4.1. Actividad celular y adaptación al medio
La fisiología bacteriana estudia cómo la célula obtiene nutrientes, conserva energía, sintetiza sus componentes y responde a los cambios del entorno. Estas funciones determinan dónde puede establecerse una bacteria y cómo varía su actividad dentro de un mismo territorio. La disponibilidad de un nutriente, la presión de oxígeno o el estado de crecimiento pueden modificar su comportamiento sin cambiar necesariamente su genoma.
El metabolismo comprende reacciones catabólicas, que degradan o transforman sustratos y permiten conservar energía, y reacciones anabólicas, que utilizan precursores y energía para construir componentes celulares. Ambos conjuntos están conectados. Los intermediarios del metabolismo central pueden destinarse a oxidación o a la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y lípidos según las necesidades de la célula.
La actividad metabólica de una bacteria individual no equivale al crecimiento de una población concreta. Una célula puede mantener su integridad, reparar daños o expresar proteínas sin dividirse y, por tanto, sin crecimiento de la colonia. A su vez, una población puede conservar un tamaño relativamente estable mientras algunas células se multiplican y otras mueren.
Crecimiento: suele referirse al aumento de la población o de su biomasa. La multiplicación aumenta el número de células; el mantenimiento conserva funciones celulares sin exigir un incremento neto de población. Supervivencia, actividad metabólica y división son fenómenos relacionados, pero distintos al crecimiento.
4.2. Nutrición y clasificación metabólica
4.2.1. Elementos y factores de crecimiento
Las bacterias necesitan fuentes de carbono, nitrógeno, fósforo, azufre y otros elementos para construir sus moléculas. El carbono forma parte de los compuestos orgánicos celulares; el nitrógeno es necesario para aminoácidos y bases nitrogenadas; el fósforo interviene en nucleótidos, ácidos nucleicos y fosfolípidos. Los iones minerales (como el hierro) actúan como componentes estructurales o cofactores enzimáticos.
Sin embargo, la célula no puede utilizar cualquier forma química de un elemento. Necesita transportarla, transformarla e incorporarla mediante sistemas compatibles con su dotación metabólica. Dos bacterias expuestas al mismo medio pueden presentar capacidades diferentes de utilización de recursos. Esta diferencia contribuye a su distribución ecológica y a las relaciones de dependencia entre especies.
Los factores de crecimiento son compuestos orgánicos que una bacteria necesita, pero no sintetiza en cantidad suficiente, como determinadas vitaminas, aminoácidos o precursores. Una exigencia nutricional refleja una limitación de biosíntesis o adquisición, pero no implica necesariamente mayor capacidad de producir enfermedad.
El hierro merece atención especial por su participación en numerosas proteínas bacterianas. En el hospedador está mayoritariamente unido a moléculas que limitan su disponibilidad. No obstante, las bacterias presentan estrategias diversas para obtenerlo y el hospedador puede restringirlo como parte de los sistemas de defensa. La relación entre adquisición de nutrientes y colonización se desarrolla en la interacción con el hospedador.
La presencia de un elemento en un tejido no garantiza que esté disponible para la bacteria. Su forma química, los mecanismos de transporte y la competencia con el hospedador y la microbiota determinan su accesibilidad real.
4.2.2. Carbono, energía y electrones
La clasificación metabólica distingue tres aspectos:
- Fuente de carbono: puede ser inorgánica (principalmente CO₂ en organismos autótrofos) u orgánica en los heterótrofos.
- Energía: puede proceder de la luz, en los fotótrofos, o de reacciones químicas, en los quimiótrofos.
- Electrones: pueden obtenerse de compuestos inorgánicos, en los litótrofos, o de compuestos orgánicos, en los organótrofos.
Estas categorías describen dimensiones diferentes del metabolismo y pueden combinarse entre sí. La mayoría de las bacterias de interés médico es quimioorganoheterótrofa, es decir, obtiene energía, electrones y carbono a partir de compuestos orgánicos y reacciones químicas. Esta organización general no significa que todas utilicen los mismos sustratos ni que dispongan de idénticas vías metabólicas.
La diferencia entre fuente de energía y aceptor final de electrones resulta esencial. Un compuesto orgánico puede actuar como sustrato donador, mientras que el oxígeno acepta electrones al final de una cadena respiratoria (como ocurre en las mitocondrias humanas). Confundir ambas funciones impide distinguir respiración y fermentación bacteriana.
4.3. Conservación de energía
4.3.1. Fosforilación a nivel de sustrato
El ATP permite acoplar reacciones que liberan energía a procesos que la requieren. En la fosforilación a nivel de sustrato, un grupo fosfato se transfiere desde un intermediario metabólico de alta energía al ADP. Esta producción de ATP no necesita directamente una cadena respiratoria ni un gradiente de protones.
