Tema 4: Estructuras relacionadas con la movilidad (PDF)

Tema 4. Estructuras relacionadas con la movilidad. Estructuras de adherencia: Cápsulas, fimbrias. Flagelos bacterianos y de arqueas: estructura y mecanismo de movilidad. Otros tipos de movimientos bacteriano Tactismos Percepción de señales: sistema de dos componentes. CUBIERTAS EX...

Tema 4. Estructuras relacionadas con la movilidad. Estructuras de adherencia: Cápsulas, fimbrias. Flagelos bacterianos y de arqueas: estructura y mecanismo de movilidad. Otros tipos de movimientos bacteriano Tactismos Percepción de señales: sistema de dos componentes. CUBIERTAS EXTERNAS BACTERIANAS - Glicocalix: Cubiertas polisacáridas externas - Cápsula: Organizada - Capa mucosa: No organizada - B. anthracis: Contiene proteínas. - Capa S Composición de las cápsulas Polisacarídicas: -Heteropolisacáridos aniónicos: (azúcares, aminoazúcares, ácidos urónicos). La síntesis de la cápsula no depende del medio -Homopolisacáridos neutros: - Dextranos: poliglucosas. La síntesis depende del medio. Streptococcus mutans - Levanos: polifructosas. La síntesis depende del medio. Zymomonas - Celulosa. Acetobacter -Alginato: (ácidos urónicos). Pseudomonas aeruginosa Polipeptídicas: Bacillus anthracis  ESTRUCTURAS DE ADHERENCIA: PELOS Y FIMBRIAS Fimbrias Apéndices proteicos, cortos y finos (más de 1000/célula) Median unión a superficies o formación de biopelículas Tipos: -Tipos I, II, III: adhesión -Tipo IV implicados en la movilidad por “sacudidas” -Tipo VII pelo sexual captación de ADN Pelos Pelo sexual: más largo y grueso que las fimbrias, menos abundante (1-10 /célula). Los genes para su formación están en plásmidos. Actúa en la conjugación bacteriana Estructura y biogénesis de las fimbrias/pelos MOVILIDAD BACTERIANA SALMONELLA RAPID TEST 1-2 Test para Salmonella MOVILIDAD BACTERIANA a. Movilidad en medios líquidos mediada por flagelos b. Movilidad por endoflagelos en medios viscosos (espiroquetas) c. Swarming. Movilidad en superficies sólidas mediada por múltiples flagelos d. Movilidad por “sacudidas” (twitching) mediada por pelos tipo IV e. Movilidad por deslizamiento  FLAGELOS BACTERIANOS Estructura proteica, fina y rígida Relacionados con el SST III Varios patrones de inserción flagelar http://www.youtube.com/watch?v=khtAwGXCQyA&feature=youtube_gdata_player Estructura del flagelo https://www.youtube.com/watch?v=Jno9DqbVDdY https://www.youtube.com/watch?v=-tomSWbl5IA Estructura del flagelo Síntesis del flagelo Crecimiento del filamento MOVILIDAD FLAGELAR  Los flagelos rotan como una hélice  Rápidamente (hasta 1100 rps)  En general, la rotación en sentido antihorario (CCW) hace que el movimiento sea hacia adelante (carrera) y la rotación en sentido horario (CW) provoca una parada y volteo. Un flagelo es un motor que consta de dos partes: Rotor →anillo C (proteína FliG) y anillo MS que interactúan con Estator → proteínas MotA y MotB, forman un canal a través de la membrana y proporcionan energía procedente de PMF  Movilidad de espiroquetas Varios flagelos saliendo de cada polo rodean la célula Los flagelos se localizan en el espacio periplásmico, bajo la membrana externa Las células tienen forma de sacacorchos y se mueven alternando movimientos de flexión y giros http://www.youtube.com/watch?v=a-zpFSVCDq4  Localización de los endoflagelos y las cubiertas superficiales de espiroquetas Micrografía electrónica de una espiroqueta mostrando los endoflagelos Sección transversal Mecanismo de movilidad Swarming El fenómeno de "swarming“ se presenta cuando una bacteria se ha cultivado en un medio líquido y luego se transfiere a un medio sólido. En este último se presenta el mencionado