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Microbiología. Grado BCB Tema 4 Tema 4. Estructuras relacionadas con la movilidad. 1. Estructuras de adherencia: Cápsulas, fimbrias. 2. Flagelos bacterianos: estructura y mecanismo de movilidad. 3. Tactismos 4....

Microbiología. Grado BCB Tema 4 Tema 4. Estructuras relacionadas con la movilidad. 1. Estructuras de adherencia: Cápsulas, fimbrias. 2. Flagelos bacterianos: estructura y mecanismo de movilidad. 3. Tactismos 4. Otros tipos de movimientos bacteriano Movilidad en espiroquetas. Swarming. Movilidad por deslizamiento. Movilidad por sacudidas 5.- Tactismos. Sistema regulación dos componentes. Estructuras de adherencia: Cápsulas, fimbrias. Cápsulas, capas mucosas y glicocalix Algunos procariotas presentan una capa de materia situada externamente a la pared celular. Esta capa recibe nombres diferentes dependiendo de sus características. Cuando la capa está bien organizada y no se elimina fácilmente con lavados se denomina cápsula. Se denomina capa mucosa cuando es una zona de material difuso, desorganizado, que se elimina fácilmente. Cuando la capa consiste en una red de polisacáridos que se extienden desde la superficie de la célula hacia el exterior, se denomina glicocálix, un término que puede abarcar tanto a las cápsulas como a las capas mucosas ya que normalmente ambas están formadas por polisacáridos. Sin embargo, algunas capas mucosas y cápsulas se componen de otros materiales. Por ejemplo, Bacillus anthracis presenta una cápsula proteica formada por ácido poli-D-glutámico. Aunque las cápsulas no son necesarias para el crecimiento y la multiplicación en cultivo, sí confieren varias ventajas cuando los procariotas crecen en sus hábitats normales. Ayudan a las bacterias patógenas a resistir la fagocitosis por el huésped. Streptococcus pneumoniae constituye un ejemplo notable. Cuando carece de cápsula es destruido fácilmente y no causa enfermedad, mientras que la variante con cápsula causa la muerte de los ratones rápidamente. Las cápsulas contienen una gran cantidad de agua y pueden proteger frente a la desecación. Evitan la entrada de virus y de la mayoría de materiales tóxicos como los detergentes. El glicocálix colabora también en la adhesión a superficies sólidas, incluyendo la superficie de los tejidos en los huéspedes. Las bacterias deslizantes a menudo producen capas mucosas que, en algunos casos, facilitan la motilidad. Fimbrias y pelos Muchos procariotas presentan unos apéndices cortos, parecidos a pelos que son más finos que los flagelos. Estos apéndices se denominan normalmente fimbrias. Aunque mucha gente utiliza los términos fimbria y pili indistintamente, se distinguirá entre fimbria y pilus sexual. Una célula puede estar cubierta por hasta 1000 fimbrias, pero sólo son visibles en el microscopio electrónico debido a su pequeño tamaño. Se trata de finos tubos formados por subunidades proteicas dispuestas helicoidalmente, con un diámetro de 3 a 10 nm y hasta varios micrómetros de largo. Al menos algunos tipos de fimbrias adhieren las bacterias a superficies sólidas como rocas en ríos, o tejidos del huésped. Las fimbrias son responsables de algo más que de la simple adhesión. Las fimbrias de tipo I, II y III se encuentran en uno o ambos polos de las células bacterianas. Pueden intervenir en la adhesión a objetos, y ser necesarias también para la motilidad espasmódica que ocurre en algunas bacterias como 1 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 P. aeruginosa, N. gonorrhoeae, y algunas cepas de E. coli. Las de tipo IV, como ya vimos, intervienen en el movimiento bacteriano por sacudidas. Muchas bacterias presentan 1-10 pili sexuales por célula. Estas estructuras parecidas a pelos difieren de las fimbrias en los siguientes aspectos. Los pili a menudo son más grandes que las fimbrias (9 a 10 nm de diámetro aproximadamente), están determinados genéticamente por los plásmidos conjugativos y son necesarios para la conjugación. Capa S Muchos procariotas presentan en su superficie una capa con una estructura regular denominada capa S. En las bacterias, la capa S es externa a la pared celular. En las arqueas, la capa S puede ser la única estructura de pared por fuera de la membrana plasmática. La capa S presenta un patrón parecido a baldosas y está formada por proteínas o glicoproteínas. En las bacterias gramnegativas la capa S se adhiere directamente a la membrana externa; en las bacterias grampositivas está asociada a la superficie del peptidoglicano. Puede proteger a la célula de fluctuaciones iónicas o de pH, del estrés osmótico, de enzimas, o de la bacteria predadora Bdellovibrio. La capa S también ayuda a mantener la forma y la rigidez de la envoltura de algunas células. Puede promover la adhesión celular a superficies. Finalmente, la capa S parece proteger a algunos patógenos bacterianos frente a las defensas del huésped, contribuyendo así a su virulencia. Flagelos bacterianos: estructura y mecanismo de movilidad. Muchos procariotas son móviles y esta capacidad de movimiento independiente se debe con frecuencia a una estructura especial, el flagelo. Algunas bacterias se desplazan a lo largo de superficies sólidas por deslizamiento y otros microorganismos acuáticos son capaces de controlar su posición en el agua mediante unas estructuras llenas de gas denominadas vesículas de gas. Sin embargo, la mayor parte de los procariotas móviles utilizan flagelos para moverse. La movilidad