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La pared celular bacteriana es una estructura macromolecular compleja que proporciona soporte mecánico, protege frente a cambios osmóticos y participa en la interacción con el ambiente. Sus componentes principales se construyen a partir de subunidades repetitivas, que son sintetizadas inicialmente en el citoplasma de la célula. Este proceso puede compararse con la fabricación de un edificio a partir de módulos prefabricados en un taller: las subunidades se ensamblan en un entorno controlado dentro de la célula, donde se asegura su correcta conformación y se preparan para su incorporación al ensamblaje final.
Para que estas subunidades puedan unirse de manera efectiva a la estructura preexistente de la pared celular, deben estar químicamente activadas. Esto se logra mediante la formación de enlaces de alta energía, como los enlaces fosfato, que proporcionan la energía necesaria para las reacciones de unión que ocurren fuera del citoplasma, en la cara externa de la membrana citoplasmática. Una vez activadas, las subunidades se transportan a través de la membrana plasmática, a menudo mediante transportadores especializados que funcionan como una especie de “cinta transportadora molecular”. Allí, se incorporan al polímero creciente de peptidoglicano, polisacáridos o proteínas de la pared, generando una estructura continua y resistente que sostiene la célula.
Este mecanismo altamente coordinado permite que la célula construya una pared celular robusta sin comprometer la integridad de la membrana interna, al mismo tiempo que asegura que cada subunidad esté correctamente orientada y unida, de manera similar a como un ingeniero ensamblaría secciones de una nave espacial a partir de módulos prefabricados en un entorno seguro antes de exponerlas al vacío del espacio. De este modo, la biosíntesis de la pared celular combina precisión molecular, energía química y transporte especializado para mantener la forma, la protección y la viabilidad de la bacteria.
Peptidoglicano
El peptidoglicano, también conocido como mucopeptido o mureína, constituye el andamiaje fundamental de la pared celular bacteriana, formando una especie de malla rígida que recuerda a un cercado compuesto por postes lineales entrelazados. Esta malla está formada por cadenas lineales de polisacáridos que se repiten regularmente y que se encuentran unidas mediante enlaces peptídicos. Los polisacáridos están compuestos por disacáridos repetitivos de N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico, los cuales actúan como eslabones de una cadena.
Cada residuo de N-acetilmurámico lleva unido un tetrapéptido peculiar, cuya composición es inusual: contiene tanto aminoácidos de la forma D como de la forma L, siendo los aminoácidos D raramente utilizados en las proteínas biológicas. Además, este péptido no se sintetiza mediante los ribosomas, como las proteínas convencionales, sino que es ensamblado mediante rutas enzimáticas especializadas. El precursor del péptido incluye un residuo adicional de D-alanina que se libera durante el proceso de entrecruzamiento, liberando energía y facilitando la formación de enlaces entre cadenas.
La estructura tridimensional del peptidoglicano depende críticamente de aminoácidos diamino, como la lisina, la diaminopimélica y la diaminobutírica, presentes en la tercera posición del tetrapéptido. Estos aminoácidos permiten que los enlaces cruzados se formen entre el grupo amina libre de la cadena y la D-alanina en la cuarta posición de otra cadena. En bacterias Grampositivas, como Staphylococcus aureus, estos enlaces a menudo incluyen un puente de aminoácidos, como un pentapéptido de glicinas, que alarga y refuerza la conexión entre cadenas, generando una malla extremadamente fuerte y resistente. Por contraste, en bacterias Gramnegativas, el peptidoglicano se limita a una sola capa, con menos entrecruzamientos, lo que confiere menor rigidez a la pared.
La resistencia mecánica del peptidoglicano depende tanto del número de enlaces cruzados como de la longitud de los puentes que los conectan. Este entramado es lo que permite que la célula mantenga su forma y resista la presión osmótica interna. Sin embargo, enzimas como la lisozima pueden degradar esta estructura al romper los enlaces en la columna vertebral de los polisacáridos, demostrando que, a pesar de su robustez, el peptidoglicano es susceptible a ataques específicos que interrumpen su integridad.
Síntesis de peptidoglicano
La síntesis del peptidoglicano, el andamiaje rígido que da forma y resistencia a la bacteria, se desarrolla en un proceso cuidadosamente coordinado que puede dividirse en cuatro fases principales. Todo comienza en el citoplasma, donde los precursores son sintetizados y activados. La glucosamina se transforma en N-acetilmurámico mediante rutas enzimáticas específicas y, posteriormente, se activa energéticamente mediante la unión con uridina trifosfato, dando lugar a uridina difosfato-N-acetilmurámico. A partir de este intermediario se construye, paso a paso y mediante una serie de reacciones enzimáticas, el precursor peptídico de cinco aminoácidos, listo para incorporarse a la futura malla del peptidoglicano.
