Estructura Bacteriana (Microbiología I) PDF

Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica MICROBIOLOGIA I Estructura bacteriana Ing. Mónica Yugra Condori...

Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica MICROBIOLOGIA I Estructura bacteriana Ing. Mónica Yugra Condori [email protected] Taxonomía bacteriana Brindar un ordenamiento de las unidades taxonómicas básicas (especies). Especie bacteriana: Es un conjunto de poblaciones clonales que presentan un elevado grado de similitud fenotípica entre sí y que a su vez difieren de otros conjuntos de poblaciones clonales. Caracterización Ideal: caracterización completa del genotipo (es decir de su constitución genética). Real: caracterización parcial del fenotipo (apariencia). Pero además de utilizar propiedades estructurales, se debe recurrir a las propiedades bioquímicas y fisiológicas para la caracterización de especies; es decir que las bacterias se clasifican no solo por su apariencia sino también por lo que pueden hacer. Denominación Uso del sistema binomial de nomenclatura: formado por 2 palabras. Ejemplos: Bacillus subtilis Bradyrhizobium japonicum Manual de Bergey de Bacteriología Sistemática (1923- EE.UU.) Estructura bacteriana  Estructura Nucleoide Conservan su DNA en una estructura denominada nucleoide. La carga negativa del DNA se neutraliza por poliaminas pequeñas y iones de magnesio (tinción de Feulgen). La región nuclear está llena de fibrillas de DNA. El nucleoide de la mayor parte de células bacterianas está conformado por una molécula circular única que varía en longitud de 0.58 hasta casi 10 millones de pares de bases. Excepciones con dos cromosomas diferenciados: Vibrio cholerae y Brucella melitensis. Borrelia burgdorferi y Streptomyces coelicolor cuentan con cromosoma lineal.  Estructura Nucleoide El ADN bacteriano representa un 2 a 3% del peso celular, ocupa el 10% del volumen de la célula, esta relación permite una rápida difusión de los materiales solubles hacia todas las partes de la estructura nuclear. Las poliaminas se encuentran asociadas con ribosomas y membranas. Las principales son: Putrescina y Espermidina, ejercen un efecto antimutagénico, impiden la disociación de los ribosomas 70S en sus componentes 30S y 50S y aumentan la resistencia de los protoplastos a la lisis osmótica. Proteínas simil Histonas se ha encontrado en pequeña cantidad en asociación con el ADN de E. coli Estructura Estructuras citoplasmáticas: Carecen de plástides autónomas, como mitocondrias y cloroplastos. Enzimas para el transporte de e- se encuentran en la membrana citoplasmática. Pigmentos fotosintéticos -> sistemas intrancitoplasmáticos membranosos Se suele observar cromatóforos ( vesículas membranosas). Clorosomas, son estructuras no unitarias encerradas por membranas. Cianobacterias, poseen membranas fotosintéticas de estructura multilaminar (tilacoides). Ficobilinas - principal pigmento accesorio. Estructura Cuerpos de inclusión: Con frecuencia, las bacterias almacenan materiales de reserva en forma de gránulos insolubles (cuerpos refráctiles). Función de almacenamiento de energía o reservorio de bloques para la integración de la estructura. La mayor parte de las inclusiones están limitadas por membranas delgadas conformada por lípidos (sirve para separarse del citoplasma). El cuerpo de inclusión más común está formado por ácido poli-ß-hidroxibutírico (PBH). Compuesto lipoide, constituido por cadenas de unidades de PBH conectadas por enlaces éster. PBH se produce cuando la fuente de N S P es limitada y hay exceso de C. Glucógeno, exceso de C. PBH y Glucógeno fuentes de C cuando la síntesis de proteínas y ácidos nucleicos vuelve a comenzar. Estructura Cuerpos de inclusión: Gránulos intracelulares de azufre elemental, oxidan compuestos reducidos de S (H2S, S₂O₃²⁻) y cuando la fuente de sulfuro reducido es limitante, los gránulos se oxidan formando sulfatos. Gránulos de volutina, reservas abundantes de fosfato inorgánico – gránulos de polifosfato. Fuente de fosfato para síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos para mantener el crecimiento. También llamados gránulos de volutina o corpúsculos