permite a la célula alcanzar distintas zonas de su entorno. En la lucha por la supervivencia, la capacidad para moverse puede significar la diferencia entre la vida y la muerte de la célula. Como ocurre en cualquier proceso físico, el movimiento celular supone un gasto de energía. Flagelos bacterianos La mayoría de los procariotas móviles se desplazan utilizando flagelos, apéndices motores con forma de hilo que se extienden por fuera de la membrana plasmática y la pared celular. Los flagelos bacterianos son estructuras finas, rígidas, de aproximadamente 20 nm de ancho y hasta 15 o 20 μm de largo. Los flagelos son tan delgados que no se pueden observar directamente con el microscopio, sino que deben teñirse mediante técnicas especiales diseñadas para aumentar su grosor. La estructura detallada de un flagelo sólo puede observarse con el microscopio electrónico Las especies bacterianas difieren de un modo distintivo en el patrón de distribución de sus flagelos y esto patrones son útiles para la identificación de bacterias. Las bacterias monotricas (trichous significa pelo) presentan un único flagelo; si éste se localiza en un extremo, se dice que es un flagelo polar. Las bacterias anfitricas (amphi significa en ambos lados) tienen un flagelo en cada polo. Por el contrario, las bacterias lofotricas (lopho significa mechón) poseen un grupo de flagelos en uno o ambos extremos. Los flagelos se distribuyen bastante uniformemente por toda la superficie en las bacterias peritricas (peri significa alrededor). Ultraestructura flagelar Lo estudios de microscopía electrónica de transmisión han mostrado que el flagelo bacteriano consta de tres partes. (1) La parte más larga y evidente es el filamento del flagelo, que se extiende desde la 2 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 superficie de la célula hasta la punta del flagelo. (2) El cuerpo basal está insertado en la célula; y (3) un segmento corto y curvado, el gancho del flagelo, une el filamento a su cuerpo basal y actúa como acoplamiento flexible. El filamento es un cilindro hueco y rígido constituido por subunidades de la proteína flagelina, cuyo peso molecular oscila entre 30 000 y 60 000 daltons, dependiendo de la especie bacteriana. El filamento acaba en una proteína "capuchón". Algunas bacterias tienen vainas que rodean sus flagelos; Bdellovibrio presenta una estructura membranosa rodeando el filamento y Vibrio cholerae tiene una vaina de lipopolisacárido. El gancho y el cuerpo basal son bastante distintos del filamento. Ligeramente más ancho que el filamento, el gancho consta de diferentes subunidades proteicas. El cuerpo basal es la parte más compleja del flagelo. En E. coli y la mayoría de las bacterias gramnegativas, el cuerpo basal consta de cuatro anillos conectados por un cilindro central. Los anillos externos L y P están asociados a las capas de lipopolisacárido y peptidoglicano respectivamente. El anillo interno MS contacta con la membrana plasmática y el anillo C que se une a la membrana plasmática. Las bacterias grampositivas tienen sólo dos anillos en el cuerpo basal: MS y C; un anillo interno conectado a la membrana plasmática y uno externo unido probablemente al peptidoglicano. Síntesis del flagelo La síntesis del flagelo, y por lo tanto la movilidad, depende de varios genes. Los estudios realizados con E. coli y Salmonella tiphymurium indican que hay más de 40 genes implicados en el movimiento. Estos genes realizan varias funciones y codifican tanto las proteínas estructurales del aparato flagelar, como la salida de los componentes del flagelo a través de la membrana. Además, están implicados en la regulación de muchos procesos bioquímicos que tienen lugar durante la síntesis de nuevos flagelos. Un flagelo considerado individualmente no crece desde su base como lo hace un pelo de un animal, sino que crece por su punta. Los anillos MS y C se sintetizan inicialmente y se insertan en la membrana. Luego se sintetizan otras proteínas de anclaje (Fli y Mot) junto con el gancho antes de que se inicie la formación del filamento flagelar. Las moléculas de flagelina se sintetizan en el citoplasma y pasan a través de un canal de 3 nm situado en el interior del filamento hasta situarse por aposición en su extremo. En el extremo de un flagelo en crecimiento existe una proteína terminal (proteína «cap») que ayuda a las moléculas de flagelina que difunden por el canal interior a distribuirse de forma organizada en el extremo terminal, mientras se forma la nueva porción del filamento. El crecimiento del flagelo ocurre de modo continuo hasta que alcanza su longitud final. Los flagelos rotos son todavía capaces de rotar y pueden ser reparados por nuevas unidades de flagelina que llegan a través del canal del filamento para reemplazar las unidades proteicas perdidas. Movimiento flagelar Los flagelos procariotas funcionan de un modo diferente a los flagelos eucariotas. El filamento tiene la forma de una hélice rígida, y la célula se mueve cuando esta hélice rota. Un número considerable de pruebas muestra que lo flagelo actúan como las hélices de un barco. Mutantes bacterianos con flagelos rectos o con regiones gancho anormalmente largas no pueden nadar. Cuando las bacterias se fijan a un portaobjetos utilizando anticuerpos que reconocen las proteínas del filamento o del gancho, el cuerpo celular rota rápidamente alrededor del flagelo inmóvil. Si se unen bolitas de poliestireno-látex a los flagelos, las