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Apuntes de Microbiología...

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Carolina Campos Grado de Biotecnologí a

1. MEMBRANA CITOPLASMÁTICA Los procariotas son los primeros organismos (células) que existieron, delimitados del exterior por una membrana plasmática donde sus principales funciones son: TODO LO QUE VIMOS EN BIOCEL EN PRIMERO Recordar que no tienen compartimentación intracelular ni orgánulos citoplasmáticos, por lo que todo va a ocurrir en el citoplasma, incluido la formación de ATP. La membrana se define como un mosaico de partículas fluida y se mantiene siempre en ese estado gracias al colesterol, en el caso de las células eucariotas. Las bacterias no contienen colesterol intermembranal, sino hopanoides que estabilizan la membrana, se adaptan a las condiciones cambiantes, ajustan la permeabilidad de la membrana e incluso, dependiendo de la concentración de estos hopanoides, estos son más o menos resistentes al etanol. Tienen un papel muy importante en la formación de dominios de membrana. También delimitan balsas lipídicas, dominios de membrana con fluidez de sus componentes más restringida. INFO EXTRA DE LOS HOPANOIDES (POWER POINT) Los hopanoides son compuestos pentacíclicos similares a los esteroles, cuya función principal es conferir rigidez a la membrana plasmática en los procariotas. El colesterol realiza una función similar en los eucariotas. La relación entre la estructura bioquímica y la función celular se refleja en la similitud de las estructuras básicas del diplopteno, un compuesto hopanoide presente en la membrana celular de algunos procariotas, y el colesterol, un esterol presente en las membranas eucariotas. En muchas bacterias, los hopanoides pueden desempeñar un importante papel en el ajuste de la permeabilidad de la membrana celular y en la adaptación a condiciones ambientales extremas. Se forman en las hifas aéreas (estructuras formadoras de esporas) de las bacterias del suelo Streptomyces, donde se cree que minimizan la pérdida de agua a través de la membrana. Se trata de una adaptación fisiológica que no presentan la mayoría de las bacterias que viven principalmente en el agua, pero son similares a las adaptaciones de los hongos que producen hifas aéreas conteniendo esporas. En la bacteria de fermentación del etanol Zymomonas mobilis los hopanoides puede tener un papel en la adaptación de las membranas celulares a la acumulación de etanol y a los cambios de temperatura que influyen en las funciones de la membrana. En el actinomiceto Frankia, los hopanoides en las membranas de las diazovesículas probablemente restrinjan la entrada de oxígeno haciendo la bicapa lipídica más ajustada y compacta. Los hopanoides presentes en los fósiles son útiles biomarcadores moleculares para la reconstrucción de la evolución de los microorganismos y en la geología. Las membranas de los eucariotas, uno de los primeros modelos propuestos antes del mosaico fluido, fue el trilaminar, porque con el MET se veían dos zonas electrodensas con una zona central menos electrodensa, después se vio que aquella capa menos electrodensa era la cabeza de los fosfolípidos.

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En procariotas voy a encontrar dos maneras de formar las membranas: una es la que viene de las bacterias y otra es la que desarrollaron las arqueas. -

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En las bacterias y en eucariotas las membranas siguen ese modelo trilaminar, las membranas como componente estructural son los lípidos donde las colas de los lípidos no se fusionan. Sin embargo la capa de lípidos que va a formar las arqueas, cuyas colas sí que se van a fusionar. La típica estructura del fosfolípido es un enlace éster que une un grupo hidrófilo con la cola hidrofóbica en procariotas y eucariotas, en arqueas lo que voy a tener es un grupo éter.

Muchos autores consideraban que bacterias y arqueas provenían de un ancestro común. Ahora se cree que a medio camino pudo haber habido ( teoría de la sintrófia) estados intermedios que dieron lugar finalmente a los eucariotas. En definitiva, basándonos en estudios sobre metabolismo, componentes de membrana… se ha podido deducir que en eucariotas ya hay lípidos y proteínas característicos de las arqueas, por eso se cree que ha habido un punto intermedio entre procariotas y arqueas que finalmente dio lugar a los eucariotas. Como no se ha encontrado ese ancestro común, esto solo son teorías que no se han podido demostrar definitivamente. Una de las otras funciones de la membrana, es el transporte. En ningún procariota se ha descubierto ningún mecanismo de transporte de exocitosis o endocitosis, ya que muchas de ellas contienen una pared celular que evita este tipo de transporte. Algo que sí que contienen para el transporte, son las BOMBAS ABC (MEGA ASTERISCO). Son proteínas integrales de membrana que se encargan de ese transporte en la membrana. Recordemos que las bombas:

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Consumen energía Transportan en contra del gradiente de concentración Particularmente las bombas ABC tienen diferentes subunidades proteicas Tienen diferentes características dependiendo de si son bacterias gramnegativas o grampositivas.