La glucólisis y otras vías del metabolismo central proporcionan ATP, poder reductor e intermediarios. Su distribución varía entre bacterias; no todas presentan una glucólisis idéntica ni un ciclo de los ácidos tricarboxílicos completo. El estudio médico necesita comprender el principio de conservación de energía y su diversidad, sin convertir una vía de una especie modelo en una propiedad universal para el resto de organismos.
Las coenzimas reducidas, como NADH, deben volver a oxidarse para que continúen las reacciones que generan poder reductor. La forma de regenerar sus estados oxidados ayuda a diferenciar respiración y fermentación.
4.3.2. Respiración aerobia y anaerobia
En la respiración, los electrones circulan por una cadena de transporte hasta un aceptor final. Parte de la energía liberada se conserva como un gradiente electroquímico a través de la membrana citoplasmática. La ATP sintasa puede utilizar ese gradiente para formar ATP mediante fosforilación oxidativa.
En la respiración aerobia, el aceptor final es el oxígeno. En la respiración anaerobia se emplean otros aceptores, por ejemplo nitrato en determinadas bacterias. La ausencia de oxígeno no equivale, por tanto, a ausencia de respiración. La posibilidad de utilizar un aceptor concreto depende de los sistemas metabólicos de la bacteria.
Las cadenas respiratorias bacterianas son diversas y pueden reorganizarse según las condiciones. No procede asignar a todas las bacterias una producción fija de ATP por molécula de glucosa. El rendimiento depende de las vías utilizadas, el acoplamiento energético y las necesidades de mantenimiento y biosíntesis.
4.3.3. Fermentación
En la fermentación, la regeneración de coenzimas oxidadas se realiza mediante reacciones en las que derivados orgánicos del propio metabolismo reciben electrones. La conservación de ATP depende fundamentalmente de la fosforilación a nivel de sustrato. No se utiliza una cadena respiratoria como mecanismo de conservación de energía del proceso fermentativo.
Los productos finales pueden incluir ácidos orgánicos, alcoholes y gases, según la vía y la especie. Estas diferencias tienen relevancia ecológica ya que modifican el medio y permiten que los productos de una población sean sustratos para otra. En el organismo, la producción de ácidos puede contribuir a cambios locales, como ocurre en comunidades de la placa dental.
Anaerobiosis y fermentación no son sinónimos.
Una bacteria puede conservar energía sin oxígeno mediante fermentación o mediante respiración anaerobia. Lo que distingue a esta última es la cadena respiratoria y el uso de un aceptor final diferente del oxígeno.
4.4. Oxígeno y requerimientos ambientales
4.4.1. Relación con el oxígeno
Podemos clasificar a las bacterias según su requerimiento de oxígeno:
- Los aerobios estrictos necesitan oxígeno para su crecimiento.
- Los anaerobios facultativos pueden multiplicarse en su presencia o ausencia, utilizando vías compatibles con cada situación.
- Los anaerobios estrictos crecen en condiciones sin oxígeno y presentan grados diversos de susceptibilidad a su exposición.
- Los anaerobios aerotolerantes no lo utilizan para respirar, pero toleran su presencia.
- Los microaerófilos requieren una disponibilidad de oxígeno inferior a la atmosférica.
Estas categorías describen crecimiento y metabolismo, pero no sustituyen una explicación de los mecanismos. El oxígeno puede originar especies reactivas capaces de lesionar proteínas, lípidos y ADN. La tolerancia depende de la combinación de sistemas antioxidantes, reparación y sensibilidad de las enzimas metabólicas. No debe explicarse toda anaerobiosis por la ausencia absoluta de una única enzima.
La superóxido dismutasa transforma superóxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno. Catalasas y peroxidasas participan en la eliminación de peróxidos por mecanismos diferentes. Su distribución contribuye a las propiedades de cada grupo, aunque no permite deducir automáticamente todo su perfil metabólico a partir de una sola actividad.
Un tejido no presenta una presión de oxígeno uniforme. La perfusión, el consumo celular y la organización de una comunidad generan microambientes. Por ello, la presencia de bacterias anaerobias en una infección no exige que todo el órgano carezca de oxígeno.
4.4.2. Temperatura, pH, agua y presión osmótica
Cada especie presenta un intervalo de temperatura compatible con su crecimiento:
- Las bacterias mesófilas se adaptan a temperaturas moderadas y comprenden gran parte de los microorganismos de interés médico.
- Los términos psicrófilo y termófilo describen preferencias por temperaturas bajas y altas, respectivamente.
Sin embargo, la temperatura óptima de crecimiento no equivale al límite de supervivencia. Puede haber supervivencia de la colonia sin crecimiento por no presentar parámetros de temperatura óptima.