bolitas girarán alrededor del eje del flagelo como consecuencia de la rotación del flagelo. El motor flagelar puede rotar muy rápidamente. El motor de E. coli rota a 270 rps; la media de Vibrio alginolyticus es de 1100 rps. La dirección de rotación del flagelo determina el tipo de movimiento de la bacteria. Los flagelos monotricos polares rotan en sentido contrario a las agujas del reloj (visto desde fuera de la célula) 3 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 durante el movimiento normal de avance, mientras que la célula en sí misma rota lentamente en sentido de las agujas del reloj. La rotación del filamento flagelar helicoidal empuja a la célula en una carrera hacia delante quedando los flagelos en la parte posterior. Las bacterias monotricas se detienen y giran al azar cambiando la dirección de rotación flagelar. Las bacterias con flagelación peritrica funcionan de un modo similar. Para desplazarse hacia delante, los flagelos rotan en sentido contrario a las agujas del reloj. Al hacer este movimiento, los ganchos se curvan para formar un haz rotante que propulsa la célula hacia delante. La rotación de los flagelos en el sentido de las agujas del reloj deshace el haz y la célula gira. Puesto que las bacterias nadan gracias a la rotación de sus flagelos, en su base debe haber una especie de motor. Un cilindro se extiende desde el gancho hasta el anillo MS, el cual puede rotar libremente en la membrana plasmática. Se cree que el anillo MS está unido a la pared celular en las células grampositivas y no rota. Los anillos P y L de las bacterias gramnegativas actuarían como soporte del cilindro rotante. Existen algunas pruebas de que el cuerpo basal es una estructura pasiva y rota dentro de un complejo proteico insertado en la membrana, al igual que el rotor de un motor eléctrico gira en el centro de un anillo de electroimanes (el estátor). El mecanismo exacto que impulsa la rotación del cuerpo basal no está claro. El rotor del motor parece estar constituido principalmente por el cilindro, el anillo MS, y un anillo C unido a éste por la parte citoplasmática del cuerpo basal. Estos dos anillos constan de diversas proteínas; FliG es especialmente importante en la generación de la rotación flagelar. Las dos proteínas más importantes del estátor del motor son MotA y MotB. Ambas forman un canal de protones a través de la membrana plasmática, y MotB también ancla el complejo Mot al peptidoglicano de la pared celular. Existen ciertas pruebas de que MotA y FliG interaccionan directamente durante la rotación flagelar. Esta rotación está impulsada por gradientes de protones o de sodio en procariotas, no directamente por ATP como en el caso de los flagelos eucariotas. El flagelo es un aparato natatorio muy eficaz. Desde el punto de vista de la bacteria, la natación es una tarea ardua porque el agua circundante es tan espesa y viscosa como la melaza. La célula debe perforar el agua con su flagelo en forma de sacacorchos, y si la actividad flagelar cesa, la célula se detiene prácticamente al instante. A pesar de esta resistencia ambiental al movimiento las bacterias pueden nadar a una velocidad de 20 a casi 90 μm/segundo. Esto equivale a un desplazamiento de 2 a 100 longitudes celulares por segundo. Otros tipos de movimiento bacteriano Movilidad en espiroquetas. Las espiroquetas tienen un tipo de motilidad poco frecuente determinado por su morfología. Contienen endoflagelos, que se asemejan a los flagelos normales, pero se encuentran en el periplasma de la célula. Estos endoflagelos están anclados a los polos de la célula y se extienden a lo largo de toda la célula. Tanto los endoflagelos como el cilindro protoplasmático están rodeados por una membrana flexible llamada vaina externa. Los endoflagelos rotan como lo hacen los flagelos bacterianos típicos. No obstante, cuando los endoflagelos de ambos polos rotan en el mismo sentido, el cilindro protoplasmático lo hace en sentido contrario y genera torsión en la célula. Esta torsión hace que la célula de la espiroqueta se flexione, de manera que el movimiento resultante es similar al de un sacacorchos, y permite a la célula avanzar hundiéndose en materiales o tejidos viscosos. 4 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 Swarming Una de las características más relevantes de algunas bacterias es el fenómeno de "swarming", el cual 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 macroscópicamente 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. El género en que mejor se ha estudiado este fenómeno es Proteus, cuyo fenómeno de "swarming" se caracteriza por la formación de círculos concéntricos a partir del punto de inoculación, que le brindan un aspecto de diana a la colonia. Este patrón puede observarse fácilmente cuando se inocula la bacteria en el centro de una placa de cultivo. El fenómeno ocurre en tres fases: diferenciación, migración y consolidación. Lo primero que vemos es como la colonia bacteriana comienza a hacerse más densa lo que indica que aumenta el número de individuos que se preparan para lanzarse a explorar lo desconocido. Pero antes de lanzarse estas bacterias deben prepararse, y para ello sufren drásticas modificaciones de su aspecto. Inicialmente son bacilos cortos de 2 a 4 μm de largo y con menos de 10 flagelos. Una de las primeras modificaciones consiste en inhibir la septación, lo cual implica que al dividirse los individuos continúan pegados, pasando a formar filamentos de