OTRAS ESTRUCTURAS CELULARES EN BACTERIAS

Extracelulares

­ Cápsula (glicocálix)­ Fimbrias­ Pili­ Flagelo

Glicocálix bacterianoCÁPSULA – MUCÍLAGO

Muchos procariontes secretan en su superficie materiales pegajosos cuya función principal es la adherencia.

• La mayoría está compuesta de polisacáridos.• Sirve también para evadir las células

fagocíticas del sistema inmune• Las capas de polisacáridos unen agua, por lo

que les da a las bacterias resistencia a la desecación.

• Si el glicocálix se deforma fácilmente, no excluye partículas y es más difícil de ver, corresponde al MUCÍLAGO (slime layer).

• Si las capas son rígidas y ordenadas en una matriz muy apretada que excluye partículas como la tinta china, se llama CÁPSULA

Fimbria o pili (pili común)

• son apéndices cortos, huecos, rectos que rodean toda la bacteria en un gran número

• formado por proteínas• tienen como función la adherencia a superficies• son factores de virulencia para bacterias patógenas, pues le

permiten adherirse a tejidos y mucosas del hospedero• pili F o pili sexual: es un tipo especial de pili que participa en

la conjugación bacteriana• la genes de la expresión del pili F están en un plasmidio

Fimbrias y pili• Fimbrias:

– son más cortos que los flagelos

– son más numerosos

– constituidos por proteínas

– función en adherencia

• Pili:– son más largos que las fimbrias

– sólo uno o pocos

– receptores de algunos virus (se usan para verlos al microscopio electrónico)

– involucrados en procesos de conjugación y adherencia a tejidos humanos (bacterias patógenas)

Flagelo bacteriano

Movimiento

Movimiento bacteriano

• Nado (swimming) por flagelo

• Deslizamiento (gliding) por otro mecanismo

• Posicionamiento en un medio líquido (vesículas de gas)

Movimiento gliding• carecen de flagelos• movimiento sobre superficie sólida• velocidad de 10 µ m/s

• las bacterias son filamentosas o bacilares• el mecanismo no es bien conocido

– Cianobacterias: secreta un polisacárido en la superficie, se adhiere a la superficie sólida que empuja a la célula

– Flavobacterium johnsoniae: el movimiento de proteínas ancladas en las membranas citoplasmáticas y membrana externa (tipo ruedas de tanque)

Modelo de gliding propuesto para Flavobacterium johnsoniae

• Presencia de proteínas específicas de gliding en la membrana citoplasmática y membrana externa.

• En el peptidoglicán existirían conectores con proteínas de la membrana citoplasmática y proteínas de la membrana externa.

• Estos conectores propulsan a las proteínas a lo largo de la superficie sólida.

Flagelo bacteriano• apéndices largos• con un extremo unido a la célula• delgados, cerca de 200 nm • no se pueden ver al microscopio óptico

• flagelación polar: en un polo bacteriano, puede ser:– unipolar (un flagelo) – lofótrico (muchos flagelos)

• flagelación perítrica: alrededor de toda la superficie

• se usa como característica para la clasificación bacteriana

Imagen de microscopía electrónica de un cuerpo basal de Salmonella enterica .L, P, S, M y C son los discos.

Estructura flagelar

• Filamento• Gancho• Motor

• la parte externa se puede sacar por acción mecánica (vortex)

• Con tratamiento con calor o ácido: se obtienen los monómeros

Filamento• forma helicoidal rígido• filamentos constituidos por flagelina• la flagelina está altamente conservada• PM subunidad: 40.000 D• la estructura básica varía muy poco entre las

Bacteria• en Archae se conocen varias flagelinas• la forma y curvatura de la hélice está dada en

parte por la flagelina• el diámetro varía de 12 a 18 nm

Gancho (hook)

• es la parte más ancha del flagelo que sobresale de la bacteria

• está constituido por una proteína• conecta el filamento con el motor

Motor flagelar• está anclado en la membrana citoplasmática y

pared celular• es un filamento corto que pasa por un sistema de

anillos• En Gram negativo, 3 anillos:

– LPS– peptidoglicán– membrana citoplasmática

• En Gram positivo, 2 anillos:– membrana citoplasmática– peptidoglicán

Motor flagelar

• Proteínas Mot: rodean el anillo de la membrana citoplasmática

• provocan el torque que hace rotar el filamento

• Proteínas Fli: son el interruptor del motor, cambiando el sentido de rotación del motor.

