Teórico 7 Apendicesy estructuras superficiales

Unidad 3: Estructura celular bacteriana.
Apéndices de superficie: pili y flagelos.
Polisacáridos, Cápsula.
Bibliografía General
Biología de los microorganismos. BROCK, MADIGAN, MARTINKO,
PARKER. 13ra Edición (2012) y 12 en castellano
The Physiology and Biochemistry of Prokaryotes by David White, James
Drummond and Clay Fuqua ( 2011)
Structural and functional relationship in bacteria. Larry Barton 2005
Apéndices
Flagelos (swimming y swarming)
Estructura y composición química y ensamblaje
Movimiento flagelar (bacterias y arqueas)
Las taxias , quimiotaxis y su base molecular
Bacterias flageladas dispersivas (swarming)
Flagelos periplásmicos de espiroquetas
Movimiento no flagelar
Fimbrias (adhesión)
Pilis ( sexualidad)
Prostecas
Tallos o pedúnculos
Formas de movimiento de bacterias
•por flagelos provistos de un motor
rotatorio (swiming o swarming)
• nanomotores: Nado sin flagelos en medio
líquido
•por deslizamiento ( gliding)
o con pili tipoIV, (sacudidas o
contracciones)
o por secreción de sustancias mucosas
o otras estructuras motoras
Flagelo bacteriano
“Órganela” de locomoción
que sobresale de la sup.
bacteriana
Permite nadar en medio
líquido o en nadar en grupo
en superficie solida húmeda
Permite explorar el medio
ambiente
Alto Costo energético,
funciona con la fuerza
motora de protones o con
iones de sodio
Características del flagelo
Filamentos delgados y largos (3-20 µm de largo y 14-20
nm de grosor
Libres en un extremo y unidos a la célula en el otro.
Solo visualizados por técnicas de tinción específicas o
microscopia electrónica
Están codificados por alrededor de 50 genes fla, fli, flg,
mot
Pueden rotar en sentido contrario a las agujas del reloj
dirigidos por un motor localizado en la base del mismo
( 18,000-100,000 rpm/min)
No son vitales para la célula
Distribución de los flagelos. Interés taxonómico
Lofotrico y polar
Dos o mas flagelos en un polo
Monótrico y polar
Perítricos
Flagelos localización y número
Estructura
Filamento
Gancho o codo
Cuerpo basal
Filamento
Flagelina constituye el Antígeno H
Parte visible a microscopía óptica. Es un cilindro hueco heloicoidal constituído por
subunidades de flagelina ordenadas de forma helicoidal a lo largo de un tubo axial.
Cuando rota actúa como propulsor, el movimiento esta proporcionado por el motor del
cuerpo basal (filamento es equivalente a hélice de un barco).
La flagelina puede cambiar de estructura- Variación de fase-
Gancho o codo
·Estructura curva de 80 nm de
longitud y 22 nm de ancho.
·Esta formado de subunidades de
una sola proteína FlgE
·Conecta al cuerpo basal con el
filamento de flagelina
Baston o cilindro axial
Cuerpo basal : ancla y motor
Ancla el flagelo a la célula
Está relacionado con la función del
motor rotatorio y del conmutador
(cambio del sentido de giro
Alberga el aparato para la secreción y
correcto ensamblaje de la mayor
parte del flagelo
Cuerpo basal y motor del flagelo
Sistema de secreción tipo III
Diferencias entre G(+) y G (-)
El flagelo se encuentra anclado en la membrana citoplasmática y la pared celular.
el cuerpo basal esta formado esencialmente por dos pares de discos o anillos, el par externo
(anillo L y anillo P) se encuentra a la altura de la pared y membrana externa atravesados por un
cilindro. Cada letra hace referencia al sitio de localización del anillo
Centro fijo y control de dirección de rotación
Anillo L
Cepillos
G
FliG
FliM
FliN
M
N
FliG
Movimiento flagelar
El movimiento es impulsado desde el
cuerpo basal
La E es la fuerza protón motriz
Los protones fluyen a través de canales
Fuerzas electrostáticas que interaccionan
con cargas de proteínas del rotor
Anillo C de conmutador
Tres tipos de proteínas
FliG
FliM
FliN
Ensamblado del flagelo
Capuchón de HAP2
Transporte ABC
Los primeros componentes utilizan transporte de tipo ABC .El sistema de secreción
tipo III es el empleado para la síntesis del flagelo para todo lo que va mas allá de la
membrana citoplasmática.
Primero es ensamblado el cuerpo basal el cual permite la secreción del gancho y por
último el filamento.