hasta 80 μm de largo, por si esto fuese poco aumentan su número de flagelos a más de 1000. Una vez realizados estos y otros cambios, comienza la fase de migración a una velocidad de entre 10 y 15 μm por segundo. Cuando las bacterias se han alejado lo suficiente y están demasiado dispersas comienza la fase de consolidación, en la que frenan poco a poco su movimiento y vuelven a recuperar su antiguo aspecto separándose en bacilos cortos. En este punto las bacterias volverán a dividirse hasta ser un número suficiente que permita una nueva oleada, comenzando otra vez el ciclo. Movilidad por deslizamiento Muchos procariotas son móviles, aunque carecen de flagelos. Estas bacterias se mueven sobre superficies sólidas mediante un mecanismo de deslizamiento. La movilidad por deslizamiento se presenta con frecuencia en el dominio Bacteria pero sólo se ha estudiado con detalle en unos cuantos grupos. Este tipo de movimiento, que permite alcanzar desplazamientos de hasta 10 µm/s en algunas bacterias deslizantes, es más lento que el proporcionado por flagelos, pero permite a la célula moverse por su hábitat. Los procariotas que se mueven por deslizamiento suelen ser células filamentosas o bacilares y el proceso requiere que exista contacto entre las células y una superficie sólida. La morfología típica de las colonias de una bacteria deslizante es peculiar, dado que las células se mueven y se desplazan del centro de la colonia. Algunas de las bacterias deslizantes más conocidas son las cianobacterias filamentosas, algunas Bacteria Gram negativas como Myxococcus xanthus y otras mixobacterias, así como especies de Cytophaga y Flavobacterium. Mecanismo de la movilidad por deslizamiento Aunque no se han identificado por completo los mecanismos del deslizamiento se han propuesto modelos para el deslizamiento bacteriano y existen pruebas de que probablemente exista más de un mecanismo. En el caso de las cianobacterias, se sabe que las células secretan un polisacárido mucoso sobre la superficie externa de la célula a medida que se deslizan. Esta sustancia mucosa parece estar en contacto tanto con la superficie celular como con la superficie sólida por la que la célula se desplaza; a medida que el polisacárido se va adhiriendo a la superficie la célula se desplaza por tracción. Esta 5 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 hipótesis se apoya en la observación de que existen poros secretores de esta sustancia viscosa en la superficie de varias cianobacterias filamentosas. Sin embargo, parece claro que la secreción de este material mucoso no es el mecanismo de deslizamiento en el caso de bacterias deslizantes que no son fotótrofas. Por ejemplo, en el caso de Flavobacterium johnsoninae, el mecanismo responsable probablemente se deba al movimiento de proteínas de la superficie de la célula. En el modelo de F johnsoniae, existen proteínas específicas ancladas en la membrana citoplasmática y en la membrana externa que se piensa que impulsan a la célula hacia delante por un mecanismo del tipo de cadena continua. El movimiento de las proteínas de la membrana citoplasmática probablemente se deba a la energía liberada por la fuerza motriz de protones, y éstas a su vez transmiten de algún modo esta energía a las proteínas de la membrana externa dispuestas en la superficie a modo de “correa sin fin”. Se interpreta que el movimiento de dicha cadena sobre la superficie sólida empuja literalmente a la célula hacia delante. Movimiento por sacudidas La motilidad de contracción es una forma de motilidad bacteriana mediante la cual el microorganismo se arrastra sobre las superficies para moverse. Las sacudidas están mediadas por la actividad de filamentos similares a pelos llamados pili tipo IV que se extienden desde el exterior de la célula, se unen a los sustratos sólidos circundantes y se retraen, tirando de la célula hacia adelante de manera similar a la acción de un gancho de agarre. El nombre de la motilidad de contracción se deriva de los movimientos característicos desiguales e irregulares de las células individuales cuando se observan bajo el microscopio. Se ha observado en muchas especies bacterianas, pero está más estudiado en Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae y Myxococcus xanthus. Se ha demostrado que el movimiento activo mediado por el sistema de contracción es un componente importante de los mecanismos patogénicos de varias especies. El complejo pilus tipo IV consiste tanto en el pilus como en la maquinaria necesaria para su construcción y actividad motora. El filamento de pilus está compuesto en gran parte por la proteína PilA, con pilinas menores más poco comunes en la punta. Se cree que estos juegan un papel en el inicio de la construcción del pilus. En condiciones normales, las subunidades de pilina están dispuestas como una hélice con cinco subunidades en cada turno, pero las pili bajo tensión pueden estirar y reorganizar sus subunidades en una segunda configuración con alrededor de 1, 2 o 3 subunidades por giro. Tactismos Muchos procariotas son móviles y la movilidad supone una ventaja selectiva en ciertas condiciones. En la naturaleza, los procariotas se encuentran a menudo en presencia de gradientes de agentes físicos y químicos; los mecanismos de movilidad en las células han evolucionado para responder a estos gradientes de modo positivo o negativo, dirigiendo el movimiento de la célula hacia la molécula que actúa como señal, o en sentido