metacromáticos (se tiñen de rojo al utilizar tinción azul). Estructura Cuerpos de inclusión: Bacterias autótrofas que fijan bióxido de carbono para sintetizar sus bloques bioquímicos para construcción, son cuerpos poliédricos circundados por un armazón de proteínas; carboxisomas. Magnetosomas, son partículas de cristales intracelulares de magnetita de hierro mineral, que permite exhibir magnetotaxis (migrar de respecto del campo magnético de la Tierra). Rodeados por una membrana no unitaria de fosfolípidos proteínas y glicoproteínas. Vesículas de gas se encuentran de manera casi exclusiva en los microorganismos con hábitat acuático, es una membrana con capa proteica de 2 nm de grosor, impermeable al agua pero permeable a gas. Estructura Proteínas similares a las del citoesqueleto de actina como MreB y Mbl forma célula, separar cromosomas y distribuir proteínas. SecY y MinD, configuración y división celular. Estructura Ribosomas Los ribosomas procariotas se originan en el nucleoide y se encuentran en el citosol celular. Son de 70S y su masa molecular es de 2500 Kilodalton. Las moléculas de ARNr forman el 65% del ribosoma y las proteínas representan el 35%. Las moléculas de ARN ribosómico son ricas en A y G y forman una hélice alrededor de las proteínas. Los ribosomas están formados por dos subunidades: Subunidad mayor: es 50 S. Está formada por dos moléculas de ARN, una de 23 S y otra de 5 S. Además hay 34 proteínas básicas de las cuales sólo una se repite en la subunidad menor. Subunidad menor: es de 30 S y tiene una molécula de ARNr de 16 S además de 21 proteínas.  Estructura Ribosomas procariotas Los ribosomas, además de ser excelentes maquinarias biológicas capaces de sintetizar proteínas, se emplean para diferenciar unos organismos de otros. Práctica empleada para el estudio de las bacterias y determinar el grupo taxonómico en el que se ubican de acuerdo a las relaciones filogenéticas entre diferentes especies bacterianas comparando ciertos fragmentos de ARNr o los genes que codifican estos fragmentos. Tanto es así que en microbiología clínica utilizan la secuencia del ARNr 16S (componente de la subunidad menor del ribosoma) o del ARNr 23S (parte de la subunidad mayor del ribosoma) para distinguir bacterias que, de otro modo, serían extremadamente difíciles de identificar. Estructura Envoltura celular: Circundadas por capas de recubrimiento complejas, que protegen a los microorganismos de ambientes hostiles (osmolaridad extrema, químicos lesivos y antibióticos). Membrana celular: Membrana citoplasmática, membranas unitarias típicas compuesta por lípidos y proteínas (70% de la masa de la membrana) ausencia de esteroles en comparación con eucariotas. EXCEPCIÓN: Micoplasmas que incorporan a sus membranas esteroles como colesterol. Estructura Membrana celular de arqueas: Contienen lípidos únicos, isoprenoides unidos al glicerol mediante enlace éter -> monocapa lipídica (lípidos largos que cuentan con éteres de glicerol en ambos extremos). Las moléculas se orientan con los grupos polares de glicerol en la superficie y la cadena hidrocarbonada no polar en el interior. Capacidad de crecer bajo condiciones ambientales de concentración elevada de sales, pH bajo o temperatura muy elevada. Estructura Membrana celular: Las principales funciones de la membrana citoplasmática son: 1. Permeabilidad selectiva y transporte de solutos. 2. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa en las especies aeróbicas. 3. Excreción de exoenzimas hidrolíticas. 4. Soporte de las enzimas y moléculas transportadoras que participan en la biosíntesis de DNA, polímeros de la pared celular y lípidos de membrana. 