fl agelos. A: Micrografa electrnica de un corte transversal de un cilio. Obsrvense los dos microtbulos centrales rodeados por nueve dobletes de microtbulos (160 000). (Reproducida de KG Murti/Visuals Unlimited) B: Diagrama de la estructura de cilios y fl agelos. (Reproducida con autorizacin de Willey JM, Sherwood LM, Woolverton CJ [eds]: Prescott, Harley, and Kleins Microbiology, 7th ed. New York: McGraw-Hill; 2008.)

FIGURA 2-4 Nucleoides de Bacillus cereus (2 500). (Reproducida con autorizacin de Robinow C: Bacteriol Rev 1956;20:207.)

14 SECCIN I Bases de la microbiologa

parar los cuerpos de inclusin del citoplasma mismo. Uno de los cuerpos de inclusin ms comunes consiste en cido poli- hidroxibutrico (PHB, poly--hydroxybutyric acid), un com-puesto similar a un lpido que tiene cadenas de cido hidro-xibutrico conectadas a travs de enlaces ster. Se produce PHB cuando la fuente de nitrgeno, sulfuro y fsforo se encuentra limitada y hay exceso de carbn en el medio (fi g. 2-7A). Otro producto de almacenamiento formado por las clulas procario-tas cuando hay carbn en cantidades excesivas es el glucge-no, un polmero de la glucosa. El glucgeno y PHB se utilizan como fuentes de carbono cuando se reinicia la sntesis de pro-tenas y cidos nucleicos. Diversos procariotas son capaces de oxidar compuestos de sulfuro reducidos como cido sulfh dri-co y tiosulfato, produciendo grnulos intracelulares de azufre elemental (fi g. 2-7C). Conforme las fuentes de azufre reducido se ven limitadas, se oxidan los grnulos de azufre, por lo co-mn a sulfato y los grnulos desaparecen con lentitud. Muchas bacterias acumulan grandes reservas de fosfato inorgnico en la forma de grnulos de polifosfato (fig. 2-7B). Tales grnulos podrn degradarse y utilizarse como fuentes de fosfato para la produccin de cidos nucleicos y sntesis de fosfolpidos para mantener el crecimiento; y en ocasiones se denominan grnu-los de volutina o grnulos metacromticos , porque se tien de rojo con un colorante azul. Estas son caractersticas de las corinebacterias (cap. 13).

Ciertos grupos de bacterias auttrofas que fi jan dixido de carbono producen bloques de construccin bioqumica que contienen cuerpos polidricos rodeados por una cubierta pro-tenica (carboxisomas) y contienen una enzima fundamental para la fi jacin de CO2, la carboxilasa de ribulosa bifosfato (fi g. 2-6B). Los magnetosomas son partculas cristalinas intracelu-lares del mineral de hierro magnetita (Fe3O4) que permiten que ciertas bacterias acuticas muestren magnetotaxis (migracin u orientacin de la clula con respecto al campo magntico de la

lia burgdorferi y Streptomyces coelicolor) han mostrado poseer cromosomas lineales.

En las bacterias, el nmero de nucleoides y por tanto el nmero de cromosomas, depende de las condiciones de proli-feracin (fi g. 2-4). Las bacterias con rpido crecimiento tienen nucleoides ms grandes por clula que las de crecimiento lento; sin embargo, cuando se presentan mltiples copias, todas son similares (es decir, las clulas procariotas son haploides).

Estructuras citoplsmicasLas clulas procariotas carecen de plstidos autnomos, como las mitocondrias y cloroplastos; las enzimas de transporte de elec-trones se localizan en la membrana citoplsmica. Los pigmentos fotosintticos (carotenoides, bacterioclorofi la) de bacterias fo-tosintticas se encuentran contenidos en sistemas de membra-nas intracitoplsmicas de varias morfologas. Las vesculas de membrana (cromatforos) son tipos de membrana observadas a menudo. Algunas bacterias fotosintticas tienen estructuras especializadas rodeadas por membrana denominadas cloroso-mas. En algunas cianobacterias (antes conocidas como algas azul-verdosas) las membranas fotosintticas a menudo forman estructuras de mltiples