El pH modifica el estado de ionización de moléculas, la actividad enzimática y la estabilidad de los gradientes. Las bacterias regulan su medio interno dentro de límites, pero esa capacidad es finita. La adaptación a un territorio ácido o alcalino requiere propiedades específicas y no puede extrapolarse a cualquier especie. De este modo distinguimos bacterias:
- Acidófilas: requieren medios ácidos (pH entre 0 y 5).
- Neutrófilas: prefieren un pH neutro, habitualmente entre 5,5 y 8 (la gran mayoría de las bacterias de interés clínico y cotidiano, como Escherichia coli, pertenecen a este grupo).
- Basólifas: prosperan en medios alcalinos (pH >8,5).
El agua disponible para las reacciones se expresa mediante la actividad de agua. No equivale simplemente al porcentaje de humedad puesto que las sales y otros solutos modifican su disponibilidad real y la presión osmótica del medio.
- Hablamos de bacteria halotolerante cuando soporta concentraciones elevadas de sal sin necesitarlas necesariamente; y de bacteria halófila cuando requiere condiciones salinas para su crecimiento.
La captación o síntesis de solutos compatibles y la regulación de transportadores contribuyen a mantener la homeostasis osmótica. Estas respuestas tienen costes energéticos y límites biológicos. La persistencia en una superficie seca, el crecimiento en un tejido y la multiplicación en una secreción son problemas fisiológicos diferentes a los que algunas especies pueden adaptarse.
4.5. División celular y crecimiento de población
4.5.1. Fisión binaria
La fisión binaria coordina aumento de masa celular, replicación del ADN, segregación cromosómica y formación de un septo. La membrana y la pared se reorganizan para separar dos células hijas. Los sistemas de división sitúan el proceso en un lugar compatible con la distribución del material genético; no existe un mesosoma que arrastre el cromosoma.
La proteína FtsZ participa en un anillo dinámico asociado al aparato de división en numerosas bacterias. La constricción se coordina con síntesis y remodelación del peptidoglicano de la pared. La distribución de los sistemas y su regulación varía entre grupos, de modo que una descripción general no obliga a que todas las especies compartan componentes ni vías de regulación.
Las células hijas heredan información de la célula parental, pero identidad genética y simetría fisiológica no son absolutas. Pueden aparecer mutaciones, segregación desigual de determinados componentes o diferencias en la antigüedad de los polos celulares. Llamarlas clones resulta útil para describir su procedencia, siempre que no se interprete como ausencia total de variación.
4.5.2. Crecimiento exponencial y tiempo de generación
Si cada célula origina dos y el intervalo de división permanece constante, el número de células sigue una progresión exponencial. Tras n generaciones, una población inicial N₀ alcanza idealmente N = N₀ × 2ⁿ. El tiempo de generación es el intervalo necesario para una duplicación celular.
La formulación expresa un modelo, no es una predicción ilimitada. Los nutrientes, el espacio, los productos acumulados y las respuestas fisiológicas impiden que una población mantenga indefinidamente la misma velocidad de replicación. Por ello, el tiempo de generación no es una constante idéntica en cualquier medio ni una propiedad que deba asignarse de forma uniforme a todas las bacterias.
Exponencial significa que el incremento depende de la población presente. Si el número de células se duplica en cada generación, cuatro generaciones multiplican la población por 16. La relación solo es aplicable durante un intervalo en el que se cumplen los supuestos del modelo.
4.5.3. Fases de una población en un sistema cerrado
Durante el crecimiento de la población, en un sistema cerrado con condiciones definidas, podemos distinguir diferentes fases a lo largo del tiempo:
- Fase de latencia: corresponde a la adaptación al nuevo entorno. Puede incluir reparación, síntesis de componentes y reorganización metabólica sin un aumento neto importante del número de células. No equivale a inactividad completa ni exige que todas las células comiencen a dividirse simultáneamente.
- Fase exponencial: la población presenta un incremento aproximadamente regular en escala logarítmica, tal como se explica en el punto anterior.
- Fase estacionaria: el aumento neto se reduce o desaparece al cambiar los recursos y las condiciones. La estabilidad del número no demuestra que cada «nacimiento» se compense exactamente con una muerte. Pueden coexistir crecimiento lento, muerte y supervivencia de subpoblaciones bacterianas.
- Fase de declive: disminuye la fracción de células viables. El número de células visibles o la biomasa pueden no disminuir al mismo ritmo, porque una célula que ha perdido viabilidad no desaparece inmediatamente. La lisis puede acompañar al declive, pero no constituye siempre una quinta fase independiente y universal.