5. Presentación de receptores y de otras proteínas de los sistemas quimiotácticos y sensitivos para traducción. Permeabilidad y transporte La membrana citoplasmática forma una barrera impermeable a la mayor parte de moléculas hidrófilas. Sin embargo, existen varios mecanismos (sistemas de transporte) que permiten a la célula transferir nutrimentos al interior y productos de desecho hacia afuera. Estos sistemas de transporte trabajan contra una gradiente de concentración para aumentar el contenido de nutrimentos en el interior de la célula, función que requiere algún tipo de energía. Transporte de electrones y fosforilación oxidativa Los citocromos y otras enzimas y componentes de la cadena respiratoria, que incluyen algunas deshidrogenasas, se ubican en la membrana celular. La membrana celular bacteriana, constituye un análogo funcional a la membrana mitocondrial; mecanismo por el cual la generación de ATP se acopla el transporte de electrones. Excreción de enzimas hidrolíticas y proteínas de patogenicidad Las bacterias secretan en forma directa al medio externo o al espacio periplasmático que se ubica entre la capa de peptidoglicano y la membrana externa de su pared celular (gramnegativas) En las grampositivas, las proteínas se secretan en forma directa, pero las proteínas que excretan las bacterias gramnegativas deben atravesar también la membrana externa y se describe en 5 vías. Funciones biosintéticas La membrana celular es el sitio en el que se ubican los lípidos transportadores sobre los cuales se ensambla la pared celular, así como de las enzimas para la biosíntesis de la pared celular. También las enzimas para la síntesis de los fosfolípidos. Sistemas quimiotácticos Los atrayentes y repelentes se unen a receptores específicos en la membrana de la bacteria. Existen por lo menos 20 quimiorreceptores distintos de la membrana de E. coli, algunos de los cuales también participa en el primer paso del proceso de transporte. Estructura Envoltura celular: Pared celular: Resiste una presión osmótica entre 5 y 20 atm, resultado de la concentración de solutos que se logra por efecto del transporte activo. La pared celular debe su resistencia a una capa compuesta por mureína, mucopéptidos o peptidoglucanos. También participa en la división celular y como molde para su propia biosíntesis. En las capas de la pared celular se ubican determinantes antigénicos importantes de la superficie celular (lipopolisacárido- endotoxicidad de gramnegativas). Estructura Tinción de Gram La mayor parte de las bacterias se clasifica en grampositivas o gramnegativas de acuerdo con su respuesta al procedimiento de tinción de Gram. Depende de la capacidad de ciertas bacterias (grampositivas) para retener un complejo de cristal violeta (pigmento violeta) y yodo después de un lavado breve con alcohol y acetona. Las bacterias gramnegativas no retienen el complejo pigmento-yodo y se vuelven traslúcidas, pero pueden teñirse luego con safranina (un pigmento rojo) Así, las bacterias grampositivas aparecen violetas bajo el microscopio, en tanto las bacterias gram negativas se observan rojas. La distinción entre los 2 grupos en realidad corresponde a diferencias fundamentales de sus recubrimientos celulares. Pared celular A. Capa de peptidoglucanos Polímeros complejos constituidos por tres partes: Esqueleto, formado por moléculas alternantes de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico (=toda bacterias) Serie de cadenas tetrapeptídicos colaterales idénticas unidas a ácido N- acetilmurámico En gramnegativas, los puentes cruzados están conformados por un enlace peptídico directo entre el grupo amino del ácido diaminopimélico (ADP) y en grampositivas L-lisina. Puentes cruzados peptídicos idénticos. Gram+ 40 capas PG = 50% Gram- 2 capas PG = 10% Componentes especiales de las paredes celulares grampositivos Ácidos teicoicos y teicurónico: Incluye a todos los polímeros de la pared, la membrana o la cápsula que contienen residuos de glicerolfosfato o ribitolfosfato. Los polialcoholes están conectados por enlaces fosfodiéster, y suelen estar unidos a otros azúcares y D-alanina. Son responsables de la negatividad de la superficie celular en conjunto. Funciones de elasticidad, porosidad, fuerza tensil y las propiedades electrostáticas de la envoltura. Componentes especiales de las paredes celulares grampositivos Ácido teicoico de membrana Ácido teicoico de pared (TP) Ácido teicurónico o lipoteicoico (LT) Incluyen azúcares en Unido por enlaces vez de ácidos fosfóricos. Unido por enlaces covalentes a Se sintetizan en covalentes a glucolípidos de sustitución se los ácidos peptidoglucanos. membrana. teicoicos cuando