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Microbiología 2020/2021

Biotecnología UV

TEMA 3: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN CELULAR EN PROCARIOTAS (II): MOVILIDAD, ADHERENCIA Y RESERVAS 1. Movilidad bacteriana: distribución y tipos. Disposición helicoidal de los filamentos. Estos filamentos son muy finos, en condiciones normales en microscopía óptica serían invisibles, se ven en la imagen por una técnica especial. Los flagelos bacterianos no se parecen más allá de la apariencia a los filamentos eucarióticos. a) Flagelos peritricos b) En uno o ambos polos de la célula: flagelos polares c) Penacho de flagelos en uno o ambos polos de la célula: flagelos lofotricos

Los flagelos solo se pueden apreciar por microscopía óptica a menos que se tiñan con unas tinciones específicas que los engrosan. Casos excepcionales: a) Con algunas técnicas de microscopía óptica (como campo oscuro), si bien no se aprecian los flagelos individuales si se distingue una especie de penacho cuando se asocian en movimiento (flagella tuft). b) Spirillum tienen flagelos más gruesos de lo habitual que se pueden ver por contraste de fases

El filamento de algunos flagelos está formado solo por filamentos de unidades proteicas. a) A veces ese filamento está rodeado por la membrana externa (bacterias gram-). A este tipo se les denomina flagelos envainados. Esta bacteria tiene 1 único flagelo polar (más oscuro), que se forma en medio líquido. a. Generalmente las bacterias poseen flagelos en alguna disposición determinada como las nombradas. En algunos casos, una misma bacteria puede presentar un tipo de flagelación cuando están creciendo en medios líquidos, y otro tipo de flagelación cuando están creciendo en medio sólido: FLAGELACIÓN MIXTA. Cuando se cultiva en medio sólido, además de ese, produce un montón de flagelos peritricos.

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Biotecnología UV Los filamentos bacterianos están formados por un solo tipo de proteína en estructuras en espiral. En la imagen de la izquierda - Izq: salmonella. Filamento helicoidal con un grosor de 14 nm y está compuesto por flagelina, cuyo tamaño es de 40 MDa. Estás proteínas dejan un hueco central. Se pueden extender o formar una hélice con las ondas más cerradas. El filamento es semirígido que gira sobre su base a partir de un mecanismo de su base. -

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Drcha: Es una cosa distinta (pilum)

Izq: producto de lisis suave, los flagelos se liberan, manteniendo unas estructuas (señaladas con flechas) que forman unos anillos con un engrosamiento en la parte superior del fragmento: cuerpo basal del flagelo Drcha: ampliación de estructuras de la base del filamento

Flagelo bacteriano

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El cuerpo basal del flagelo tiene una serie de anillos con diferentes nombres de letras mayúsculas. Es el responsable de hacer girar sobre su base el filamento flagelar, de forma que actúe a modo de hélice que propulsa a la bacteria. Representada en la imagen el cuerpo basal de una bacteria gram-. Tiene en primer lugar un engrosamiento llamado gancho, recubierto de proteínas específicas y se encuentra torcido, lo que le da una inclinación típica. Hay como una varilla compuesta por otra proteína que no es flagelina que une todos los elementos. El primer anillo es el L, que se sitúa a la altura de la membrana externa. Anillo P, situado a nivel de la capa (o capas) de peptidoglicanos. Más abajo, se encuentra el anillo MS y el anillo C, más profundo, expuesto a la cara citoplásmica. Dentro del anillo C se encuentran unas proteínas llamadas fli, de diversas clases con diversas funciones. Ambos anillos están rodeados de proteínas mot, que forman una especie de barril. Tienen como misión generar el impulso que hace girar el sistema de anillos: -

Mot A Mot B

Son canales que permiten la difusión hacia el interior de la célula de los H + y al dejarlos entrar, sufren cambios conformacionales que afectan a las proteínas de los sistemas de anillos y les hacen girar, más rápido a mayor flujo de H+. Por tanto es el gradiente transmembrana el que aporta la energía del giro. Muchas bacterias marinas utilizan el gradiente de Na para mover sus flagelos, Na que luego hay que expulsar de forma activa.

En el caso de las bacterias gram+ los cuerpos basales son diferentes en que en estas el anillo L y el anillo P no existen. Sólo tiene los componentes asociados a la membrana citoplásmica, y la varilla central atraviesa las distintas capas de peptidoglicano sin presentar anillo de anclaje. Esto es debido a que como las capas de peptidoglicanos son muy importantes, son ellas mismas las que sujetan el sistema en la superficie de la célula.