La curva de un sistema cerrado es un modelo útil para ordenar fenómenos fisiológicos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que una infección presenta aportes y pérdidas, defensas, compartimentos y microambientes cambiantes, por lo que esta curva no reproduce necesariamente esa secuencia global. Tampoco todas las células de una biopelícula se encuentran en la misma fase o tienen idéntica actividad.
4.6. Endosporas y diferenciación celular
4.6.1. Naturaleza de la endospora
La endospora es una forma celular diferenciada, durmiente y resistente que producen determinadas bacterias. Se forma dentro de una célula vegetativa y puede mantenerse sin multiplicación durante periodos prolongados. En bacteriología médica es especialmente relevante en grupos relacionados con Bacillus, Clostridium y Clostridioides.
La esporulación bacteriana es el término utilizado para referirse al proceso de diferenciación celular mediante el cual ciertas bacterias pasan de ser una célula activa a una endospora en condiciones adversas (p. ej. falta de nutrientes, sequedad, calor extremo o radiación). No es un método de reproducción, ya que una célula bacteriana se transforma en una sola endospora y no aumenta el número de individuos
Una endospora bacteriana no equivale a una espora reproductora fúngica. Su formación permite persistir, pero no aumenta por sí misma la población. Tampoco todas las bacterias sometidas a condiciones adversas pueden esporular: se necesita una capacidad de diferenciación propia del grupo.
4.6.2. Organización estructural y resistencia
El núcleo o core de la endospora contiene material genético y componentes necesarios para recuperar la actividad. Su bajo contenido de agua y las proteínas protectoras del ADN contribuyen a la resistencia. El dipicolinato asociado a calcio es otro componente característico de numerosas endosporas.
Alrededor del núcleo se disponen membranas y capas especializadas. La membrana interna delimita el compartimento central y la pared germinal proporciona peptidoglicano que contribuirá a la pared de la célula vegetativa. Más externamente, la corteza contiene peptidoglicano con modificaciones características, incluido murámico-δ-lactamo. La cubierta proteica y, cuando existe, el exosporio añaden protección y propiedades de superficie. No todas las especies presentan una arquitectura externa idéntica.
La resistencia resulta de la combinación de deshidratación, protección del ADN, propiedades de membranas y cubiertas y mecanismos de recuperación. No debe atribuirse únicamente al calcio o al grosor de una túnica. Una endospora no es invulnerable a cualquier agente físico o químico, a pesar de su elevada resistencia.
4.6.3. Esporulación, germinación y crecimiento posterior
La esporulación es un programa de diferenciación regulado. Tras la organización del material genético se produce una división asimétrica que separa un compartimento precursor de la espora y otro materno. El desarrollo de cubiertas y corteza y la maduración generan la forma resistente; la célula materna termina liberando la forma resistente.
La germinación supone abandonar el estado durmiente ante señales adecuadas. Incluye cambios en permeabilidad, liberación de componentes y degradación de la corteza, seguidos de rehidratación. El crecimiento posterior restablece biosíntesis y organización vegetativa. La germinación no es la esporulación ejecutada simplemente en sentido inverso.
Las endosporas pueden situarse en posición central, subterminal o terminal y deformar o no el contorno de la célula que las contiene. Estos rasgos contribuyen a la descripción del grupo, pero no deben generalizarse desde una sola especie. La posición terminal deformante de Clostridium tetani es un ejemplo clásico, pero no puede extrapolarse a todos los bacilos esporulados.
4.7. Estado fisiológico y consecuencias médicas
La sensibilidad de una población a una intervención (antibioterapia, por ejemplo) depende de su actividad y de los mecanismos afectados. Los procesos ligados al crecimiento pueden ser menos vulnerables cuando una célula se encuentra durmiente o crece lentamente. La supervivencia resultante no demuestra por sí sola una resistencia genética estable.
Resistencia, tolerancia y persistencia describen fenómenos distintos:
- La resistencia permite crecer frente a exposiciones que inhiben a poblaciones susceptibles.
- La tolerancia se relaciona con supervivencia prolongada sin exigir un incremento equivalente de la concentración inhibitoria.
- La persistencia designa la supervivencia de una subpoblación, habitualmente asociada a estados fisiológicos reversibles, mientras otras células susceptibles mueren.
La ausencia de crecimiento rápido no equivale a eliminación.
Las células de actividad reducida y las endosporas pueden contribuir a persistencia o recurrencia por mecanismos diferentes. Distinguirlos evita atribuir cualquier supervivencia a una mutación de resistencia.
La fisiología integra bacteriana nutrientes, energía, barreras y regulación. Esta base permite comprender por qué una especie ocupa determinados nichos ecológicos, por qué una comunidad es heterogénea y por qué las condiciones de un tejido modifican el comportamiento bacteriano. El desarrollo de cada grupo concreto estudiado en la bacteriología especial aplica esos principios a sus características propias.