En la segunda fase, este precursor de UDP-MurNAc-pentapéptido se enlaza a una molécula portadora lipídica, el bactoprenol, que funciona como una especie de cinta transportadora molecular incrustada en la membrana citoplasmática. La unión se realiza mediante un enlace pirofosfato y se libera uridina monofosfato. La N-acetilglucosamina se añade entonces para formar el bloque de construcción disacárido-péptido que servirá como unidad básica del peptidoglicano.
La tercera fase implica la translocación de este precursor unido al bactoprenol hacia la superficie externa de la membrana, un paso mediado por la acción de enzimas “flippasas” que giran la molécula a través de la membrana, posicionándola para su ensamblaje. En la fase final, el disacárido-péptido se incorpora a las cadenas existentes de peptidoglicano. Las enzimas transglicosilasas utilizan la energía almacenada en el enlace pirofosfato entre el precursor y el bactoprenol para unir la nueva unidad a la cadena creciente, mientras que el bactoprenol se recicla para futuras rondas de síntesis. La acción de antibióticos como la bacitracina interfiere precisamente con este reciclaje, deteniendo la construcción de la pared.
Simultáneamente, las cadenas peptídicas de unidades adyacentes se entrecruzan mediante transpeptidación. En esta reacción, el grupo amina de un aminoácido diamino, como la lisina, o el extremo N de un puente pentaglicina, se une con la D-alanina en la cuarta posición de otro péptido, liberando la D-alanina terminal del precursor. Esta transferencia de enlaces peptídicos no requiere energía adicional, pues se trata de un intercambio de enlaces ya existentes. Enzimas membranales conocidas como transpeptidasas y D-carboxipeptidasas regulan la extensión y el grado de entrecruzamiento del peptidoglicano, y son los blancos moleculares de antibióticos como la penicilina y otros β-lactámicos, que imitan la estructura del sustrato D-Ala-D-Ala para bloquear estas reacciones, mientras que la vancomicina se une como una abrazadera al mismo motivo para impedir la formación de enlaces cruzados.
Existen diferentes transpeptidasas que participan en la extensión de la pared durante el crecimiento, en la formación del septo durante la división celular y en la curvatura de la malla para definir la forma de la bacteria. La síntesis de peptidoglicano y su entrecruzamiento son procesos esenciales para el crecimiento y la división celular, y deben estar coordinados con la acción de enzimas autolíticas, como la lisozima, que degradan selectivamente la pared para moldear la célula. Si se inhibe la síntesis de peptidoglicano pero los autolisinas continúan, la malla se debilita, provocando lisis y muerte celular. Durante la inanición, la síntesis de peptidoglicano cesa, debilitando la estructura y afectando incluso la confiabilidad de la coloración de Gram.
El conocimiento detallado de esta ruta biosintética es fundamental en medicina, pues todas estas reacciones son exclusivas de las bacterias y, por lo tanto, pueden ser inhibidas selectivamente con antibióticos sin dañar las células humanas, lo que explica la eficacia de muchos fármacos dirigidos a la pared celular.
Ácidos teicoicos y lipoteicoicos
Los ácidos teicoicos y lipoteicoicos son polímeros esenciales que complementan la estructura del peptidoglicano en las bacterias Grampositivas. Estas moléculas están formadas por cadenas de ribosa o glicerol químicamente modificadas, unidas entre sí mediante enlaces fosfato. Las posiciones hidroxilo de estas unidades pueden llevar unidas azúcares, colina o D-alanina, generando determinantes antigénicos específicos que permiten que el sistema inmunológico identifique distintas cepas bacterianas y, de manera práctica, determinan el serotipo de la bacteria.
Los ácidos lipoteicoicos se distinguen porque poseen un ancla lipídica que los fija a la membrana plasmática, mientras que los ácidos teicoicos tradicionales se ensamblan sobre la superficie del peptidoglicano. La síntesis de ambos tipos de ácidos se realiza a partir de bloques de construcción activados que se ensamblan sobre la molécula transportadora lipídica bactoprenol, de manera similar a la síntesis de peptidoglicano. Luego, mediante un mecanismo de translocación, estas cadenas son llevadas a la superficie externa de la membrana. Una vez allí, los ácidos teicoicos se unen enzimáticamente al extremo N del péptido del peptidoglicano, reforzando la malla de la pared celular, mientras que los lipoteicoicos se insertan directamente en la membrana, sirviendo como anclas que estabilizan la interacción entre la membrana y la capa de peptidoglicano.