Secreción del filamento
Las unidades de flagelina son transportadas por medio de un sistema de secreción de tipo III del
cuerpo basal a través del cilindro interior.
Mecanismo de acción flagelar
• Rotación de anillos en el cuerpo basal estaría
dirigido por gradiente de H+ - no ATP.
• Rotación antihoraria produce movimiento
hacia adelante: corridas.
• Rotación horaria causa cese del movimiento
hacia adelante: vueltas o tumbos
• Corridas/ Vueltas controladas por
quimioatrayentes y repelentes
Descripción del movimiento de bacterias periticas
Nado y tumbos
Descripción del movimiento de bacterias monótricas
Taxis (Taxias)
•Aerotaxia. Migración ante un gradiente de O2:
Bacterias anaerobias aerotaxia negativa.
Bacterias microaerófilas atraídas a tensiones óptimas de O2 (menores que la
atmosférica).
Todas las bacterias aerobias y anaerobias facultativas aerotaxia positiva. No existe
un receptor específico del oxígeno
•Fototaxia: migración en función de la luz. No existe
un receptor
específico .
•Quimiotaxia: migración ante un gradiente espacial de una
sustancia química.
Quimiotaxis
Es el movimiento en
respuesta a un gradiente
químico de concentración
La respuesta depende si ese
gradiente esta dado por un
atrayente o un repelente
La presencia de proteínas
sensoras y un sistema
transductor lleva la señal a la
base del flagelo y es la base
de la respuesta quimiotáctica
Taxias
Quimiotaxia
Efector: señal química externa que pone en marcha el mecanismo
celular de la taxia,
el Receptor de membrana: recibe al efector y pone en
marcha.............. un sistema de transducción intracelular de la señal,
que llegará hasta el conmutador en la base del flagelo.
La bacteria “percibe” el gradiente espacial como si fuera un
gradiente temporal.
Al cabo de cierto tiempo, la bacteria vuelve al patrón aleatorio de
natación (adaptación al estímulo), debido a una modificación
covalente de los receptores de membrana.
Swarming. Movimiento social
Desplazamiento flagelar en medios sólidos
húmedos en grupos.
Utilizan flagelos laterales para su
desplazamiento.
Este mecanismo ha sido asociado a la
formación de biopelículas y a virulencia
bacteriana.
Proteus, Escherichia, Salmonella y
Serratia emplean su sistema de flagelos
laterales para desplazarse en medios líquidos
o sólidos.
Otras bacterias como algunas especies de
Vibrio, Azospirillum, Aeromonas y Rhodobacter
fabrican un flagelo lateral especial para
desplazarse en medios sólidos y crecer en
medios viscosos.
Proteus mirabilis: ciclo de swarming
Fraser-Hughes, 1999. Curr Opin Microbiol 2(6)
Swimming
swarming
Swarming. Movimiento social
Swarming. Movimiento social
Swarming colonies
a) P. mirabilis
b) P. aeruginosa
c) R. etli
d) S. marcescens
e) S. typhymurium
f) E. coli
Verstraeten et al., 2008. Trends in Microbiol 16(10)
Flagelos periplásmicos
Presentes exclusivamente el
grupo de las Espiroquetas.
Estas bacterias Gramnegativas de forma
helicoidal.
•no sobresale de la
superficie celular
•Flagelos. Entre el cilindro protoplasmático y la
membrana externa, insertados subpolarmente y
enrollados alrededor del cilindro. Estos flagelos se
denominan flagelos periplásmicos o filamentos axiales).
Tiene dos flagelos polares
que se unen en el medio
Flagelos periplásmicos
Adaptaciones evolutivamente
conseguidas que permiten el rápido
avance en medios de alta densidad
Los filamentos no salen a la superficie sino que residen entre las dos membranas.
Tienen cuerpo basal. Tienen dos uno en cada extremo y empujan uno contra otro al
momento de rotar
Flagelos periplásmicos
Cortes transversales de espiroquetas. ME:
membrana externa; MC: membrana celular
Flagelos periplásmicos
En medios líquidos se mueven por avance muy rápido a modo de
torniquete (el cuerpo bacteriano se comporta como un sacacorchos) se
pueden ver también contorsiones, latigazos, etc.
Sobre la superficie de medios sólidos:
Rodamiento de la hélice. Esto se debe a que el filamento axial confiere
movimiento de rotación a la membrana externa, lo que se traduce en que
la bacteria pueda rodar.
Flexiones. Se provocan ondas propagables del cilindro.