Síntesis del flagelo

• 40 genes son necesarios, que codifican para – proteínas estructurales del flagelo– proteínas de exportación– Proteínas de regulación

Etapas de la síntesis del flagelo bacteriano.

Se necesitan 20.000 copias de la proteína flagelina para sintetizar unfilamento. La flagelina recorre el gancho por dentro guiada por pro-teínas cap que aseguran su crecimiento parejo.

Movimiento flagelar• los flagelos son semi-rígidos

• funcionan como rotores helicoidales

• giran CW o CCW, a lo largo de su eje

• si se trata con lisozima la bacteria, los protoplastos son inmóviles a pesar de tener intactos los flagelos– por lo tanto, se requiere de la estructura de

la pared para el movimiento

Movimiento flagelar• la evidencia visual de la rotación es con

células unidas a un portaobjeto por la punta del filamento

• el movimiento proviene de su motor• la energía proviene de la fuerza motriz de

protones (fmp, teoría de Mitchell)• los protones que atraviesan la membrana a

través del complejo Mot dan la energía para el movimiento del motor

• 1.000 protones necesitan ser translocados para una rotación del flagelo

• pueden aumentar o disminuir la velocidad de rotación, depende de la fmp

Experimento celular de Tetherd: el flagelo de una célula es fijado a un portaobjetosy se visualiza la rotación del cuerpo celular

Movimiento flagelar• tiene marcha adelante y atrás

• velocidad máxima 12.000 rpm

• consumo de energía 10-15 Amperes

• velocidad: 60 largos por segundo, esto es 0,00017 km/h; 20 – 80 µ m /s

• cheetah: 110 km/h = 25 largos por segundo

• las bacterias perítricas se mueven más lento y en línea recta

• las bacterias con flagelos polares se mueven más rápido y a saltos por diferentes lados

Determinación de quimiotaxis

• Método del capilar

• Microscopio tracking: se mueve automáticamente una cámara pequeña que contiene la bacteria, manteniendo la célula fija en el espacio. Se reproduce en tres dimensiones.

Quimiotaxis bacteriana

• Movimiento de un organismo hacia o desde un compuesto químico

• Quimiotaxis positiva = el compuesto químico es beneficioso para la célula

ATRACTANTE• Quimiotaxis negativa = el compuesto

químico es dañino para la célulaREPELENTE

E. coli

• Atractantes: aspartato y maltosa

• Repelentes: metales pesados como Co y Ni

Movimiento flagelar• Corridas: nada establemente en un camino curvo

amplio• Vueltas: se detiene y da tumbos en el lugar, y luego

corre de nuevo• Las vueltas son eventos al azar, ocurren 1 vez

cada segundo y dura 1/10 de seg. La dirección también es azarosa

• Cuando hay un atractante, el resultado neto es avanzar hacia el agente químico

• Cuando hay un repelente, el resultado neto es alejarse del agente químico

Quimiotaxis

• Las bacterias responden a un gradiente temporal, no espacial

• En E. coli y S. typhimurium: avanzan cuando se unen los flagelos

• Rotación ccw: hacia adelante

• Rotación cw: hacia atrás

¿Cómo las bacterias usan los cambios temporales en la concentración química

para controlar la rotación flagelar?

• Estudios bioquímicos y genéticos

• Mutantes quimiotácticas

Quimiorreceptores

• ubicados en el periplasma (Gram negativo) y/o membrana citoplasmática

• la especificidad no es absoluta• estos receptores unen el atractante o repelente

y se unen a proteínas aceptoras de metilo (MCPs)

• en general, el sistema corresponde a la transducción de señales de dos componentes

Control de la expresióngénica por el sistemade dos componentes

MCPs• methyl-accepting chemotaxis proteins• son el primer componente del sistema de

transducción de señales• son proteínas de transmembrana• están encargadas de traspasar la información desde

los quimiorreceptores al motor flagelar• 5 tipos en E. coli: MCPI a la MCPV, responden a

distintos atractantes y repelentes.

