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En microbiología, las bacterias se pueden clasificar en dos grandes grupos según la estructura de la pared celular: las bacterias Gram positivas y las bacterias Gram negativas. Las diferencias en la pared celular de ambos tipos generan una respuesta diferente al someterse a la conocida como tinción de Gram. Las bacterias Gram negativas aparecen teñidas de rosa – fucsia y las bacterias Gram positivas de azul – morado. Pero como veremos, la tinción de Gram no es un método del todo fiable para la clasificación bacteriana.

Estructura de la pared celular de bacterias Gram negativas

La característica clave que diferencia una bacteria Gram negativa de una bacteria Gram positiva es la composición y estructura de la pared celular. La pared celular de las bacterias Gram negativas está formada por dos membranas lipídicas, una interna (citoplasmática) y otra externa, con un espacio entre ellas denominado espacio periplasmático en el que se dispone una capa de una sustancia llamada peptidoglicano. Las Gram positivas no cuentan con membrana externa y la capa de peptidoglicano es generalmente mucho más gruesa.

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Membrana citoplasmática

La membrana citoplasmática, o membrana celular, es la membrana que rodea el medio interno de la célula bacteriana (citoplasma). Es similar a cualquier otra membrana celular existente en la naturaleza y consiste en una bicapa lipídica con diversas proteínas y lípidos que ejercen funciones específicas.

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Espacio periplasmático y capa de peptidoglicano

El espacio entre la membrana citoplasmática y la membrana externa se denomina espacio periplasmático. En este espacio se encuentra una sustancia característica de las bacterias, tanto Gram positivas como Gram negativas, llamada peptidoglicano (o mureína). En el espacio periplasmático también se pueden encontrar enzimas importantes para la nutrición de la bacteria.

El peptidoglicano es un polímero de glúcidos y aminoácidos que forma una capa con un papel estructural muy importante en la pared celular de la bacteria al dar fuerza y contrarrestar la presión osmótica del citoplasma. También participa en la fisión binaria durante la reproducción bacteriana. En general, la capa de peptidoglicano es más delgada en bacterias Gram negativas que en Gram positivas.

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Membrana externa

La membrana externa de las bacterias Gram negativas es una bicapa lipídica de estructura similar a la membrana citoplasmática. En esta membrana se pueden encontrar diversas proteínas; una de las más características son las porinas, unas proteínas que forman canales por los que pueden pasar determinadas sustancias y que no se encuentran en la membrana citoplasmática.

Otra estructura característica de la membrana externa son los lipopolisacáridos. En cada lipopolisacárido bacteriano se pueden diferenciar tres regiones: el lípido A anclado en la parte externa de la membrana (actúa como endotoxina), una estructura polisacaroídica central conocida como núcleo o core y el polisacárido O, más conocido como antígeno O.

Algunas bacterias Gram negativas presentan una capa S (estructura cristalina de proteínas y glicoproteínas) apoyada sobre la membrana externa (en las Gram positivas, si aparece, se sitúa sobre la membrana citoplasmática). Otra diferencia es que si las bacterias Gram negativas presentan flagelos, estos tienen cuatro anillos de apoyo, dos por cada membrana, en lugar de dos como las Gram positvas.

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La tinción de Gram

La tinción de Gram fue desarrollada por Hans Ghristian Gram en 1884 y consiste es una mezcla de sustancias coloreadas que se aplica sobre una muestra bacteriana. Primero se aplica una solución de cristal violeta, un colorante que tiñe todas las células bacterianas, tanto Gram negativas como Gram positivas, y da una coloración azul – morada a las bacterias.

Posteriormente se aplica una mezcla yodo y lugol que fija el cristal violeta. Después se lava la muestra con una mezcla de alcohol y acetona que es capaz de disolver el cristal violeta y decolorar las bacterias. Algunas bacterias no se decoloran y permanecen azules. A estas bacterias que permanecen azules se les llama Gram positivas, a las que se han decolorado se les llaman Gran negativas. Para ver mejor las bacterias Gram negativas se aplica otro colorante, generalmente safranina o fucsina, que dan un color rosa a las bacterias. Así, quedan bacterias teñidas de azul (Gram positivas) y bacterias teñidas de rosa (Gram negativas).