contrario. Esos movimientos dirigidos se denominan taxias, y en los microorganismos existe una gran variedad de respuestas de dicho tipo. La quimiotaxis es la respuesta a agentes químicos, y la fototaxis es la respuesta a la luz; ambos son dos ejemplos conocidos de taxias sobre los que nos centraremos con más detalle. Quimiotaxis La quimiotaxis es un fenómeno que ha sido bastante bien estudiado en bacterias flageladas y, a nivel genético, se conocen los mecanismos por los que la maquinaria flagelar percibe la composición química del ambiente extracelular. Aquí nos referiremos únicamente a las bacterias flageladas. No obstante, algunas bacterias deslizantes también tienen movimientos quimiotácticos y fototácticos que, 6 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 en el caso concreto de las cianobacterias filamentosas, se conocen desde hace mucho tiempo. Por tanto, al igual que como las bacterias flageladas, las bacterias deslizantes también poseen la capacidad de dirigir su maquinaria de movilidad, aunque por mecanismos aún desconocidos. A diferencia de los organismos superiores, los procariotas son demasiado pequeños para captar la existencia de un gradiente a lo largo de su cuerpo. En vez de eso, al moverse deben comparar el estado físico o químico de su entorno con el que existía unos segundos antes. Dicho de otro modo, las bacterias son capaces de responder al gradiente temporal (más que al espacial) de las moléculas señalizadoras durante su movimiento. Los mecanismos moleculares de la quimiotaxia requieren proteínas sensoras que se sitúan en la membrana y que se denominan quimiorreceptores, capaces de captar el gradiente químico en función del tiempo y de interactuar con proteínas citoplasmáticas que condicionan la dirección de giro del motor flagelar. En definitiva, como la rotación del flagelo determina si la célula efectúa carreras o volteretas, la quimiotaxis puede considerarse como un sistema de respuesta sensorial que dirige la función flagelar y que se regula químicamente. Fototaxis Muchos microorganismos fototróficos se mueven hacia la luz, un proceso que se denomina fototaxis. La fototaxis tiene la ventaja de permitir que un microorganismo fototrófico se oriente adecuadamente para poder realizar una fotosíntesis más eficaz. Esto puede verse con facilidad si se hace incidir un espectro de luz a través de una preparación microscópica en un portaobjetos donde existen bacterias fototróficas móviles; las bacterias se acumulan en aquellas longitudes de onda en las que sus pigmentos fotosintéticos son capaces de captar la energía de la luz. Se han descubierto dos taxias distintas en los procariotas fototróficos. Una, denominada escotofobotaxis, que puede observarse sólo microscópicamente, se produce cuando una bacteria fototrófica se desplaza por azar fuera del campo de iluminación del microscopio hacia la oscuridad. La entrada en la zona de oscuridad afecta al estado energético de la célula, y esto determina que la célula realice una voltereta, invierta la dirección, y de nuevo se desplace en una carrera, volviendo así a entrar de nuevo en la luz. Además de la escotofobotaxis, los microorganismos fototróficos llevan a cabo la fototaxis propiamente dicha, es decir, un movimiento dirigido a favor de un gradiente de luz hacia zonas de intensidad luminosa creciente. Este fenómeno es similar a una quimiotaxis positiva, siendo el atrayente la luz. En algunas especies, tales como Rhodospirillum centenum, que es muy móvil, las colonias enteras muestran fototaxis desplazándose al unísono hacia la luz. Aunque todavía no se conocen los mecanismos moleculares de la fototaxis, parece evidente que algunos componentes del sistema de regulación que controla la quimiotaxis participan también en la fototaxis. En particular, en ambos casos intervienen las proteínas citoplásmicas que controlan la dirección de rotación de los flagelos. Esta evidencia proviene de los estudios realizados con mutantes de bacterias fototróficas deficientes en fototaxis; tales mutantes también son frecuentemente defectivos en quimiotaxis. El responsable de la orquestación de la respuesta fototáctica es un fotorreceptor, análogo al quimiorreceptor, pero capaz de detectar un gradiente de luz en vez de un gradiente químico. Se cree que el fotorreceptor interacciona de algún modo con las proteínas que controlan la rotación de los flagelos, a fin de mantener la célula en un movimiento de carrera si se encuentra desplazándose hacia una intensidad de luz creciente. 7 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 Otras taxias Una vez dilucidados los principios generales de los sistemas de respuesta sensorial, fundamentalmente a partir del estudio de la quimiotaxis, se están empezando a comprender ahora otras taxias en bacterias, como el movimiento de acercamiento o alejamiento al oxígeno (aerotaxia) o el de aproximación o huida de condiciones ambientales de elevada fuerza iónica (osmotaxis). En la mayoría de estos casos existe un mecanismo común: las células muestrean periódicamente su microambiente y procesan esta información a través de una vía de transducción de señales que controla la dirección de la rotación del flagelo. Esto puede considerarse como un tipo simple de respuestas sensoriales, y una base teórica para esclarecer los mecanismos moleculares de las taxias bacterianas es profundizar en el conocimiento de otras respuestas similares en organismos superiores, como por ejemplo