Flagelo en arqueobacterias
Tabla 4. Principales diferencias entre el flagelo bacteriano y el arqueano.
Característica
Archaea
Bacteria
Flagelina
Varias
Una
(mismo flagelo)
Flagelina (kDa)
27-105
30-60
Subunidades
Pre-flagelina
No
de flagelina (péptido señal)
Glicosidación
Si
No
post-traduccional
Filamento (nm)
10-14
18-20
Ensamblado
Pili tipo IV
Transporte III
Nadar (swimming) sin flagelo
Spiroplasma: es una bacteria fitopatógena sin pared, tienen
una forma helicoidal y mantiene su morfología celular
helicoidal por filamentos internos, dos de proteína Fib y MreB
del citoesqueleto. Estos filamentos contráctiles sirven de
motor lineal y son los responsable de la capacidad de estas
bacterias para nadar. Cambios en la longitud de los
filamentos dan movimiento tipo sacacorchos. El motor
podría estar en un extremo. spiroplasma kinking
http://www.youtube.com/watch?v=jAHM9XfnkDI
spiroplasma kink
Synecoccocus. Es una cianobacteria. El mecanismo de
movimiento propuesto es que existen proteínas en la
superficie celular con forma de espículas delgadas que
se extienden a partir de la MP y pueden ser los
orgánulos de motilidad. Un modelo para explicar la
natación de Synechococcus ha propuesto la generación
de ondas que viajan en la superficie celular tal vez
como resultado de los movimientos de remo de las
espículas en la superficie de la célula.
Movimientos sobre superficies sin flagelos
Deslizamiento o gliding motility
– Movilidad independiente del flagelo
– Mas lenta que el swiming
– El movimiento ocurre a lo largo de el eje mas largo de
la célula
– Requiere una superficie de contacto
– Mecanismos
• Proteínas específicas de Gliding
• Pili tipo IV
• Excreción de películas de polisacáridos
Gliding o deslizamiento sin pili
Maquinaria Involucra 10
proteínas: formación de
complejos de adhesión focal. SprB
el componente móvil y Gld parte
del motor
Movimiento de las proteínas
citoplasmáticas por fuerza protón
motriz..impulsa….
Movimiento lateral de las
adhesinas de superficie
En Flavobacterium hay un movimiento de
las proteínas (adhesinas) de la superficie de
la célula
http://www.youtube.com/watch?v=0BuVarYDurA
1- Gliding en Flavobacterium johnsoniae
McBride, Ann Rev Microbiol 2008.
• Sin producción de
polisacáridos
• Sin flagelo ni pili
• Movimiento lateral de las
adhesinas de superficie
• Componentes del sistema:
• Las adhesinas como SprB en
la superficie de la célula
• El motor de proteínas Gld en
la membrana celular
• que empuja a ( son 10 con
localización diferente)
• GlDAFG son ABC transporter
like fuerza protón motriz
• 5 GLD ???
• GldL MN citoplasma y
membrana
In
Proteínas tipo TonB
Cytoplasmic
membrane
Peptidoglycan
Outer
membrane
Out
Movement of cell
Glide proteins
Movement of outer
Surface
membrane glide proteins
Organela de motilidad: Pili Tipo 4
Modo de propulsión
adhesina
poro
pistón
ensamblado y desensamblado
peptidasa
En
Flavo
bacter
ium
hay
un
movi
mient
o de
las
proteí
nas
de la
superf
icie
de la
Twitching (motilidad por contracciones o tirones)
Hay polimerización y
depolimerización del T4P.
Es importante para la colonización
de plantas y patógenos , biofilms y
formación de cuerpos fructíferos en
Myxococcus
La extensión significa agregar
monómeros y retracción eliminar,
consume ATP
https://www.youtube.co
m/watch?feature=player_
embedded&v=m1vJKz_bV
7U
Modelo para la motilidad en Neisseria gonorrhoeae . Esta
bacteria puede moverse en la superficie mediante un ciclo de
extension del T4P adhesión y retracción
Myxococcus xanthus
Movilidad
social
Aventurero
Movilidad
social
Gliding en Myxococcus xanthus aventurero
a) Modelo de propulsion por secreción de polisacaridos
b) Modelo de adhesion focal
Adhesión focal
Motor interno
Que se mueve a la largo de un eje interno
En este modelo, grandes complejos de adhesión focal se extienden desde
la célula y conectan la superficie extracelular a los filamentos del
citoesqueleto-similares a actina. Proteínas de motor unidas a la porción
intracelular del complejo de adhesión focal empujan hacia atrás y mueven
el complejo de adhesión focal a lo largo del filamento del citoesqueleto
para mover la célula hacia adelante.