La diferente respuesta a la tinción de Gram se debe a que el cristal violeta es retenido por la capa de peptidoglicano y, al ser más delgada en las bacterias Gram negativas, estas sufren la decoloración al aplicar la mezcla de alcohol y acetona. Se creía que el cristal violeta pasaba al interior celular pero recientemente se ha observado que no ocurre así sino que las moléculas de cristal violeta se adhieren al peptidoglicano y no atraviesa la membrana citoplasmática. En las bacterias Gram negativas esta adherencia sería menor al tener menos peptidoglicano.

Limitaciones de la tinción de Gram

Existen bacterias que dan respuestas a la tinción de Gram que no se corresponde con la estructura real de su pared celular. Por ejemplo, existen bacterias con una estructura de pared celular Gram positiva pero con una capa delgada de peptiglicano que dan negativo en la tinción de Gram. Incluso hay bacterias con una sola membrana y sin peptidoglicano (mycoplasmas) que también dan negativo en la tinción de Gram aunque están estructuralmente más relacionadas con las bacterias Gram positivas. Por este motivo, aunque la tinción de Gram sigue siendo ampliamente utilizada como método de aproximación diferencial, la definición de bacteria Gram negativa y bacteria Gram positiva en función de su respuesta a la tinción de Gram no es del todo fiable.

La respuesta a la tinción de Gram también se utilizó como clasificación taxonómica (Negibacterias y Posibacterias) pero con el desarrollo de la biología molecular se pudo comprobar que esta clasificación no forma grupos filogenéticos coherentes. La línea monofilética de las Gram negativas fue desacreditada definitivamente en 1987 con el estudio de Carl Richard Woese sobre la evolución bacteriana.

Todos estos hechos hacen que los términos Gram negativa y Gram positiva sean actualmente ambiguos pudiendo referirse a una clasificación taxonómica, a un tipo de estructura de pared celular o la respuesta a la tinción de Gram. Dado que la presencia de una o dos membranas lipídicas rodeando a la célula son los dos principales tipos de ultraestructuras de células procariotas, se han propuesto otros nombres para referirse de forma específica a esta característica. El microbiólogo Gupta propuso en el año 2000 los términos monoderma y diderma para referirse a bacterias con una o dos membranas respectivamente. También se propuso estos términos como aplicables de forma general para referirse a las características de cualquier célula procariota.

Implicaciones sanitarias

Entre las bacterias Gram negativas muchas son patógenos para el ser humano y la estructura de la pared celular de estas bacterias tiene un papel destacado tanto en la patogenicidad como en el tratamiento. Por un lado, el lípido A (la parte lipídica del lipopolisacárido) es una endotoxina y es capaz de estimular respuestas del sistema inmunitario generando una reacción tóxica responsable de muchos de los efectos patógenos. Entre los efectos tóxicos más importantes del lípido A está la estimulación de la respuesta inflamatoria y fiebre. El mecanismo de acción está relacionado con la activación de los macrófagos, los cuales liberan Interleucina-1, factor de necrosis tumoral y óxido nítrico que desencadenan la respuesta inflamatoria y la fiebre.

Por otro lado, la membrana externa supone una barrera de protección que impide o dificulta la actividad de agentes antimicrobianos como pueden ser antibióticos o detergentes antisépticos. Por ejemplo, la membrana externa de las bacterias Gram negativas es la responsable de que sean resistentes a la lisozima y a la penicilina. No obstante, hay disponibles antibióticos con actividad frente a las bacterias Gram negativas, por ejemplo, la estreptomicina o la ampicilina.

Galería

Referencias

  1. Woese, Carl Richard (Junio 1987). “Bacterial evolution”. Microbiol. Rev. 51 (2): 221–71. PMID 2439888.
  2. Rojas Campos, Norman. “El lipopolisacárido bacteriano: una potente endotoxina con multiples actividades biologicas”. http://www.binasss.sa.cr/revistas/rccm/v16n3/art8.pdf
  3. Gupta RS (2000). “The natural evolutionary relationships among prokaryotes”. Crit. Rev. Microbiol. 26 (2): 111–31. doi:10.1080/10408410091154219.
  4. Wilhelm, M. J., Sheffield, . B., Sharifian, M., Wu, Y., Spahr, C., Gonella, G., Xu, B., y Dai, H.. (2015). Gram’s Stain Does Not Cross the Bacterial Cytoplasmic Membrane. ACS Chemical Biology. DOI: 10.1021/acschembio.5b00042

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