Paredes bacterianas Paredes bacterianas Cubierta rígida que rodea al protoplasma y la protege de las fuerzas osmóticas ‐Estructura exclusiva presente en la mayoría de de l b las bacterias: i A excepción de: • Mycoplasma que poseen solamente membrana celular • las formas L derivadas de bacterias que perdieron su habilidad de sintetizar su pared celular • Planctomyces tienen pared proteica • Thermoplasma (arquea) PG Espacio periplásmico Al microscopio electrónico se puede observar como una capa en íntimo contacto con la membrana citoplasmática, con un espesor que oscila entre 10 y 80 nm (según especies oscila entre 10 y 80 nm (según especies Membrana externa Diferentes tipos de paredes celulares Diferentes tipos de paredes celulares Paredes de eubacterias Paredes de eubacterias componente común: Peptidoglicano Dos tipos: Pared o Matriz de bacterias Gram‐positivas Polímeros que constituyen hasta el 60% de la pared Pared de Gram‐negativas Membrana externa Espacio periplásmico Paredes de arqueas Tinción de Gram Christian Gram, 1884 Diferencia de comportamiento frente a los colorantes Se correlaciona con Diferencia estructural Paredes de las eubacterias Paredes de las eubacterias Peptidoglicano Peptidoglicano Envoltura celular • Membrana plasmática + pared celular + pared celular (+ la (+ la membrana membrana externa)) externa • Pared Pared celular celular – peptidoglicano – estructuras asociadas Peptidoglucano: composición química Peptidoglucano: composición química Repeticiones (n=10‐100) de una unidad disacarídica unida a su vez a un disacarídica, unida a su vez a un tetrapéptido Distintas cadenas de PG se unen entre sí por determinados enlaces peptídicos entre tetrapéptidos de cadenas diferentes Peptidoglicano: composición química La unidad disacarídica que se repite es: N‐acetilglucosamina (NAG)... ...unida por enlace β(14) con... nida por enlace β(14) con ... N‐acetilmurámico (NAM) Las distintas unidades disacarídicas se unen entre s ed a te e aces β( sí mediante enlaces β(1—4) ) Este enlace puede ser roto por la lisozima Peptidoglicano NAc‐Glucosamina NAc‐Murámico La cadena tetrapeptídica sale desde el grupo – COOH del lactilo de cada NAM y suele ser: L‐ala D‐glu m‐DAP D‐ala Alternancia de aminoácidos D y L L‐alanina l D‐glutámico M Meso‐diaminopimélico di i i éli ( Lys ( L en Gram G +)) D‐alanina D amino ácidos y meso DAP no están presentes D‐amino ácidos y meso‐DAP no están presentes en proteínas Peptidoglucano: estructura global Las distintas cadenas lineales de PG (cada una con Las distintas cadenas lineales de PG (cada una con n repeticiones del disacárido y sus tetrapéptidos) se unen entre sí por enlaces peptídicos se unen entre sí por enlaces peptídicos Frecuentemente enlace entre el ε‐NH2 del m‐DAP ( )y (3) y el –COOH de D‐ala (4) ( ) La estructura global es una sola macromolécula gigante que forma un sáculo rígido alrededor del protoplasto bacteriano Existen diferencias entre Gram (+) y Gram (‐) Organización del PG Fig. 1 Electron micrograph of a sacculus from a dividing E. coli cell (left side). The black dots are 6‐nm gold particles used to visualize an anti‐murein anti murein antibody bound to the sacculus. Bar, 1 antibody bound to the sacculus Bar 1 μm. μm The right side The right side shows a model of the murein layer in a section of approximately 30 × 30 nm. The glycan strands (zigzag lines) are running perpendicular to the long axis, and the peptides (thin lines) are running in the g , p p ( ) g direction of the long axis of the sacculus. The smallest hexagonal unit is termed ‘tessera’. El PG de bacterias Gram‐negativas Normalmente: 1 o unas pocas capas de PG En el enlace que se da entre tetrapéptidos, participan solamente el 50% de ellos.Las distintas cadenas se unen por solamente el 50% de ellos. Las