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Los flagelos de gram- se ensamblan desde la base. 1. Se ensamblan los anillos situados a nivel de la membrana citoplásmica con la varilla central 2. Se asocian las proteínas Mot 3. Se ensamblan las proteínas del anillo P. 4. Se elonga la varilla y se ensambla el anillo L 5. Se produce el ensamblaje de las proteínas que forman el gancho 6. En el extremo distal del gancho se ensamblan las proteínas del llamado gorro (o cap) 7. El cap dirige la adición de las flagelinas con un movimiento giratorio que se van agrupando para formar el filamento del flagelo

Las flagelinas van siendo exportadas por el hueco central que hay a lo largo de todo el flagelo (incluyendo el cuerpo basal) y se van asociando al extremo distal gracias al gorro (que no está representado). La nueva flagelina NO crece desde la base, sino por la punta. Es un sistema de exportación que consume ATP.

FLAGELOS DE ARQUEAS También son filamentos que giran sobre su base, pero no tienen mucho que ver (más allá de eso y su aspecto externo) con los flagelos de las bacterias. -

El filamento está constituido por diferentes tipos de proteínas, algunas glicoproteínas No se aprecia ninguna asociación a cuerpo basal a partir de una lisis suave. Hay evidencias de que existen una serie de proteínas (Fla) en la base que se encargan de hacer girar este filamento. La energía que utilizan NO proviene de la disipación de ningún gradiente iónico, sino de la hidrólisis del ATP.

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Resumen de diferencias

¿Cómo se mueven los flagelos (en general)? Rotando sobre sobre su base. Lo típico es que se produzca una transición de rotación horaria a antihoraria periódicamente. Este tipo de movimiento, en ausencia de estímulo, no conduce a las bacterias a ningún lado. Dirección al azar.

Imagen izq: -

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Cuando los flagelos giran todos en dirección antihoraria (CCW) los flagelos peritricos se asocian formando un penacho conjunto y propulsan a la bacteria en la dirección señalada por la flecha amarilla. Con una ciencia cadencia (determinada), en un momento dado los flagelos comienzan a rotar en dirección horaria, de manera que la célula sufre, al abrirse el penacho, un frenazo. En ese frenazo la célula queda orientada al azar. Al poco tiempo los flagelos vuelven a asociarse al rotar otra vez en la misma dirección.

Esta alternancia se produce de manera continuada en todas las bacterias.

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Imagen drcha.: Bacterias con flagelos polares. La dirección antihoraria funciona del modo que se ve. Propulsa la bacteria en una dirección, y cuando se cambia el sentido del giro y se produce la rotación horaria, siendo arrastrada por el flagelo y moviéndose en dirección contraria. En otras, el flagelo rota siempre en la misma dirección y en un momento dado, para y se reorienta, y vuelve a producirse la rotación del flagelo.

Sabemos que las bacterias son capaces de acumularse y producir un movimiento neto de acercamiento o alejamiento ante ciertos estímulos. a) Se introduce capilar con compuesto químico determinado. b) Si la sustancia no actúa ni como atrayente ni repelente, al cabo del tiempo algunas bacterias entren al capilar, pero la densidad bacteriana es la misma en los dos lados c) Si es un atrayente, las bacterias se acumulan en el capilar d) Si es un repelente, la densidad celular en el capilar es muy inferior a las bacterias presentes en el cultivo Las bacterias introducen un sesgo en su movimiento al azar que permite esto: QUIMIOTACTISMO.

Proceso quimiotáctico La presencia de cantidades crecientes de un atrayente provoca un cambio en la frecuencia de la rotación de los flagelos en sentido horario y antiohorario de manera que consigue que la bacteria sesgue los movimientos para aproximarse al atrayente. a) Movimiento al azar de la bacteria, que alterna el giro horario y antihorario periódicamente describiendo carreras interrumpidas por frenazos que dejan a la bacteria reorientada. b) Cuando hay cierta concentración de atrayente (normalmente nutriente), aquellas carreras que aproximan la bacteria a las zonas de máxima concentración de atrayente son más largas. Giran en sentido antihorario por más tiempo. Por otro lado, aquellas carreras que lo alejen del atrayente, se ven interrumpidas más frecuentemente Las bacterias son demasiado pequeñas como para percibir cambios en la concentración del atrayente, de manera que ese movimiento al azar le permite medior/percibir mejor la concentración de atrayente en t1 y luego la concentración en t2 (tiempo 1, en una posición, tiempo 2 en otra. Si se quedase quieta no podría percibir los cambios. 6