fenómeno, caracterizado macrocópicamente por el desplazamiento de las bacterias que forman una película sobre la superficie del medio de cultivo y se extiende hasta cubrir toda la placa e incluso cubre las colonias de otras bacterias Swarming http://www.youtube.com/watch?v=0YYAtPCIMc0 Señales ambientales Densidad celular Sustrato sólido Péptidos? Célula Célula nadadora Características swarmer 1,5-2 µm Longitud 10- >80 µm 4-10 Flagelos 103- 104 1-2 Genomas Poliploide Natación, Comportamiento Swarming, quimiotaxis, quimiotaxis comunicación coordinada móvil célula-célula MOVILIDAD POR DESLIZAMIENTO (GLIDING) Independiente de la posesión de flagelos Movimiento más lento que el flagelar Sobre superficies sólidas Varios mecanismos  El polisacárido excretado en un polo impulsa la célula hacia delante La cèlula rota mediante la fijación de complejos de adhesión que se mueven sobre "líneas" trazadas por el citoesqueleto http://www.youtube.com/watch?v=oVGEFGzS7Wo Mecanismo de la movilidad por deslizamiento en Flavobacterium johnsoniae http://www.youtube.com/watch?v=0BuVarYDurA Modelo propuesto para la movilidad en F. johnsoniae. A) las adhesinas SprB y Rem A se mueven siguiendo una pauta helicoidal. B) motores que emplean el gradiente de H+, atraviesan el PG y conectan con una placa basal en ME, a la que están conectadas las adhesinas. El movimiento del extremo del motor propele a la placa basal y las adhesinas Nan et al. (2014) Curr Biol 24: R169-173 Mecanismo propuesto para el deslizamiento en Myxococcus xanthus. Los círculos azules son motores desplazándose a lo largo de un desplazamiento helicoidal, que están asociados a proteínas grandes que deforman la pared. La deformación presiona la capa mucosa externa produciendo un efecto de empuje (en la zona “ventral”) que lleva al deslizamiento. Nan et al. (2014) Curr Biol 24: R169-173 MOVILIDAD POR SACUDIDAS (TWITCHTING) Se debe a la posesión de pelos tipo IV 1. El pelo se une a un punto de una superficie 2. Retracción del pelo 3. Como consecuencia la célula se arrastra Movilidad por sacudidas en Pseudomonas aeruginosa. Las imágenes se han obtenido en intervalos de 6 segundos, notad como los pelos van extendiéndose y retrayéndose https://www.facebook.com/194872323881941/videos/quimiotaxis- bacteriana/1156321274531835/ TACTISMOS Taxis/tactismos: movimiento en respuesta a un estímulo Quimiotaxis: respuesta a quimioefectores (atrayentes o repelentes) Fototaxia: respuesta a la luz (relacionado con fotopigmentos bacterianos) Aerotaxia: respuesta al oxígeno Magnetotaxia: movimiento a lo largo de líneas geomagnéticas Fototactismos en bacterias fototrofas Percepción de señales: sistema de dos componentes Bacterias y arqueas pueden detectar cambios ambientales y ajustar su actividad a dichos cambios Los cambios externos son detectados por una proteína sensora de membrana y transmitidos a una proteína reguladora citoplásmica (transducción de señal) La mayoría corresponden a un sistema de dos componentes SISTEMA DE DOS COMPONENTES Sistema de dos componentes: La quinasa sensora de membrana se fosforila en respuesta a una señal ambiental El P se transmite a la proteína reguladora que inhibe (o activa) la transcripción de determinados genes u otras actividades Regulación de la quimiotaxis en E. coli Proteínas implicadas: I. Respuesta a la señal Proteínas quimiotácticas aceptoras de metilo (MCPs), son quimioreceptores localizados en la membrana citoplásmica: – se unen a compuestos químicos – inician una serie de interacciones con proteínas citoplásmicas que, finalmente, afectan al motor flagelar CheA, quinasa sensora, que se autofosforila, conectada a MCPs por CheW Regulación de