distintas cadenas se unen por enlaces peptídicos directos entre el grupo ε‐NH2 del m‐DAP (3) de una cadena con el –COOH de la D‐ala (4) de otra cadena El resultado: capa simple de PG (de 1 nm de espesor) A modo de malla floja,con grandes poros (zonas donde no hay enlaces peptídicos). En el gram: El alcohol acetona produce una deshidratación que tiende a contraer la estructura del PG, pero los poros son grandes la violeta sale y la bacteria se tiñe con el colorante de contraste (Fucsina o safranina) Desde el punto de vista estructural, el peptidoglucano de Desde el punto de vista estructural el peptidoglucano de Gram‐positivas se caracteriza por la existencia de múltiples capas, existiendo entrecruzamientos tanto entre cadenas adyacentes en el mismo nivel como entre niveles distintos. El resultado es una red tridimensional gruesa (hasta 50 capas en algunos Bacillus), y más compacta que en Gram‐negativas. algunos Bacillus), y más compacta que en Gram negativas. De De todas formas, el grado de compacidad varía entre especies, y depende de: ∙nº de NAM que contengan tetrapétidos que participen en ∙nº de NAM que contengan tetrapétidos que participen en entrecruzamientos; ∙ longitud del puente peptídico Ello condiciona a su vez la intensidad de la gram‐positividad en la tinción de Gram. Tetrapéptidos no entrecruzados Estructura global del Estructura global del PG de bacterias Gram‐ de bacterias Gram‐ positivas o o Múltiples capas de PG (distintos niveles, hasta 50 en especies de Bacillus) Existe entrecruzamientos tanto entre cadenas adyacentes en el mismo nivel como entre niveles distintos. Resultado: Red tridimensional gruesa y más compacta que g y p q en Gram (‐) El grado de compacidad varía entre especies, y depende de: número de NAM que contengan tetrapétidos ú d NAM t t t étid que participen en ti i entrecruzamientos longitud del puente peptídico Ello condiciona a su vez la intensidad de la gram‐positividad en la tinción de Gram. Entrecruzamientos en el peptidoglucano Directo (muchas Gram negativas) Gram-negativas) Puente ppentaglicina g ((algunas g Gram positivas Algunas variantes de PG en Gram‐positivas Muchas Gram+ poseen en (3): L‐DAP L DAP L‐DAB (diaminobutírico) L‐lisina L li i L‐homoserina L‐ornitina Algunas variantes de PG en Gram‐positivas Modalidades de uniones interpeptídicas: Enlace directo D‐ala (4)‐diamoácido(3) Enlace D‐ala(4)‐X‐diaminoácido(3), siendo X: 1 solo aa: L‐ala Un péptido corto: Un péptido corto: L‐ala‐L‐ala L‐ala‐L‐ala‐L‐ala Puente de pentaglicina p g ((Gly‐ y Gly‐ y Gly‐ y Gly‐ y Gly) y) Enlace D‐ala‐(mismo tetrapéptido)‐diaminoácido Enlace D‐ala(4) – D‐glu(2) mediante péptido con un diaminoácido (D‐lys, D‐ornitina) (D lys D ornitina) Algunas variantes de PG en Gram‐positivas En Corineformes: El –CO‐ El CO en α del D‐Glu(2) puede estar amidado en α del D Glu(2) puede estar amidado (CO‐NH‐) o unido a gly El aa(1) puede se Gly o Ser El aa(1) puede se Gly o Ser El –OH en 6 del NAM puede estar acetilado el PG de estas bacterias resiste la lisozima el PG de estas bacterias resiste la lisozima Función del peptidoglicano Esta estructura confiere una serie de importantes propiedades: 1)Gran rigidez, que contrarresta las fuerzas osmóticas a que está sometido el protoplasto . Esta rigidez depende de: sometido el protoplasto Esta rigidez depende de: a)el grado de entrecruzamiento; b)el hecho de que el enlace ß(1‐ 4) es muy compacto. c)la alternancia en el tetrapéptido, de aminoácidos en configuraciones D y L ) p p , g y supone una p factor adicional que confiere aún más fuerza estructural, y facilita la formación de puentes de H. ) p , p 2)Al mismo tiempo, la estructura permite una notable flexibilidad. (dada por las cadenas peptídicas) Ello colabora, junto con su rigidez, a soportar variaciones amplias de la tensión osmótica del protoplasto. 