la transmisión nerviosa. Sistemas reguladores de dos componentes Los procariotas regulan su metabolismo celular en respuesta a fluctuaciones ambientales como los cambios de temperatura, pH o concentración de nutrientes, incluso los cambios en el número de células presentes. Por tanto, debe haber mecanismos por los que las células reciben las señales del ambiente y las transmiten al objetivo específico que debe regularse. Algunas de estas señales son moléculas pequeñas que entran en la célula y funcionan como efectores. No obstante, en muchos casos la señal externa no se transmite directamente a la proteína reguladora, sino que es detectada por un sensor que la transmite al resto de la maquinaria reguladora mediante un proceso llamado transducción de señales. La mayoría de los sistemas de transducción de señales tienen dos partes, por lo que se llaman sistemas reguladores de dos componentes. Típicamente, estos sistemas incluyen dos proteínas diferentes: una proteína quinasa sensora especifica situada normalmente en la membrana citoplasmática, y una proteína reguladora de respuesta presente en el citoplasma. Una quinasa es una enzima que fosforila compuestos químicos, normalmente con fosfato procedente de ATP. Las quinasas sensoras detectan una señal del ambiente y se fosforilan a sí mismas (un proceso llamado autofosforilación) en un residuo específico de histidina. Por ello, las quinasas sensoras se llaman también histidina-quinasas. El grupo fosfato se transfiere después desde el sensor a otra proteína del interior de la célula, el regulador de respuesta, que es normalmente una proteína de unión al ADN que regula la transcripción, sea positiva o negativamente. Si la regulación es negativa, el regulador de respuesta fosforilado actúa como un represor que se une al ADN, bloqueando de ese modo la transcripción. Una vez que se desfosforila, el regulador de respuesta es liberado. Un sistema regulador equilibrado debe tener un bucle de retroalimentación, que es un modo de completar el circuito regulador y terminar la señal inicial. Esto deja el sistema listo para otro ciclo. Este bucle de retroalimentación implica la presencia de una fosfatasa, una enzima que elimina el grupo fosfato de la proteína reguladora de respuesta a velocidad constante. esta reacción es llevada a cabo por el propio regulador de respuesta, pero en algunos casos son necesarias proteínas independientes. Sin embargo, si la fosforilación se detiene por la reducida actividad de la quinasa sensora, la actividad de la fosfatasa acabará volviendo el regulador de respuesta a su estado completamente desfosforilado y se reiniciará el sistema. Regulación del movimiento flagelar Las proteínas sensoras se llaman proteínas quimiotácticas aceptoras de metilo (MCP). E. coli tiene 5 de estas proteínas diferentes y todas ellas son proteínas transmembrana y cada una es específica para determinados compuestos. Estas proteínas se unen a los atrayentes o a los repelentes directamente o, en algunos casos, indirectamente mediante interacciones con proteínas de unión periplasmáticas. La 8 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 unión de un atrayente o un repelente inicia una serie de interacciones con proteínas citoplasmáticas que al final afectarán a la rotación flagelar. Las MCP están en contacto con las proteínas citoplasmáticas CheA y CheW. CheA es una proteína sensora en la quimiotaxis. Cuando una MCP se une a un compuesto químico cambia su conformación y con la ayuda de CheW conduce a la auto- fosforilación de CheA para formar CheA-P. Los atrayentes disminuyen la velocidad de autofosforilación mientras que los repelentes la incrementan. A continuación, CheA-P pasa el fosfato a CheY; este es el regulador de respuesta que controla la rotación flagelar. CheA-P también puede transferir el fosfato a CheB que interviene en la adaptación. Control de la rotación flagelar. CheY es una proteína clave en el sistema, ya que gobierna la dirección de la rotación del flagelo. Recordemos que si la rotación del flagelo es el sentido antihorario la célula continuará desplazándose en carreras mientras que si el flagelo rota en sentido horario la célula comenzará a dar vuelcos. Cuando CheY está fosforilada, interacciona con el motor flagelar e induce la rotación del flagelo en el sentido horario lo que causa los vuelcos de la bacteria; si no está fosforilada, CheY no puede unirse al motor flagelar y el flagelo rotará en sentido antihorario; esto hace que la célula se desplace en carrera. Otra proteína, CheZ, desfosforila CheY y la devuelve a la forma que permite el desplazamiento directo en lugar de dar vuelcos. Como los repelentes aumentan el nivel de CheY-P provocan los vuelcos mientras que los atrayentes generarán un nivel más bajo de CheY-P y, por tanto, provocarán una natación suave. Adaptación. Una vez que un organismo ha respondido a un estímulo, debe detenerse y reiniciar el sistema sensor en espera de nuevos estímulos; esto se conoce como adaptación. Durante la adaptación del sistema de quimiotaxia un bucle de retroalimentación es el que reinicia el sistema. Esto depende del regulador de respuesta CheB. Como su nombre indica las MCP se pueden metilar. Cuando están completamente metiladas ya no responden a los atrayentes, pero son más sensibles a los repelentes. Por el contrario, cuando las MCP no están metiladas, responden muy bien a los atrayentes, pero son insensibles a los repelentes. Si la cantidad de