• Estas proteínas se metilan y desmetilan, lo que ocurre en el citoplasma

• en el exterior interactúan con los quimiorreceptores• pueden unir los atractantes o repelentes

directamente o a través de los quimiorreceptores

Respuesta a señales

• Los transductores (MCPs) están en contacto con proteínas citoplasmáticas (CheW y CheA)

• CheA es una kinasa sensora

• Si se une un compuesto químico, CheA cambia su conformación y junto con CheW produce la autofosforilación de CheA quedando CheA-P

• Los atractantes disminuyen la velocidad de autofosforilación

• Los repelentes aumentan la velocidad autofosforilación

• CheA-P fosforila a CheY formando CheY-P

• CheY-P es un regulador de la respuesta

• CheA-P también fosforila a CheB, pero a una velocidad más baja.

• CheB también es un regulador de la respuesta

El atractante se une al MCP

El MCP cambia su conformación y CheA se fosforila

CheA­P fosforila a CheY

CheY­P cambia la rotación del motor

CheY• es la proteína central, es una proteína de respuesta

de la regulación para la quimiotaxis gobernando la dirección de rotación del flagelo

• CheY-P interacciona con el motor flagelar induciendo rotación CW y tumbos

• CheY no puede unirse al motor flagelar y el motor rota CCW (corridas)

• CheZ desfosforila a CheY-P, por lo que la rotación vuelve a ser CCW

• los repelentes aumentan los niveles de CheY-P• los atractantes disminuyen los niveles de CheY-P

Estímulo

Receptor

Vía de transducción de señales

Efector

Respuesta

Adaptación

• Las MCPs se pueden metilar• CheR (citoplasmática) une grupos metilos a

las MCPs en forma continua usando S-adenosilmetionina como dador

• CheB-P es una desmetilasa que saca los metilos

• el nivel de metilación de las MCPs afecta su conformación

• permite el “reseteo” del receptor, aún en presencia de la misma concentración del agente químico

CheR metila continuamente a las MCPs

CheB­P desmetila a MCP

MCP totalmente metilada ⇒ no hay respuesta al atractante

↑ Nivel de CheA-P y CheB-P

⇒ La bacteria da tumbos

La MCP puede ser desmetilada por CheB-P y puede responder nuevamente a la concentración de atractante•Toda la situación es contraria con los repelentes

↑ atractante ⇒ ↓ fosforilación de CheA, CheY y CheBnado suave ↓ nivel de CheB-P↑ metilación de MCPs

Otras taxis...• Fototaxis:

– microorganismos fototróficos se mueven hacia la luz; se mueven a la longitud de onda donde absorben sus pigmentos fotosintéticos

• Aerotaxis: – los microorganismos se mueven hacia o alejándose del

oxígeno

• Osmotaxis: – se mueven hacia o se alejan de concentraciones iónicas

altas

NUTRICIÓN Y METABOLISMO BACTERIANO

COMPOSICIÓN ATÓMICA DE UNA CÉLULA

Macronutrientes:  CHONSP,  1% o más

Micronutrientes, elementos trazas:

1% o menos, K, Fe, Ca, Na, Cl, y otros 20 más

Macronutrientes• Carbono: compone el 50% del peso seco

-- autótrofos: necesitan el CO2 atmosférico.

-- heterótrofos: compuestos orgánicos como azúcares, aa, compuestos aromáticos, bases nitrogenadas, etc.