3)Condiciona la forma celular Aunque la química del PG por sí 3)Condiciona la forma celular. Aunque la química del PG, por sí misma, no determina la forma, es su disposición espacial la responsable principal de esta forma. Función del peptidoglicano Estructura global de la pared de eubacterias Membrana b Externa Mureína Membrana Membrana citoplasmática Gram positiva Gram negativa La pared celular de las Gram‐positivas El PG de Gram‐positivas está inmerso en una matriz aniónica (hasta 60%) de matriz aniónica (hasta 60%) de polímeros : polímeros : Ácidos teicoicos: Ácidos teicurónicos Ácidos lipoteicoicos: Pared de Gram positivas La matriz de la pared celular de las Gram‐ positivas Ác. teicoicos Ácidos teicurónicos: Ciertas bacterias Gram‐positivas, cuando se someten a un régimen de limitación de fosfato son incapaces de sintetizar ácidos teicoicos, pero en su lugar producen ácidos teicurónicos. Los teicurónicos consisten en polímeros aniónicos formados por la alternancia de ácidos urónicos (que tienen grupos ‐COOH libres) y aminozúcares como la N‐acetil‐ galactosamina. Ácidos lipoteicoicos: Están presentes en todas las bacterias Gram‐positivas, aun en condiciones de carencia de fosfato. Se trata simplemente de ácidos glicerol‐teicoicos que se encuentran unidos a la membrana citoplásmica, concretamente se unen por enlace fosfodiéster con glucolípidos de membrana, mientras que el otro extremo de la cadena queda expuesto al exterior. Ác. lipoteicoicos Peptidoglicano Ácidos teicoicos y lipoteicoico Ácidos teicoicos y lipoteicoico Ácidos teicoicos • Presentes en muchas bacterias Gram+, pero no en todas. • Son polímeros de glicerol‐fosfato o ribitol‐fosfato Son polímeros de glicerol fosfato o ribitol fosfato , con –OH con –OH sustituidos por –H, azúcares, aminoazúcares o D‐ala • Pueden ser de hasta 30 unidades. • Están unidos covalentemente al peptidoglicano • Es variable según las especies • No se sintetizan en limitación de fosfato • limitación de fosfato se sintetizan ácidos teicurónicos (ATU) • Los ATU son polisacáridos aniónicos, acidicos L ATU li á id ió i idi f formados por la d l alternancia de ácidos urónicos y otros azúcares Ácidos teicoicos estructura Polímero de ribitol fosfato Polímero de glicerol glicerol fosfato Se unen a través de azucares variables al PG Ácidos teicoicos Peptidoglicano Ácidos teicuronicos Ácidos teicuronicos Ácido glucurónico g Peptidoglicano Ácidos lipoteicoicos (LTA) Ácidos lipoteicoicos • • • • • • • Presentes en todas las bacterias Gram + Generalmente, son ácidos glicerol‐ t i i teicoicos Se encuentran unidos a la membrana citoplásmica.* Unidos a la membrana por enlace Unidos a la membrana por enlace fosfodiester con glicerol Su extremo terminal queda expuesto al e te o exterior Suministran especificidad antigénica Pueden actuar como adhesinas Glicerol de PL Acidos lipoteicoicos p Glicerol Ác. grasos Otros componentes de Gram positivas Polisacáridos neutros Otros glicolípidos Lípidos cerosos de Mycobactyerium Lípidos cerosos de Mycobactyerium Funciones de los polímeros de la matriz • Suministrar una carga neta (‐) a la PC • Para que? – Captar cationes (Mg++) que participan en actividades enzimáticas (morfogénesis y división de la PC) enzimáticas (morfogénesis y división de la PC) • Son buenos antígenos: Ag somático O de las bacterias Gram‐ positivas. • En algunas bacterias actúan como receptores específicos para la E l b t i tú t ífi l adsorción de ciertos bacteriófagos. • Regulan las autolisinas de la pared ( agujeros en la pared que permiten la inserción de PG • LTA ancla la pared a la membrana celular, algunas veces es secretado y actúa como adhesina y Pared de las bacterias ácido‐alcohol Pared de las bacterias ácido‐alcohol resistentes (AAR) • Son una variante