atrayentes se mantiene alta, el nivel de autofosforilación de CheA se mantiene bajo. Esto provoca que CheY y CheB estén sin fosforilar y por tanto la célula nada suavemente. El nivel de metilación de las MCP aumenta durante este periodo porque CheB-P no está presente para desmentilarlas rápidamente. Sin embargo, las MCP dejan de responder al atrayente cuando están completamente metiladas. Por tanto, si la cantidad de atrayentes se mantiene alta pero constante, la célula empieza a dar vuelcos. Finalmente, CheB se fosforila y CheB-P desmetila las MCP. Esto reinicia los receptores y así pueden una vez más responder a nuevas variaciones en los niveles del atrayente. Por tanto, la célula deja de nadar si la concentración del atrayente se mantiene constante y sólo continuará nadando si encuentran niveles más elevados del atrayente. El curso de los acontecimientos es exactamente el contrario para los repelentes. Las MCP completamente metiladas responden mejor a un aumento en el gradiente de repelentes y envían una señal para que empiece el movimiento en vuelco de la célula. Esta, entonces, se mueve al azar mientras las MCP son desmetiladas lentamente. Con este mecanismo la quimiotaxis adquiere la capacidad de detectar pequeños cambios en la concentración de atrayentes y de repelentes a lo largo del tiempo. Percepción del quorum. Muchos procariotas responden ante la presencia en sus alrededores de otras células de la misma especie, y en algunos casos, las vías reguladoras están controladas por la densidad de células de su mismo tipo. Este es un fenómeno llamado percepción de quórum. 9 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 La percepción de quórum es un mecanismo por el cual las bacterias evalúan su densidad de población. Muchas bacterias lo usan para asegurarse de que hay la suficiente cantidad de células antes de iniciar una respuesta que requiera de una cierta densidad celular para surtir efecto. Por ejemplo, una bacteria patógena que secreta una toxina no tendrá efecto como célula individual; la producción de toxina por una sola célula sería un desperdicio de recursos. Sin embargo, si hay una población de células lo bastante alta, la expresión coordinada de la toxina puede iniciar la enfermedad con éxito y liberar recursos del hospedador que puedan ser usados por el patógeno. La percepción de quórum está muy extendida entre las bacterias gram negativas, pero también se da en las bacterias gran positivas. Todas las especies que utilizan la percepción de quórum sintetizan una molécula señal específica llamada autoinductor. Normalmente esta molécula se difunde libremente a través de la envoltura celular en las dos direcciones. Por tanto, el autoinductor alcanza una alta concentración en el interior de la célula solo si hay muchas células cerca, cada una sintetizando el mismo autoinductor. En el interior de la célula, el autoinductor se une a una proteína activadora transcripciónal específica o a una quinasa sensora de un sistema de dos componentes y, de este modo, activa la transcripción de genes específicos. Aunque existen diferentes clases de autoinductores los primeros que se identificaron fueron las acil homoserina lactonas (AHL). Se han encontrado varias AHL diferentes con grupos acilo de distintas longitudes en diferentes especies bacteriana. Además, muchas bacterias gran negativas sintetizan el autoinductor 2 qué parece ser utilizado como un autoinductor común entre muchas especies de bacterias. Las bacterias gran positivas usan generalmente determinados péptidos cortos como autoinductores. La percepción de quórum se descubrió como el mecanismo para regular la emisión de luz en las bacterias bioluminiscentes. La luz es generada por la actividad de una enzima llamada luciferasa. Los operones luz, que codifican las proteínas necesarias para la bioluminiscencia, están bajo el control de la proteína activadora LuxR y son inducidas cuando la concentración de la AHL específica, la N- 3oxohexanocilhomoserina lactona, es suficientemente alta. Está AHL es sintetizada por la enzima codificada por el gen Lux1. La percepción de quórum también se da en los eucariotas microbianos; por ejemplo, en la levadura S. cerevisiae, se producen alcoholes aromáticos específicos como autoinductores que controla la transición entre el crecimiento de S. cerevisiae como células individuales y como filamentos alargados. Se han encontrado transiciones semejantes en otros hongos coma algunos de los cuales causan enfermedades en los humanos. Un ejemplo es Candida, cuya percepción de quórum está mediada por el alcohol de cadena larga farnesol. El aumento de la concentración de farnesol en este hongo dimórfico impide la transición entre la forma de levadura formadora de gemas y la forma de hifas alargadas. Formación de biofilms. El biofilm estructuralmente está constituido por tres componentes: la masa de células la cual puede estar formada por una sola especie o por múltiples especies microbiológicas, los espacios intercelulares o canales, los cuales se han comparado con el sistema circulatorio de organismos superiores y la matriz extracelular que lo rodea compuesta por una mezcla de exopolisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos y otras sustancias. El componente mejor estudiado es el exopolisacarido. Muchas bacterias son capaces de producir exopolisacáridos o excreciones celulares que rodean los ambientes. Es posible que el exopolisacarido juegue varios papeles en