Transporte de proteínas al exterior El sistema ABC consta de tres componentes: -

Una proteína de unión al sustrato Un transportador integrado en la membrana Una proteína que hidroliza ATP (ATP binding cassete)

Los sistemas ABC transportan sustancias sin modificar su composición química. Las gramngativas tienen una bomba en el periplasma capaz de captar el sustrato que es presentado a una proteína translocadora que se conecta en la membrana donde se conecta en la bomba ABC, por lo que se llama ATP binding cassete, con actividad ATPasa. Por lo tanto este tipo de bombas tiene alta afinidad por los solutos, de manera que existen diferentes tipos de bombas para cada soluto. Una de las funciones más importantes de las bombas ABC en las bacterias es la expulsión de toxinas y antibióticos. Por lo tanto la capacidad que tenga la bacteria de sintetizar estas bombas estará relacionada con tener más resistencia a los antibióticos (ASTERISCO). Además les pueden aportar una mayor adaptación ecológica a las bacterias. La bacteria puede sintetizar antibióticos que pueden actuar como metabolitos secundarios que le aporta ventajas de reproducción en el medio y de subsistencia en el medio, lo hace más competitivo. Quien tiene que ver con esto? Las bombas ABC. Se sintetizan en el citoplasma bacteriano. (ASTERISCO). ´`fLas bombas ABC tienen un importante papel en la secreción. Además de antibióticos, puede secretar sustancias/factores relacionadas/os con la virulencia. 2. LA PARED CELULAR DE LOS PROCARIOTAS Peptidoglicano Por qué es útil hacer una tinción de Gram? La revolución de esta tinción es que me puede diferenciar dos tipos de pared diferente dentro de las bacterias. Recuerda que el principal componente de la pared es el peptidoglicano. Las grampositivas tienen una pared muy gruesa de peptidoglicano (mureina). El grosor de la pared es lo que hace que el lugol se una a este grande complejo y que después no pueda decolorarse, por lo tanto se queda de color violeta, que se usa como primer colorante de contraste. El otro tipo de bacterias se decolora porque el tanto% de muerina o de peptidoglicano es muy bajo. Es por eso que necesito dos colorantes obligatoriamente, el segundo colroante será la safranina, de color rosa, por eso las gramnegativas siempre las veré de color rosa. Lo que pone en evidencia la tinción de Gramm, es la composición de la pared celular.

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Los cocos y los bacilos pueden presentarse solitarios o formar agrupaciones. Los cocos que forman cadena son los estreptococos. Hay un género llamado Streptococcus que evidentemente es un género de cocos grampositivos en cadenas. Los cocos también pueden formar tétratadas debidas al plano de división de la célula. Si se dividen en tres planos son del género Sarcinas, agrupaciones volumétricas de bacterias que se dividen en tres planos. En el caso de que se dividan en más planos, generan agrupaciones en racimos, muy común en el género Staphylococcus. También encontramos los cocobacilos. Otro género son los vibrios que tienen forma de coma. Los espirilos tienen una ligera forma helicoidal, otras como las espiroquetas son muy helicoidales.

Libro Biología de los microorganismos (2009)principales tipos de morfología celular “Una bacteria con morfología esférica u ovoide se llama coco, y cuando tiene forma cilíndrica se denomina bacilo. Algunos bacilos se curvan en forma espiral y se llaman entonces espirilos. Las células de muchos procariotas se mantienen juntas después de la división celular formando grupos, y estas asociaciones frecuentemente son características de diferentes géneros. Por ejemplo, algunos cocos forman largas cadenas (como Streptococcus), otros se disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales (como Sarcina) y otros forman conjuntos como racimos de uvas (como Staphylococcus). Varios grupos de bacterias pueden ser inmediatamente reconocidas por las formas peculiares de las células individuales. Este es el caso de las espiroquetas, que son bacterias con forma de sacacorchos, de las bacterias con apéndices que presentan protuberancias celulares en forma de largos tubos o tallos, o de las bacterias filamentosas que forman células largas y delgadas o cadenas de células.” La mayoría de las arqueas no tienen pared, pero algunas sí. La pared de las arqueas les confiere formas muy específicas. Estas no presentan peptidoglicano, aunque la estructura puede ser similar. La pared de las arqueas les confiere formas muy específicas. Variaciones en la estructura de los petidoglicanos Es cierto que en bacterias grampositivas la pared es la zona más externa, en gramnegativas van a tener otra membrana por el exterior formada por fosfolípidos pero con una naturaleza diferente. El glicolípido que forma la pared se llama muerina (n-actetilglucosamina i nacetilacidomuranico). La representación estándar del peptidoglicano son cadenas repetitivas en tándem de n-actetilglucosamina y n-acetilacidomuranico. La estructura está constituida por una lámina en la que las cadenas de derivados de azucares se conectan por puentes peptídicos a través de los aminoácidos. A pesar de que el peptidoglicano es común a todas las bacterias, el tetrapeptido puede variar y las maneras en las que se unen las cadenas entre si también puede variar. Esto quiere decir que en el caso de aquellas bacterias como por ejemplo las proteobacterias, se van a unir mediante uniones 3-4 o 3-3, se unen directamente los aminoácidos del péptido o los aminoácidos 3-4 o 3-3. Eso no siempre es así, sino que hay bacterias que además de los aminoácidos de ese tetratpéptido que tienen ahí, o se van a unir a través de un puente intermedio de otros tipos de péptidos. En bacterias gramnegativas las cadenas de los dos azucares se unen directamente al tetrapéptido, en las grampositivas es donde está el puente intermedio que puede ser por