Más allá de su papel estructural, los ácidos teicoicos y lipoteicoicos son críticos para la fisiología bacteriana: contribuyen a la carga negativa de la superficie celular, afectan la adhesión a superficies y tejidos, y modulan la respuesta inmune del huésped. Por su ubicación estratégica y por los determinantes antigénicos que portan, estas moléculas representan un componente clave tanto en la arquitectura de la pared celular como en la interacción de la bacteria con su entorno.
Lipopolisacárido
El lipopolisacárido, conocido por sus siglas LPS, constituye un componente fundamental de la membrana externa de las bacterias Gramnegativas, desempeñando un papel esencial en la integridad de la membrana, la interacción con el huésped y la respuesta inmune. La molécula de LPS se organiza en tres regiones estructurales: el lípido A, el polisacárido central o núcleo, y el antígeno O.
El lípido A es el componente básico de LPS y crítico para la viabilidad bacteriana. Está formado por un disacárido de glucosamina fosforilado al que se unen ácidos grasos que anclan la molécula en la membrana externa. Esta región es responsable de la actividad endotóxica del LPS, que puede desencadenar respuestas inmunes intensas en el huésped. Algunas bacterias modifican la cantidad de cadenas de ácidos grasos para disminuir la detección por receptores de reconocimiento de patrones, como el receptor Toll-like 4, evitando así la activación de defensas innatas.
El núcleo polisacárido, también denominado núcleo “rugoso”, es un oligosacárido ramificado de entre nueve y doce azúcares que también resulta esencial para la estabilidad de LPS y la viabilidad bacteriana. Incluye un azúcar inusual, el 2-ceto-3-desoxi-octonato (KDO), y presenta fosfatos que, junto con cationes divalentes, refuerzan la membrana externa mediante enlaces entre las cargas negativas del núcleo.
El antígeno O es la porción más externa y variable del LPS. Se trata de un polisacárido lineal largo compuesto por 50 a 100 unidades repetitivas de cuatro a siete azúcares por unidad, que se proyecta hacia el exterior de la célula. Esta región determina los serotipos bacterianos; por ejemplo, el O157:H7 de Escherichia coli se identifica por la combinación del antígeno O y la flagelina, y es responsable del síndrome hemolítico urémico. Algunas bacterias, como Neisseria, carecen del antígeno O en su LPS, formando el lipooligosacárido (LOS), lo que permite la liberación de agregados y hace que la membrana sea más vulnerable a la lisis mediada por el complemento del huésped.
La biosíntesis de LPS es un proceso altamente organizado y secuencial. El lípido A y el núcleo polisacárido se ensamblan enzimáticamente en la superficie interna de la membrana citoplasmática y luego se translocan hacia el exterior. Las unidades del antígeno O se construyen sobre la molécula transportadora lipídica bactoprenol, se giran hacia la superficie externa de la membrana y se ensamblan en cadenas de 50 a 100 unidades. Finalmente, la cadena completa del antígeno O se transfiere al lípido A unido al núcleo, formando la molécula completa de LPS.
El transporte del LPS maduro desde la membrana citoplasmática hasta la superficie externa de la célula se realiza mediante un sistema proteico complejo que funciona como una “escalera tipo cadena de cubos”, pasando por el peptidoglicano y el espacio periplásmico hasta la membrana externa. Este sistema asegura que el LPS se coloque correctamente, protegiendo la célula y permitiendo que la bacteria interactúe con su entorno de manera controlada.
Fuente y lecturas recomendadas:
- Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2018). Brock biology of microorganisms (15th ed.). Pearson.
- Murray, P. R., Rosenthal, K. S., & Pfaller, M. A. (2025). Medical microbiology (10th ed.). Elsevier.
- Carroll, K. C., & Pfaller, M. A. (2023). Manual of clinical microbiology (13th ed.). American Society for Microbiology Press.
- Riedel, S., Hobden, J. A., Miller, S., Morse, S. A., Mietzner, T. A., Detrick, B., Mitchell, T. G., Sakanari, J. A., Hotez, P., & Mejía, R. (2020). Microbiología médica (28ª ed.). McGraw-Hill Interamericana Editores.
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