• Nitrógeno: compone el 12% del peso seco

-- fijadoras de nitrógeno: lo obtienen del nitrógeno atmosférico

-- la mayoría lo obtienen de fuentes inorgánicas como amonio (NH4

+) o nitrato (NO3-)

Otros macronutrientes• Fósforo: tanto orgánico como inorgánico,

se requiere para la síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos

• Azufre: rol estructural en las proteínas, presente en muchas vitaminas (tiamina, biotina, ác. lipoico, coenzima A). La mayoría lo obtiene de fuentes inorgánicas como sulfato (SO4-2) o sulfuro (HS-)

• Potasio: es requerido por todos los organismos, involucrado en la actividad de enzimas y síntesis de proteínas

• Magnesio: estabiliza los ribosomas, membrana celular y ácidos nucleicos; requerido por enzimas

• Calcio: (en muchos casos no es esencial), estabiliza la pared celular y indispensable en la estabilidad de las endoesporas.

• Sodio: (requerido por muchas, pero no todas), relacionado con la salinidad del ambiente de crecimiento

Hierro

• participa en la respiración celular, es parte de los citocromos y proteínas de Fe-S, catalasas, peroxidasas, oxigenasas, todas las nitrogenasas

• para su obtención, las bacterias producen agentes quelantes de hierro (como Fe+3), llamados SIDERÓFOROS y ENTEROBACTINAS

• los sideróforos son derivados del ác. hidroxámico• las enterobactinas son complejos fenólicos,

derivados del catecol

Sideróforos

Enterobactina de E.coli

Aquachelin

Sideróforos

• Cobalto: vitamina B12, transcarboxilasa• Cobre: respiración, citocromo c oxidasa, fotosíntesis,

superóxidodismutasas• Manganeso: activador de muchas enzimas• Molibdeno: enzimas que contienen flavina, nitrogenasa, nitrato

reductasa, sulfito oxidasa• Niquel: hidrogenasas, coenzima F430 de metanógenas, ureasa,

COdeshidrogenasa• Selenio: deshidrogenasa de formiato, hidrogenasas, aminoácido

selenocisteína• Tungsteno: deshidrogenasa de formiato, oxotransferasa de

hipertermofílicas• Vanadio: nitrogenasa vanadio, bromoperoxidasa• Zinc: anhidrasa carbónica, alcohol deshidrogenasa, RNA y DNA

polimerasa y varias prots. de unión a DNA

Otros metales

COMPOSICIÓN MACROMOLECULAR DE UNA CÉLULA PROCARIÓTICA

Molécula Peso seco % Moléculas/célula

Tipos diferentes

Macromoléculas 96 24.610.000 ~2500

Proteínas 55 2.350.000 ~1850

Polisacáridos 5 4.300 2

Lípidos 9.1 22.000.000 4

Lipopolisacáridos 3.4 1.430.000 1

DNA 3.1 2.1 1

RNA 20.5 255.500 ~660

Monómeros 3.0 ~350

Aminoácidos 0.5 ~100

Monosacáridos 2 ~50

Nucleótidos 0.5 ~200

Iones inorgánicos 1 18

Total 100%

CLASIFICACIÓN METABOLISMO SEGÚN FUENTE DE CARBONO

AUTOTROFÍA

HETEROTROFÍA

**Prototrofía

**Auxotrofía

**Fastidiosos

CO2

CHO

Factor de crecimiento

Factores de crecimiento• compuestos orgánicos

• son requeridos en pequeñas cantidades

• sólo los requieren algunas células

• vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas

• algunos m.o. no lo pueden sintetizar y lo necesitan del ambiente

• muchas vitaminas son parte de coenzimas

• las bacterias lácticas tienen un requerimiento de vitaminas mayor que el propio ser humano

Vitaminas

• Las más comunes:– tiamina (vitamina B1)– biotina

– piridoxina (vitamina B6)– cobalamina (vitamina B12)

CARACTERÍSTICAS MEDIOS DE CULTIVO

Mínimos, pobres, definidos, sintéticos:

+ CHO, CO2

+ NH4, NO3, N2

+ H20,  O2

+ Fosfatos, sulfatos+ Trazas **  Ricos, complejos, indefinidos:

+ CHO en mezclas+ NH4 y R­NH2

+ H20,  O2

+ Fosfatos, sulfatos+ Trazas ** 

** generalmente no se agregan a los medios de cultivo, porque son contaminantes de los demás componentes

¿Medio mínimo o Medio rico?

carbono

carbono carbono