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ejemplo de glicina. Es lógico ya que en las grampositivas esa pared está más hacia fuera y necesito una estructura más sólida que mantenga esa estabilidad de la estructura. Libro Biología de los microorganismos (2009)  Peptidoglicano Las paredes celulares de bacterias presentan una capa rígida que es la responsable de la resustencia de la pared celular. La capa rígida, denominada peptidoglicano, es un polisacárido formado por dos derivados de azúcares: -

N-acetilglcosamina Ácido N-acetilmuránico Un pequeño grupo de aminoácidos que inclue L-alanina, D-alanina, D.glutámico y lisina o en su lugar ácido diaminopimélico (DAP)

Estos componentes se unen entre sí para formar una estructura repetitiva que constituye el tetrapéptido del glicano. Durante su biosíntesis se generan largas cadenas adyacentes depeptidoglicano formando una lámina que rodea la célula. Las distintas cadenas se conectan ente sí por puentes peptídicos que se establecen a través de los aminoácidos del tetrapéptido. Los enlaces glicosídicos que unen los azúcares en las cadenas del glicano son enlaces covalentes que proporcionan rigidez a la estructura solamente en una dirección dl espacio, de modo que tan solo tras el entrecruzamiento mediante los puentes peptídicos se logra la rigidez bidimensional característica de la capa de peptidoglicano. Las paredes más rígidas son las que presentan mayor número de puentes intercatenarios.

Variaciones en la estructura de los peptidoglicanos tabla diapo ASTERISCO Síntesis de peptidoglicano No existe ninguna proteína de membrana capaz de translocar todo ese péptido ya formado, lo que se hace es ir transportándolo por tándem. Primero tengo que tener claro que la síntesis del n-acetilmuramico y del n-acetilglucosamina tiene lugar en el citoplasma o por la descomposición de materiales que la bacteria ha

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digerido. En el citoplasma ocurre un primer ensamblaje del tándem de n-acetilacidomuranico y n-acteilglucosamina. Para que esto sea llevado al espacio extracelular, tiene que actuar un transportador. Va a ser justamente un lípido (que tiene la capacidad de movimiento flip-flop), el UDP, (undecapreilfosfato) que haciendo el movimiento flip-flop, será el encargado de ir transportando al exterior (periplasma (-) o espacio extracelular (+)) subunidades de la cadena, llamando este proceso polimerización.

Diapo dibujo Yo en la imagen no veo periplasma. Distingo que es gram+ o gram- si se unen directamente o mediante un puente intermedio. Es gram-, la imagen está incorrecta, pone gram+. Bacterias Grampositivas Síntesis del peptidoglicano y del ácido teicoico El ácido teicoico o lipoteicoico si ya está ensamblado a los lípidos de membrana, es un componente fundamental para las gram+. Se sintetiza en el citoplasma y tiene que ser traslocado. Las bombas ABC transportan el ácido teicoico, componente fundamental de las paredes gram+. ESQUEMA DIAPO DE LA SINTESIS DEL PEPTIDOGLICANO Y DEL ACIDO TEICOICO.