de la pared de grampositivas d l dd • Pared celular muy compleja con abundantes lí id lípidos. • No se tiñen bien con el colorante de Gram • Composición química: – Peptidoglucano especial (la diferencia NAM por N‐glucolil‐murámico) á ) – un arabinogalactano de gran peso molecular. – ácidos micólicos á id i óli – Lípidos superficiales Pared de las bacterias ácido‐alcohol Pared de las bacterias ácido‐alcohol resistentes (AAR) Pared especial de ciertas Gram‐positivas: Nocardia, Mycobacterium ( tuberculosis, Nocardia, Mycobacterium ( tuberculosis, lepra), corineformes Resisten la decoloración con clorhídrico Resisten la decoloración con clorhídrico‐ etanol ( ácido‐alcohol resistentes) Esta propiedad deriva de: Esta propiedad deriva de: Ácidos micólicos Glucolípidos p Ceras Coloración de Ziehl Neelsen Pared de AAR El peptidoglucano, sustituye el ácido N‐acetilmurámico por N‐glucolilmurámico N glucolilmurámico y se encuentra relacionado por enlaces y se encuentra relacionado por enlaces fosfodiéster con un arabinolactano. Este esqueleto está unido, además, por enlaces co alentes por enlaces covalentes con los ácidos micólicos, es decir, l a pared celular está compuesta de peptidoglucano + arabinolactano + ácidos micólicos y lípidos: glucolípidos o ceras. Glicolipido micolato +trealosa trealosa :factor factor :factor factor de crecimiento en de crecimiento en cuerda ..crece formando cordones minúsculos Ácidos micólicos Ácidos micólicos Son ß‐hidroxiácidos grasos ramificados en α, de cadena muy larga (hasta 91 C) cadena muy larga (hasta 91 C) Forman parte de un esqueleto muy peculiar de la p pared celular: Están en la parte externa de la pared y pueden estar esterificados a otro polisacárido arabinogalactano ( arabinosa+galactosa o trealosa) PGarabinogalactanoácidos micólicos Pared de AAR Otros lípidos de en la pared de bacterias AAR • Micolatos de trehalosa: Constituyen el llamado factor de crecimiento en cuerdas (cord i i t d ( d factor) f t ) responsables de la bl d l agregación de las bacterias en forma de “cuerdas” (factor de virulencia) • Sulfolípidos de trehalosa: Importantes factores de virulencia. En M t b M. tuberculosis l i funcionan como evasinas f i i ( d l (evade la acción de los ió d l MØ inhibiendo la formación del fagolisosoma) • Micósidos: Factores de virulencia • Ceras: Unión de ácidos micólicos con ftioceroles Papeles conferidos por la pared AAR p p p Aspecto y consistencia cérea de las colonias en A t it i é d l l i placas de Petri Forma de serpentina ( factor cordón) Forma de serpentina ( factor cordón) En líquidos crecen formando grumos G Gran impermeabilidad i bilid d Resistencia a desecación Resistencia a agentes antibacterianos Resistencia a agentes antibacterianos Detergentes Oxidantes Ácidos y bases Paredes de eubacterias Gram negativas g Pared de Gram negativas LPS La pared celular de Gram‐negativas Estructuralmente más compleja que Gram‐ Estructuralmente más compleja que Gram‐ positivas capa delgada de PG capa delgada de PG inmerso en un compartimento inmerso en un compartimento llamado ... ... espacio periplásmico espacio periplásmico el cual a su vez limita con ... el cual a su vez limita con ... la membrana externa (ME) ‐LPS LPS ‐Fosfolipidos ‐Proteínas ( Porinas) P t í (P i ) Membrana Externa (ME) La ME de bacterias Gram‐negativas La ME de bacterias Gram negativas Bicapa proteolípídica í í muy asimética: é En la lámina externa: 60% de proteínas %d í 40% de lipopolisacárido LPS (exclusivo de Gram‐)) (exclusivo de Gram En la lámina interna: No hay lipopolisacárido Existen Fosfolípidos (=MI) Lipoproteínas Lipoproteínas Otras proteínas Composición del lipopolisacárido (LPS) Composición del lipopolisacárido Región proximal: Lípido A (hidrófobo) Región intermedia: oligosacárido R ió i t di li á id central