la quimiotaxis en E. coli  II. Control de la rotación flagelar CheY, regulador de respuesta fosforilado por CheA CheY gobierna la rotación flagelar CheZ, desfosforila a CheY III. Adaptación CheR, añade grupos metilo a las MCPs a baja velocidad CheB, elimina grupos metilo de MCPs. Aumenta la velocidad de desmetilación cuando está fosforilada. Es fosforilada por CheA Percepción de quórum: las bacterias se comunican La percepción de cuórum o autoinducción (en inglés, quorum sensing) es un mecanismo de regulación de la expresión genética en respuesta a la densidad de población celular. Las células involucradas producen y excretan sustancias, llamadas autoinductores, que sirven de señal química para inducir la expresión genética colectiva. Es una forma de comunicación celular, bien como paracrina (cuando ocurre en un organismo pluricelular, donde actuarían como hormonas), bien como feromona (cuando actúa sobre individuos distintos). Percepción de quórum: las bacterias se comunican Las cèlulas bacterianas pueden actuar de forma dependiente de la densidad celular Percepción de quórum (“quorum sensing”) → mecanismo por el cual las bacterias evalúan su densidad de población ◦ Asegura que hay un número suficiente de cèlulas para iniciar una respuesta que requiere una cierta densidad celular (bioluminiscencia, producción de toxinas,…) Percepción de quórum: las bacterias se comunican Las bacterias Gram-positivas y Gram-negativas usan los circuitos de comunicación de la percepción de cuórum para regular una gran variedad de actividades fisiológicas. Estos procesos incluyen simbiosis, virulencia, competencia, conjugación, producción de antibióticos, motilidad, esporulación y formación de biopelículas. En general, las bacterias Gram-negativas usan acil-homoserina lactonas como inductores, mientras que las bacterias Gram-positivas se valen de oligopéptidos procesados. Percepción de quórum: Gram negativas El fenómeno de la percepción de cuórum se descubrió en bacterias gran negativas, y es en ellas en las que más se ha estudiado. El primer sistema de percepción de cuórum descrito es el de la bacteria bioluminiscente marina Vibrio fischeri, considerado el paradigma de la percepción de cuórum de la mayoría de las bacterias gramnegativas. V. fischeri coloniza los órganos emisores de luz del calamar Euprymna scalopes, donde se multiplica y alcanza una elevada densidad de población, lo que induce la expresión de los genes de su luminiscencia. Dicha expresión ocurre en forma coordinada.​ Normalmente, las moléculas sensoras de las que se valen estas bacterias son las acil-homoserina-lactonas (acil-HSL), compuestas por un grupo acilo de 4 a 14 átomos de carbono unido por un enlace amida a una homoserina lactona. En el tercer carbono del grupo acilo puede haber un grupo cetona o un grupo hidroxilo.  Percepción de quórum: Gram negativas El mecanismo de acción habitual de las acil- HSL es el siguiente: estas moléculas difunden al interior de la célula diana y, cuando están en concentración suficiente, se unen a unos receptores especiales provocando un cambio en su conformación. El complejo entre la sustancia y el receptor se une a sitios específicos del ADN y ello conduce a que se transcriban determinados genes y se produzcan las proteínas quorum-dependientes. Entre los genes que se transcriben, en ocasiones están los responsables de la producción de las acil-HSL. Ello lleva a que se genere una mayor cantidad de estas moléculas sensoras y el efecto se amplifique. El autoinductor más común en gramnegativos es acil- homoserina lactona (AHL), en grampositivos suelen ser oligopéptidos Ejemplos de procesos dependientes de percepción