hay limitación de fosfato. Componentes especiales de las paredes celulares grampositivos Polisacáridos: hidrólisis de paredes grampositivas derivan, en algunas especies, azúcares neutrales (manosa, arabinosa, ramnosa y glucosamina) y azúcares ácidos (ácido glucorónico) u originadas por ácidos teicoidos y teicurónicos. Componentes comunes de las paredes celulares gramnegativos Contienen tres componentes que se ubican por fuera de la capa de peptidoglucanos. Membrana externa: Estructura con dos capas asimétricas, hoja interna similar a membrana celular y hoja externa, compuesta por lipopolisacáridos (LPS). Impedir el paso de moléculas hidrofóbicas; sirve para proteger a la célula contra sustancias lesivas, como sales biliares. Debido a su naturaleza lipídica se espera que excluya moléculas hidrofílicas. Pero gracias Porinas (moléculas proteicas), permiten la difusión pasiva de compuestos hidrofílicos de bajo peso molecular como azúcares, aminoácidos y ciertos iones. Componentes comunes de las paredes celulares gramnegativos Membrana externa: Moléculas antibióticas grandes penetran la ME en forma lenta. Las porinas se nombran de acuerdo a los genes que las codifican: PhoE de E. coli es una proteína trimérica que penetra las 2 caras de la ME. Componentes comunes de las paredes celulares gramnegativos Lipopolisacáridos Formado por un glucolípido complejo, denominado lípido A, al que se une un polisacárido. El lípido A está incluido en la capa externa de la membrana que ancla el LPS, y está conformado por unidades disacáridas de glucosamina fosforilada a la que se unen varios ácidos grasos de cadena larga. Centro= Ácido cetodesoxioctanoico - heptosa Componentes comunes de las paredes celulares gramnegativos Lipoproteínas Forman puentes cruzados con la ME y las capas de petidoglucano. 57 aminoácidos en secuencia de 15 aa y el componente lipídico es un tioéter diglicérido unido a una cisteína terminal. Su función es estabilizar la ME y anclarla a la capa de peptidoglucano. Componentes comunes de las paredes celulares gramnegativos Espacio periplamático Espacio entre ME y MI, alberga la capa de peptidoglucanos y una solución de proteínas que semeja un gel. Corresponde al 20 -40% del volumen celular. Tiene proteínas de unión para sustratos específicos (aa, azúcares, vitaminas y iones), enzimas hidrolíticas (fosfatasa alcalina) y detoxificantes B-lactamasa). Grampositivas Gramnegativas DIFERENCIAS ENTRE GRAMPOSITIVAS Y GRAMNEGATIVAS GRAMPOSITIVAS GRAMNEGATIVAS Producción de polisacáridos Presentan 3 capas de envoltura conocidos como ácidos teicocos, distintas, dispuestas de manera una capa de la pared celular laxa, estas incluyen relativamente gruesa, contigua y La membrana externa (ME), que recubre la membrana convoluta, arrugada con surcos u plasmática. ondulante, que contiene el antígeno O somático conocido como lipopolisacárido LPS, Una capa densa intermedia, y La membrana plasmática interna. Un espesor de 0.0075 um. Pared celular ácido alcohol resistente: Bacilo de la tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis) tiene paredes celulares que contienen ceras (70 a 90 carbonos de longitud) llamados ácidos micólicos Consta de peptidoglucano y una bicapa lipídica asimétrica. La hoja interna contiene otros lípidos a contiene ácidos micólicos unidos a arabinoglucano, en tanto la hoja externa contiene otros lípidos extraíbles. Estructura hidrofóbica hace que bacterias sean resistentes a detergentes y ácidos fuertes.  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Jawetz, E. (2002). Microbiología médica de Jawetz, Melnick y Adelberg. El Manual Moderno.  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Procop, Gary W. Church, Deirdre L. Hall, Geraldine S. Janda, William M. Koneman, Elmer W. Schreckenberger, Paul C. Woods, Gail. L. (2017) Diagnóstico microbiológico, 7ma. Edición, 2017 WOLTERS KLUWER>616.075.KONE.02 Anoop Singh, Shaili Srivastava, Dheeraj Rathore, Deepak Pant. (2020) Environmental Microbiology and Biotechnology Springer Singapore >978-981-15-6021-7  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Base de datos: Science Direct, Web of Sciences y EBSCOhost.