o t l “core” Región distal: cadena lateral específica, polisacarídica (hidrófila)repeticiones deazúcares llamada: Antígeno somático “O” de bacterias Gram‐negativas Estructura del LPS Otra imagen de la composición y estructura del LPS. A la derecha, modelo tridimensional. De todas estas regiones del LPS la única indispensable para la viabilidad es el lípido A. Los mutantes incapaces de sintetizar las cadenas laterales o el oligosacárido medular sintetizar las cadenas laterales o el oligosacárido medular dan colonias rugosas y están afectados en distintas propiedades biológicas, pero pueden sobrevivir. Prescot, 1999 El lipopolisacárido Unidad repetitiva de la cadena lateral Núcleo externo A.G. saturados (C-14): betahidroximirístico Núcleo interno Glucosaminaß(16)glucosamina, con –OH en 1 sustituido con –Petanolamina KDO GluN Lípido A Disacárido de glucosamina ‐OH ácidos Endotoxina P Papeles y funciones del LPS l f i d l LPS Papel estr ct ral lípido A contiene SFA Papel estructural: lípido A contiene SFA Las cadenas laterales interacciones covalentes Menor fluidez de esta membrana Más resistente a detergentes y solventes Más resistente a detergentes y solventes menos permeable a moléculas hidrofóbicas (Ej.: resisten mejor muchos antibióticos) Antígeno somático “O” bacterias Gram‐negativas Condiciona virulencia en bacterias patógenas Condiciona virulencia en bacterias patógenas Se une a cationes Mg, Zn Si añadimos agente quelante, como EDTA desorganización de la membrana externa Papeles y funciones del LPS p y Región del lípido A: endotoxina Papel positivo: El macrófago reconoce el LPS, y libera citoquinas El macrófago reconoce el LPS y libera citoquinas activa el sistema inmune Papel negativo: A veces, el sistema inmune se activa “en exceso” por el LPS, dando síntomas patológicos Inducción de fiebre (pirogenicidad) (p g ) Hipotensión, a veces con fallo cardiaco Actividad necrótica en tejidos La lipoproteína de Braun (LPP) La lipoproteína de Braun (LPP) Su parte proteica (7‐2 kDa) está inmersa en el espacio periplásmico, formando trímeros Su aa. N‐terminal es una cys Su –SH se une por tioéter a un diglicérido de la lámina interna de la membr. ext. S NH Su –NH se une por amido id a A‐G. AG Su aa. C‐terminal es una lys Se une por su –NH con el –COOH libre del m‐DAP del Se une por su NH con el COOH libre del m DAP del PG anclaje firme entre LPP y PG Porción embebida en la ME Porción embebida en la ME Interacción hidrofobica Se une al PG Papeles y funciones de las li lipoproteínas í Rol estructural : Estabiliza la envoltura de gram negativas Mantiene unida la ME a la superficie celular Es una proteína muy abundante Imagen general de las envueltas de una bacteria Gram‐ negativa. Observa la estructura general de la pared celular: Observa la estructura general de la pared celular: • el espacio periplásmico contiene el PG, el cual se une covalentemente con la lipoproteína de Braun, que a su vez contacta con la lámina interna de la membrana externa • la membrana externa es una bicapa proteolipídica muy asimétrica: • su lámina externa contiene el LPS (observa las cadenas laterales proyectadas hacia el exterior) laterales proyectadas hacia el exterior) • atravesando la membrana externa hay varios tipos de proteínas, incluyendo los trímeros de porinas, con sus correspondientes canales internos, que solo dejan pasar moléculas hidrófilas por debajo de cierto tamaño moléculas hidrófilas por debajo de cierto tamaño Proteínas de la membrana externa Porinas: Canales pequeños no específicos que permiten el Porinas: Canales pequeños no específicos que permiten el paso de moléculas hidrofílicas Forman trímeros, con canales interiores que atraviesan la membrana externa b Solo dejan pasar moléculas por debajo de cierto tamaño ( (<500‐700 Da) ) En