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El quimiotactismo en bacterias y arqueas se basa en la presencia de una serie de componentes, actuando conjuntamente, que producen una cascada de señales desde el exterior de la célula (donde una proteína es capaz de percibir la presencia de atrayentes) hasta el cuerpo basal del flagelo, donde algunas proteínas Fli actúan como un interruptor que de manera periódica va cambiando el sentido de giro. Sucesión de reacción de metilación y fosforilación que dan lugar a ese cambio de sentido. Las proteínas que llevan a cabo la percepción del atrayente y transmiten esa señal son las MCP (Methyl accepting Chemotactil Protein). Son proteínas quimiotácticas metilables. En su cara expuesta al citoplasma contiene varios residuos metilables. Además, está en contacto directo con 2 de las 6 proteínas que intervienen en el proceso de quimiotaxis, las Che (CheW, CheA, CheB, CheY). El conjunto subrayado constituye la quinasa sensora de un sistema de 2 componentes. La CheA puede autofosforilarse y transferir el grupo fosfato a la CheB o a CheY, que actuaría como regulador de respuesta, haciendo que se transmita una señal hasta la base del flagelo.

Sistema de forma sencilla: Cuando un atrayente está unido a una MCP, esta presenta un nivel de metilación bajo. Cuando es así, CheA no se autofosforila o lo hace muy lentamente. No se transmite señal, de forma que la bacteria está en una carrera que no será interrumpida por un frenazo. A más atrayente unido, más estabilizado estará el sistema y más larga será la carrera. Cuando la MCP no está unida al atrayente, o este baja su concentración (o se une un repelente), aumenta el nivel de metilación de la MCP por CheR. Entonces CheA se autofosforila. Conforme aumenta su fosforilación transfiere el grupo fosfato al CheY, que después interacciona con la proteína Fli del flagelo, haciendo cambiar su sentido de antihorario a horario.

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CheZ se encarga de desfosforilar CheY. Tiene que haber un mantenimiento constante del estímulo para seguir manteniendo niveles altos de CheY. CheB tiene un estado no fosforilado inactivo y un estado fosforilado que se produce de acción de CheA fosforilada. Tiene como función desmetilar la MCP. La acción de la CheB y CheZ produce adaptación: Permite que el sistema siga respondiendo a cantidades progresivamente más altas de repelente.

a) La posición de las MCP al menos en algunas células bacterianas estudiadas no es uniforme sobre la superficie de la célula, sino que se acumulan en los polos de una célula con morfología ciliar. b) Confirmación experimental de esa situación polar de los receptores. MCP marcadas con una sustancia que precipita formando puntos negros, se puede ver con microscopía electrónica. c) misma representación que diapositiva anterior d) Se conocen bastantes tipos de proteínas quimiotácticas metilables. En E. coli se conocen 4 tipos de MCP, representados en la imagen. Cada uno puede responder a 1 o varios atrayentes. Otro sistema de detección que no es una MCP sino otro tipo de proteína, capaz de percibir los niveles de oxigenación (actividad redox) es la Aer (aerotaxis). Rango muy amplio de concentraciones dentro del cual E. coli puede responder.

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Fototactismo El comportamiento quimiotáctico no se limita a percibir estímulos químicos. También son capaces de responder a la luz: fototactismo. Puede ser dependiente de: -

Longitud de onda (λ)de la luz con la que se iluminen. Normalmente fotosintéticas. Intensidad de la luz. Puede responder positiva o negativamente

Bacterias magnetotácticas: Magnetosomas: se pueden encontrar como estructuras que forman cadenas cristalinas de magnetita. Su presencia dota a las bacterias de la capacidad de orientarse en un campo magnético, pero sin arrastrarla. Si matamos la bacteria, aunque siga teniendo los magnetosomas, la bacteria deja de moverse en el campo magnético, solo la orienta. Si la cultivamos en un medio sin hierro suficiente para formar los magnetosomas, siguen siendo móviles. EL campo magnético terrestre es suficiente para orientar las bacterias. Viven en ambientes acuáticos a gran profundidad en el sedimento de esos ambientes. Son o anaerobias estrictas o son microaerobias (concentraciones de O2 pequeñas). Necesitan este sistema para orientarse hacia lugares con poco oxígeno.

Magnetosomas aislados. Cada uno está rodeado de una capa de proteína que contribuye a su precipitación, cristalización, los separa del citoplasma.

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Vacuolas de gas Vacuolas llenas de gas que viven en medios líquidos que no tienen flagelos que les permitan despalzarse activamente. Esto les permite flotar a la profundidad óptima que necesitan para su desarrollo.

Imagen 1: vesículas aisladas de las que forman las vacuolas de gas. Son vesículas huecas que solo contienen aire, constituidas por una capa de naturaleza proteica. Esta capa está constituida por 2 proteínas: GvpA (gas vacuole protein A) y GvpC.

Imagen 2: GvpA forma fibras o fibras con esa orientación sobre la vesícula y GvpC hace de capa de unión. La GvpA tiene orientados sus residuos de forma que no deja pasar el agua del citoplasma, solo deja pasar por difusión los gases del líquido citoplasmático. Las vacuolas son rígidas gracias a esas proteínas, capaces de contener la presión hidrostática que el citoplasma ejerce sobre su pared. Esa resistencia NO es absoluta, las podemos colapsar aplicando una presión hidrostática mayor.