la estructura y función del biofilm o que los exopolisacáridos tengan un papel diferente en comunidades microbiológicas similares bajo condiciones ambientales diferentes. Entre 10 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 los beneficios atribuidos a los exopolisacáridos como parte integral de la estructura organizacional destaca el que actúan como un mecanismo de concentración de nutrientes, pero el mecanismo como tal por el cual desarrollan esta actividad es desconocido; previenen el acceso de ciertos agentes antimicrobianos o restringen la difusión de los componentes al interior del biofilm, contienen metales, aniones, cationes y toxinas que pueden ser la clave para la transferencia de estos al ecosistema y actúan como protectores de una gran variedad de condiciones de stress ambiental como rayos ultravioleta, cambios de pH, shock osmótico y desecación. El biofilm puede tener diferentes formas dependiendo de las condiciones ambientales bajo las cuales se forma. Las propiedades superficiales e intersuperficiales, los nutrientes disponibles, el tipo de bacterias que conforman la comunidad microbiana y la hidrodinámica forman parte de las numerosas condiciones que lo pueden afectar. Los biofilms que crecen bajo corrientes terminales se observan poco uniformes y están constituidos por células redondas, irregulares, agregados separados por espacios intersticiales; los que crecen bajo corrientes turbulentas se observan disparejos, elongados, en serpentina y oscilan en la mayor parte del fluido y el biofilm estratificado y compacto crece sobre los dientes. La biología microbiana afecta estructuralmente al biofilm ya que la población de células que en él se encuentran presenta diferentes tasas de crecimiento, lo cual se refleja en la heterogenicidad de los micronichos. El manejo de la disponibilidad de nutrientes es diferente según la localización que tengan las células dentro de la comunidad, las que se encuentran más cerca de la microcolonia, se desempeñan mejor en el manejo de tensión baja de oxígeno. En los biofilms que están formados por múltiples especies, puede resultar una asociación entre organismos metabólicamente cooperativos y la proximidad interespecies, facilita el cambio de sustratos y la distribución de productos metabólicos, la síntesis de moléculas como la acil-homoserina lactonas contribuye a la estructura tridimensional de éste. La cercanía entre las células facilita la transferencia horizontal de genes, plásmidos o fagos, lo cual es importante para favorecer la diversidad genética de las comunidades microbianas naturales. La donación es el mecanismo más usado para la transferencia, los virus pueden causar lisis bacteriana de ahí que los fagos contribuyen a estructurar y reestructurar las comunidades. Regulación de la formación del biofilm Numerosas señales, incluida la comunicación intercelular, provocan en las bacterias la transición desde vivir libremente suspendidas en un medio líquido a vivir en una matriz semisólida llamada biofilm. Pseudomonas aeruginosa forma biofilms mediante la producción de polisacáridos específicos qué hacen que aumente su patogenicidad e impide la penetración de los antibióticos. La percepción del quórum induce la expresión de un subgrupo de genes necesarios para la formación del biofilm; las células de P. aeruginosa poseen dos sistemas de percepción de quórum separados: Las y Rhn. Mientras el número de células se incrementa estos sistemas responden a AHL específica y activan la transcripción de genes que codifican la síntesis de exopolisacáridos a medida que aumenta el número de células. La señalización intracelular también interviene en la formación de biofilms. En P. aeruginosa uno de los mensajeros secundarios importantes en la arquitectura del biofilms es el monofosfato de di- guanosina cíclico que es nucleótido regulador. Aunque los nucleótidos reguladores desempeñan una función importante en todos los dominios de la vida el anterior solo es producido por los procariotas. De hecho, los genomas procariotaticos codifican varias proteínas que sintetizan y metabolizan di-GMP cíclico. La síntesis o degradación de este nucleótido regulador depende tanto de señales ambientales como de la propia célula y su síntesis conlleva numerosos cambios fisiológicos y la expresión de genes 11 Profesor: José Juan Mateo Tolosa Microbiología. Grado BCB Tema 4 de virulencia. Las proteínas efectoras que unen di-GMP cíclico participan en diferentes actividades como producción de exopolisacárido, regulación de transcripción y localización de las proteínas. El di-GMP cíclico también une moléculas pequeñas de tipo ARN regulador conocido como riboregulador o interruptor de ARN. En muchas bacterias la formación del biofilm es inducida por la acumulación de di-GMP cíclico en la célula. En P. aeruginosa, un productor importante de biofilms, la síntesis de un exopolisacárido llamado Pel ayuda a la formación del biofilm. Dicho polisacárido es producido por la proteína receptora de di-GMP cíclico PelD y funciona como armazón principal para la comunidad bacteriana y como mecanismo de resistencia a los antibióticos. Igualmente, la expresión de los genes para la biosíntesis del flagelo en P. aeruginosa está bajo control positivo por la proteína de unión a di- GMP cíclico FleQ. Los flagelos ayudan a formar las uniones de las células de P. aeruginosa durante las etapas iniciales de formación del biofilm. 12 Profesor: José Juan Mateo Tolosa