enterobacterias: protección frente a sales biliares Otras proteínas son canales específicos: Para vitamina B12 P i i B12 (BtuB) (B B) Para quelatos de Fe Para ciertos nutrientes Para ciertos nutrientes LamB canales de maltosas y maltodextrinas Las porinas Porinas mayoritarias OmpF: poro grande p p g OmpC: poro chico PhoE OmpC O C y OmpF O F están presentes tá t siempre OmpC/OmpF / aumenta cuando aumenta d La osmolaridad La temperatura PhoE solo se induce en condiciones de Limitación de fosfatos y otros aniones Las porinas OmpF Porina Tamaño del canal OmpF OmpC Peso molecular Expresión a baja osmolaridad Expresión a alta osmolaridad 0.58 nm radius 38,306 Da alta reprimida, muy baja 0.54 nm radius 37,083 Da Muy baja alta Papeles y funciones de la membrana externa Tamiz molecular Permite el paso de moléculas relativamente Permite el paso de moléculas relativamente pequeñas protección frente a agentes antibacterianos protección frente a agentes antibacterianos Colorantes Antibióticos Antibióticos Enzimas (ej.: lisozima) Ácidos biliares Papeles y funciones de la membrana externa l f i d l b Condiciona propiedades de superficie: Grado de humedad Grado de humedad Adhesividad Carga eléctrica g Lugar donde se fijan las proteínas del sistema defensivo Complemento del hospedador Lugares de adsorción de ciertos fagos El El espacio periplásmico i i lá i (periplasma) ( i l ) Compartimento acuoso, contiene proteínas, sales, C ti t ti t í l oligosacáridos y peptidoglicano. Estos últimos existen en forma hidratada formando un gel existen en forma hidratada formando un gel. Compartimiento con actividades epecializadas RNasas y fosfatasas y fosfatasas Proteínas de transporte de ciertos nutrientes Proteínas de unión a señales químicas q Enzimas hidrolíticas proteínas de transporte de electrones Proteína TonB Función de osmoregulación :MDO (membrane derivate oligosaccharide) Sistemas de secreción de proteínas en bacterias Paredes de las arqueas Paredes de las arqueas En muchos casos, la función de P.C. la ejerce la capa S paracristalina, a base de subunidades de (gluco)proteínas En Methanosarcina y Halococcus: capa S rodeada de metanocondroitina (heteropolisacárido) En Metanobacteriales: pseudomureína: p Unidades repetitivas de NAGß(1‐3)NAT (N‐acetil‐ talosaminourónico) Del grupo –NH del NAT sale un tetrapéptido, con Del grupo NH del NAT sale un tetrapéptido con aminoácidos de la serie L Cadenas se entrecruzan por puentes peptídicos entre aa(4) de una y di‐aa(3) de otra ( ) ( ) ∙ Finalmente, los miembros del orden Methanobacteriales poseen una pared de pseudomureína, un extraño peptidoglucano no basado en NAM. Consiste en un esqueleto de unidades repetitivas de NAG unidas por enlace ß(1à3) con N‐acetil‐talosaminourónico (NAT, un azúcar exclusivo de estos organismos). El grupo ‐NH2 del NAT va unido a su vez con un tetrapéptido, pero en éste sólo participan aminoácidos de la serie L. Al igual que en la mureína de las eubacterias, las d e sas cade as se u e e e s po e aces pep d cos diversas cadenas se unen entre sí por enlaces peptídicos entre el aminoácido terminal (4) de un tetrapéptido y el diaminoácido (3) de otra cadena. Paredes de las arqueas Paredes de las arqueas Aunque las arqueas pueden comportarse como Gram‐positivas o como Gram‐ negativas, no se suele aludir a esto en este dominio de procariotas, ya que sus paredes tienen poco que ver con las de eubacterias Bacterias sin pared • Son bacterias pequeñas Son bacterias pequeñas • Características – – – – – Pleomórficas Gran plasticidad Afinidad por las membranas celulares Sensibilidad a la lisis osmótica Resistencia a los AB que actúan sobre la pared • Existen como bacterias sin pared (Micoplasmas) o como bacterias que han perdido su pared (formas L, protoplastos t l t o esferoplastos.) f l t )