Myxococcus xanthus gliding social
T4P
Gliding en Mycoplasma
Dos modelos
a) Ciempies
b) Gusanito
Extensión y contracción del citoesqueleto
Adhesinas
Patas de glicoproteinas
http://www.youtube.com/watch?v=T7AvC0yb
ujs
engranaje
Mycoplasma takes a
walk
Nyles W.
Charon*PNAS2005
Diferentes tipos de movilidad
Sistemas de movimiento celular
Tipo
swarming
Movimiento
atribuido a..
flagelo
swimming
flagelo
gliding
Polisacárido?
Actividad celular
Twitching o
gliding
Pili tipo IV,
actividad celular
darting
Fuerzas de
tensión en los
agregados de
células que las
eyecta de la
colonia
sliding
Fuerza
centrifuga que
expande la
colonia
Las células
se mueven
juntas
Las células se
mueven
aisladas
+
+
+
+
+
+
Movilidad de parásitos intracelulares
Reclutan actina
Listeria monocytogenes
Vesículas de gas-Flotación
Apéndices y estructuras superficiales
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Flagelos (swimming y swarming)
Estructura y composición química y ensamblaje
Movimiento flagelar
Las taxias , quimiotaxis y su base molecular
Bacterias flageladas dispersivas (swarming)
Flagelos periplásmicos de espiroquetas
Capsulas y limos
Fimbrias (adhesión)
Pilis ( sexualidad y movillidad)
Prostecas
Tallos o pedúnculos
Fimbrias y pilis
Existen dos tipos principales
de pili (pilus, en singular):
Fibrillas adhesivas=fimbrias
adhesivas
pelos sexuales y de motilidad
Características
•Son apéndices filamentosos rectos y rígidos, más cortos
y más finos (3-10 nm de diámetro) que los flagelos,
•Presentes en muchas bacterias (sobre todo Gramnegativas).
•Número variable: desde 1 a varios cientos o miles por
célula.
•Disposición: alrededor de todo el perímetro celular, y a
veces, de inserción polar.
• La mayoría están compuestos por un solo tipo de
proteína (la pilina), de unos 17-25 kDa, proteina globular
cuyas subunidades se disponen en una matriz helicoidal
que deja un pequeño hueco central.
•Están implantados a nivel de membrana citoplásmica
(no en todos)
•Ensamblaje: inserción de subunidades de pilina en la
base del pelo en crecimiento, a partir de pre-pilina, que
se procesa por escisión del correspondiente péptido-líder
a su paso por la membrana citoplásmica.
Funciones
Adherencia y colonización
La función de adherencia reside en una proteína adhesiva que hay en
la punta del pelo llamada lectina que es complementaria de un
receptor (glicoproteína o glucolípido) de otra célula.
Pueden distinguirse tipos por la clase de mono o oligosacárido que
unen, también por la antigenicidad y morfología
Algunas bacterias patógenas pueden cambiar la estructura de su
adhesina para colonizar distintos tipos celulares o para evadir la acción
de anticuerpos específicos
ejemplos
en la formación de la placa dental, por coagregación de individuos
de distintas especies sobre el diente;
factores de colonización de tejidos,
cepas uropatogénicas de Escherichia coli
gonococo (Neisseria gonorrhoeae) y en las
No están presentes en Gram positivas.
Pilis o pelos sexuales
•Son mas largos y gruesos que las fimbrias y están presentes en menor numero (1-10)
•Permiten ponerse en contacto con otra célula para transmitir el DNA
•Están codificados por plásmidos conjugativos (plásmido F)
• Permiten la conjugación.El mecanismo es ponerse en contacto con el receptor en la célula
• aceptora,retracción ( depolimerización) y transferencia del DNA
•Son receptores específicos de fagos
Pili Tipo 4-Twiching
Otras estructuras superficiales, inclusiones
y orgánulos
Estructuras superficiales
Cápsulas
Capas mucilaginosas
Capa S ( superficial paracristalina)
Vainas
Botones de anclaje
Cápsulas y limos o glicocalix
Material polimérico extracelular superficial viscosa o mucilaginosa.