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Las flipasas están señaladas en rojo, ya que si cambio la enzima que las sintetiza, puedo estresarla y así desestabilizar la bacteria. Es una buena diana porque participa directamente en el transporte a través de la membrana, para la formación de la pared. Todas las gram+ contienen ácido teicoico, pero no todos tienen la misma composición. El principal componente puede ser el ribitol fosfato u otra, cosa que tengo que conocer para el estudio del comportamiento de las bacterias frente a adversas situaciones como los antibióticos. Translocación del ácido teicóico (Bacterias Grampositivas) Si tenemos en cuenta que el ácido teicoico tiene una función muy importante en las gram+, vamos a ver que más funciones tiene la bomba ABC relacionadas con el ácido teicoico (ASTERISCO): el ácido teicoico le confiere a la bacteria una lata capacidad de formación de biofilms, si forma biofilms significa que tienen mayor adherencia, por lo tanto puede colonizar difentes sustratos, y dar lugar a diferentes infecciones. Esto le confiere a la bacteria poder de conquistar nuevos medios, MAYOR ADAPTACION Y MAYOR VIRULENCIA, por lo tanto el ácido teicocio propicia finalmente a la virulencia de la bacteria. Otra característica que le da es la perdida de afinidad a péptidos antimicrobianos, es decir, que la presencia del ácido teicoico define su susceptibilidad o resistencia a los antibióticos. Por otra parte este tiene que ver con el reconocimiento de los fagos. Una manera de incorporar ADN de los fagos que le puede conferir información extra a la bacteria y por lo tanto aumentar la variabilidad genética. Las invaginaciones de la membrana plasmática también tienen que ver con sitios ricos en ácido teicoico. También actúa como una resina que permite intercambiar o almacenar iones. Por último se puede usar como sitio de reconocimiento de otras bacterias patógenas, por ello muchas gram- son bacterias patógenas.

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Bacterias Gramnegativas Las bacterias gram- no tienen ácido teicoico en sus paredes. Vamos a ver que las gram- se caracterizan porque tienen una doble membrana. La interior es rica en proteínas transportadoras, poco permeable con sus hopanoides y fosfolípidos y la externa es muy permeable y rica en proteínas porinas. Esta estructura nos recuerda a la mitocondria. Otra diferencia entre membranas externa e interna, es que la hemimebrana externa no está formada por los fosfolípidos típicos que forman la interna, sino que está formada por otro tipo de lípidos llamados lípido A. muy importante porque está unido a la kdo, y eso es lo que se llama endotoxina, unida a una capa de lipopolisacáridos, MUY IMPORTANTE ya que va a estar relacionada con las funciones que realiza el ácido teicoico en las gram+. Las bacterias gram- tienen tan fina cantidad de péptidoglicano que realmente se va a ubicar en el espacio periplasmático, y no por fuera. En las gram-, se evita la desecación gracias a esta capa de lipopolisacáridos. Libro Biología de los microorganismos (2009) La membrana externa de bacterias gramnegativas “En las bacterias gramnegativas, el peptioglicano solo representa cerca del 10% del total de la pared celular. En cambio, la mayor parte de la pared está representada por lamembrana externa. Esta capa es de hecho, una sgunda bicapa lipídica pero a diferencia de la membrana citoplasmática, no está compuesta solo por fosfolñipidos y proteínas, sino que también contiene polisacáridos. Los lípidos polisacáridos están unidos en la membrana externa y se representan formando un complejo, llamado capa de lipopolisacárido o LPS. Composición química del LPS: la porción polisacárida del LPS consta de dos porciones: el núcleo del polisacárido o polisacárido O. En especies de Salmonella, el núcleo del polisacárido está compuesto por cetodesoxioctonato (KDO), azúcares de siete átomos (heptosas), glucosa, galactosa y N-acetilglucosamina. El polisacárido O está unido al núcleo [aquí explica de que consta el núcleo] formado por unos azúcares que se unen formando secuencias de cuatro o cinco unidades que a menudo están ramificadas. La repetición de esta secuencia de azúcares da lugar a la formación de un largo polisacárido O. LA FIGURA 4.23 (mirar fotos tablet) muestra la relación del polisacárido O con el resto de la LPS. La porción lipídica de la LPS está formada por el lípido A, no es un lípido derivado del glicerol sino que los ácidos grasos se unen por un enlace éster con los grupos amino de un disacárido compuesto por N-acetilglucosamina-fosfato (Figura 4.22 mirar fotos Tablet). El disacárido se une al núcleo del polisacárido O a través de la KDO. Aunque la principal función de la membrana externa es estructural, una importante propiedad biológica es que resulta tóxica para los animales […]. Las propiedades tóxicas se asocian con la LPS y en particular con el lípido A. Es por eso que para referirse a la LPS se utilizará el término endotoxina. […] Es interesante destacar que el LPS de algunas bacterias no patógenas también tiene propiedades tóxicas. Por tanto, no es necesario que el organismo sea patógeno para que su pared celular contenga elementos tóxicos.” Pared celular de las micobacterias Tienen un componente en sus membranas que no tienen ninguna otra bacteria: los ácidos micólicos y el liporabinomanano. Son muy importantes a nivel clínico para los humanos ya que producen tuberculosis y lepra.

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Se tiñen mediante la tinción Ziehld Neelsen. Hay un tercer modelo de pared cell; bacilos ácido-alcohol resistentes. La pared es similar a la del gram gativos: -

Membrana citoplasmática 1 capa de peptidoglicano (mureïna) Un tipo de membrana externa compuesta por: o àcids micòlicos: lipofilicos; no ...