Imagen 3: Filamentos de cianobacterias, suelen presentar vacuolas de gas. Si le aplicamos una presión hidrostática fuerte y repentina las vesículas se colapsas y se pierde el gas. A continuación se van sedimentando porque carecen del mecanismo que las hacía flotar. Si quieren volver a flotar tienen que volver a sintetizar esas vacuolas.

Imagen 4: Floración de cianobacterias. La flotabilidad que ofrecen estas vacuolas hacen que se formen masas en la superficie de líquidos en el que viven, de carácter espumoso. También hay presentes vacuolas de gas en muchas arqueas que viven en medios líquidos.

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Los genes que codifican para esas proteínas presentan grandes homologías entre los diferentes procariotas que las sintetizan. Estos genes están codificados muchas veces en plásmidos, por eso se piensa que la presencia de estas vacuolas se puede transferir fácilmente de forma lateral. Esto justifica la presencia de estos genes tanto en bacterias como en arqueas.

Movilidad en espiroquetas Otros tipos de movilidad que ya no son en el seno del líquido, sino en otro tipo de medios.

Un ejemplo interesante de sistemas de movilidad eficientes en medios viscosos y superficies sólidas es la movilidad que presentan las ESPIROQUETAS, de morfología tipo espirilo, gram-.

Su movilidad se debe a una estructura llamada filamento axial, un conjunto de fibrillas que recorren toda la célula arrollándose en espiral sobre ella (mínimo de 2 fibrillas). En la imagen, cada fribrilla está anclada a un polo de la célula. Cada una se arrolla hasta una longitud que es más o menos ½ o ⅔ de su longitud, y acaba con un extremo libre. Hay espiroquetas que tienen en hasta 50 fibrillas ancladas en cada polo de la célula, generando una protuberancia bastante grande cuando se arrollan alrededor de la célula. Producen una especie de volante o cresta arrollada alrededor de la célula.

Cada fibrilla está anclada mediante una estructura indistinguible que es realmente el cuerpo basal de un flagelo, y la fibrilla tiene la estructura de un flagelo. Pero ese flagelo no está libre en la superficie de la célula, sino atrapado en el espacio periplásmico de las envolturas de la espiroqueta (gram-).

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Estos endoflagelos (las microfibrillas) axiales están dentro arrollados sobre la capa fina de mureína de la bacteria. Sus cuerpos basales se mueven rotando sobre su base.

Como resultado de ese movimiento, según sea en cada polo, la espiroqueta puede adoptar un movimiento que puede ser de muchos tipos. Dependiendo de cómo giren los cuerpos basales, la espiroqueta puede desplazarse a modo de sacacorchos hacia delante o hacía atrás a través de un medio viscoso. También puede doblarse sobre sí misma, les permite reptar sobre sustratos sólidos.

Comportamiento viscotáctico: preferencia por avanzar hacia zonas con mayor viscosidad. --1 mecanismo poco común es la formación de anillos concéntricos (por deslizamiento) que van invadiendo el medio de cultivo por parte de bacterias del género proteus o vibrius. Si inoculamos con una gota de proteus el centro de la placa, las bacterias van invadiendo el medio en forma de círculos concéntricos. En la placa de la derecha se han inoculado 3 gotas.

Las células van deslizándose colonizando el terreno, paran y crecen acabando con los nutrientes de la zona, después vuelven a hacer lo mismo. La base de esa movilidad (swarming) es la producción masiva de cientos y cientos de flagelos peritricos que permiten esos desplazamientos.

Otros tipos de movimientos.

b. Bordes de colonias creciendo sobre medio célula, las células se desplazan por deslizamiento sobre el agar. Bacterias Myxobacterias. 12

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Dejan un rastro mucoso (a) que facilita que otras bacterias se deslicen por ese rastro. Se debe a la excreción polar de polisacáridos y sustancias que ejercen una tensión superficial sobre el medio. Con esa secreción se empuja a la bacteria para que se desplace. MOVILIDAD AVENTURERA.

Presentan una segunda estructura que permite esa movilidad, que actúa de manera eficaz solo cuando las bacterias están asociadas unas con otras y están en contacto físico. Consta de una serie de filamentos proteicos (fimbrias, pelos) que se sitúan en el polo anterior de la célula, que son retráctiles con capacidad adherente. Una vez se adhieren al sustrato, se despolimeriza desde la base, produciendo un tirón que acorta la fimbria de manera que la bacteria vaya propulsándose hacia delante. MOVILIDAD S (por movilidad social).