de quórum  Percepción de quórum: Gram positivas En las bacterias grampositivas la señal autoinductora que interviene es normalmente un oligopéptido, y no las acil-HSL. Las bacterias grampositivas realizan una secreción activa del oligopéptido maduro al medio extracelular mediante un transportador de péptidos asociado a la membrana. Sin embargo, se han descrito dos mecanismos de detección del péptido de señal. En el “mecanismo extracelular”, la feromona interactúa con una histidina-cinasa que forma parte de un sistema de regulación de dos componentes asociada a la membrana del microorganismo. La activación de la histidina-quinasa inicia una cascada de fosforilación que finalmente induce la actividad del regulador de respuesta asociado. En el caso de la “ruta intracelular”, el péptido de señal es introducido dentro de la célula de manera activa mediante un transportador de oligopéptidos. Una vez dentro de la célula, el péptido activa el regulador asociado, el cual modula la expresión de diversos genes. Percepción de quórum: Gram positivas Quorum quenching (QQ) Mecanismos o estrategias que interfieren con la señalización del quorum sensing Generalmente moléculas que inhiben al autoinductor Aplicación como tratamiento antibacteriano Quorum quenching (QQ) Biofilms Los microorganismos crecen más frecuentemente sobre superficies que como formas de vida libre Estos microorganismos forman comunidades complejas llamadas biofilms Los biofilms se encuentran en muchos ambientes naturales y también son responsables de la colonzación microbiana de superficies como cañerías, catéteres, implantes, etc  relación con infecciones Biofilms Un biofilm maduro es una comunidad de m.o compleja y dinámica Los distintos tipos de m.o. del biofilm interaccionan: ◦ intercambios metabólicos, captación de ADN, comunicación EPS y cambios fisiológicos en los m.o. tienen un efecto protector: ◦ UV, antimicrobianos  Prótesis dental Biofilm sobre partículas en suspensión en el agua de un lago Biofilms: Comunicación La unión de las células a superficies (fimbrias, cápsulas, …) señaliza la expresión de genes específicos de los biofilms Las células de los biofilms se comunican de forma dependiente de la densidad celular  percepción de quórum Se producen señales moleculares cuya concentración se incrementa con el aumento de la población, desencadenando cambios: ◦ captación de ADN, producción de bacteriocinas,… https://www.youtube.com/watch?v=Aa8WE2LOOcQ https://www.youtube.com/watch?v=_gEnSO7WruQ  Formación de biofilms Los microorganismos se unen reversiblemente a superficies y liberan polisacáridos, proteínas y ADN que forman la sustancia polimérica extracelular (EPS) Conforme los m.o. van creciendo se produce más EPS llegándose al biofilm maduro Biofilms: Comunicación REGULACIÓN DOS COMPONENTES - Esquema general. - Movimiento flagelo. o MCPs o Regulación. o Adaptación. - Percepción quorum. o Gram negativas: autoinductor (acil homoserina lactona, AHL).  Quinasa sensora.  Regulador transcripcional. o Bioluminiscencia  N-3-oxohexanocilhomoserina-lactona  Lux R: operón Lux o Gram positivas: Oligopéptidos.  Extracelular: Histidin quinasa.  Intracelular: Regulador transcripcional. o Levaduras: Alcoholes aromáticos.  Candida: farnesol. o Quorun quenching. - Biofilms. o Fases:  Adhesión (reversible/irreversible)  Consolidación (microcolonias/macrocolonias)  Maduración.  Dispersión. o Dos sistemas quorum:  Señal exocelular: Las/Rhm. Genes exopolisacáridos.  Señal intracelular: Monofosfato de diguanosina cíclico (di-GMP- cíclico. Regula síntesis proteínas y ARN Síntesis proteína Pel D: exopolisacárido Síntesis proteína FleQ: Biosíntesis del flagelo.