No confiere resistencia estructural
Se denomina :
1. Cápsula material fibroso, rígida e integral con unión al PG
2. Capa mucilaginosa o limo si es flexible y se adhiere pobremente
3. Polímero extracelular (EPS) en biofilms, se adhiere pobremente
Composición química
Polisacarídicas
Homopolisacáridos neutors ( dextranos y levanos)
Heteropolisacáridos anionicos (azúcares aminoazúcares, ac. urónicos)
Polipetídicas
Estructura homogénea de tipo fibroso o capas concéntricas o radiales muy hidratada
Cápsulas y capas mucilaginosa observación
Funciones
•Adhesión a superficies sólidas y a otros
microorganismos , lo que le permite colonizar
distintos nichos
•Formación de biofilms ( capas delgadas de
células unidas) ejemplo placa dental
•Adhesión a componentes de superficie de
tejidos celulares en organismos patógenos
•Resistencia a la desecación
•Protección frente a fagocitos ( son mas difíciles
de ser reconocidas por el sistema inmune
•Protección contra agentes antibacterianos
( metales pesados , ATB, etc)
•Algunas son receptores de bacteriófagos
CAPA “S” (Capa superficial cristalina)
Capa que, en muchas eubacterias (sobre todo
Gram-positivas), envuelve a la pared celular, formada
por el ensamblaje regular de subunidades idénticas
de proteínas o glucoproteínas.
Estructura cristalina que adopta simetría variada
En Gram negativas la capa S se une a la ME
En Gram (+) positivas lo hace al PG.
En muchas Arqueas es la única capa que rodea al
protoplasto, por lo que en ellas cumple funciones de
auténtica pared celular.
Funciones
En eubacterias provistas de pared celular:
Tamiz Molecular
Protección impide la entrada de agentes
antibacterianos y frente a fluctuaciones iónicas y
de pH, estrés osmótico, etc.
Factor de virulencia protege a la bacteria frente
al ataque del complemento y de los fagocitos,
en patógenos
Es la capa mas externa en contacto con el medio
Adhesion de enzimas
Tiene aplicación biotecnológica, nanobiotech.
En Arqueas :
Forma y rigidez a muchas especies, ejerciendo
papeles equivalentes al de una pared celular.
Prostecas
•Son prolongaciones de MP semirígidas
presentes en un grupo especifico de
bacterias prostecada
(gemantes y/o con apendices)
•Tiene un diámetro menor que el cuerpo
celular y están rodados de membrana y
pared celular
•Tienen forma de yema, hifa o pedúnculo
Funciones de las prostecas
Función:
Sirven como estructura de unión a los sustratos inertes
Aumento de la relación superficie /volumen lo que favorece
- la flotabilidad para algunas bacterias planctónicas
-y mayor superficie para la captación de nutrientes en ambiente oligotróficos ,
en Prosthecomicrobium
Tiene alguna función en el proceso de reproducción en bacterias del género
Hyphomicrobium
Permiten la agrupación en rosetas en la bacteria del género Caulobacter
Bacterias con tallos
Estructuras filamentosas no vivas terminadas en botones de anclaje ( discos adhesivos)
producidas por secreción continua de materiales polisacarídicos en una zona concreta de
la superficie bacteriana.
Función: Permite la unión de ciertas bacterias de hábitats acuáticos a sustratos sólidos,
vivos o no.
Vaina y botones de anclaje
Sphaerotilus y Leptothrix
Vaina
Estructura tubular que engloba a células bacilares y
conjuntos de células.
Heteropolímero, a base de proteína, lípido y
polisacárido que puede recubrirse de oxido de Fe o Mn
En contacto con la pared celular subyacente, pero no
hay enlaces entre ambas
Función : mantener las células agrupadas
Las Arqueas Methanothrix y Methanospirillum poseen
vainas proteicas con subunidades dispuestas en
anillos, y son las que confieren la forma.
Botones de anclaje
Material mucilaginoso agregado
En puntos concretos de los extremos de
prostecas y pedúnculos
Adhesión a sustrato
Repaso:
•Todas las bacterias presentan motilidad?
• Describa la estructura y función de un flagelo bacteriano. Cuál es la fuente de
energía para el flagelo? Cómo difieren los flagelos de Bacteria respecto de los
de Archaea tanto en tamaño como en composición?
•Cómo difiere la motilidad tipo gliding de la motilidad tipo swimming (nado)
tanto en mecanismo como requerimientos?
• Contraste el mecanismo de motilidad tipo gliding en una cyanobacterium
filamentosa respecto del caso en Flavobacterium.
•En pocas oraciones, explique cómo una bacteria mótil es capaz de sensar la
dirección de un atractante y moverse en ese sentido.
• Explique el movimiento en respuesta a la luz (light taxes).
• Explique el mecanismo de motilidad tipo twitching.
•Explique las particularidades y funcionamiento del flagelo periplasmatico en
espiroquetas.