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Endosporas bacterianas •Las endosporas son formas de reposo, con el metabolismo prácticamente detenido (criptobiósis). •Debido a su diseño, resisten condiciones físicas y químicas muy agresivas (radiaciones UV, calor, sequedad, disolventes, etc.). •Son producidas por ciertas bacterias Gram positivas: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina. http://pro.corbis.com/search/Enlargement.aspx?CID=isg&med iauid=%7B1D5366E0-CE9E-4B38-982D-F452D1E583C0%7D Endosporas bacterianas •Se producen cuando la bacteria detecta bajos niveles de nutrientes (C, N, P). •La espora se forma dentro de la célula vegetativa (endospora). •Al final de la esporulación, la célula madre se autolisa, y la espora queda libre. •La endospora resiste periodos largos en ausencia de nutrientes y estrés ambientales. • Cuando las condiciones son apropiadas, la espora germina y se surge una célula vegetativa. Esporogénesis La esporogénesis es un proceso de diferenciación que apareció evolutivamente en bacterias para lograr supervivencia en ausencia de nutrientes. http://ilovebacteria.com/spore.htm Criterios taxonómicos •Su diámetro relativo al de la célula madre ~Deformantes ~No deformantes •Localización ~Subterminales ~Centrales ~Terminales Partes de la endospora Pared Corteza Protoplasto o núcleo Cubiertas Protoplasto (núcleo de la endospora) DPA DPC Sus componentes están inmovilizados en una matriz de quelatos de ácido dipicolínico (DPA) con iones Ca2+ (dipicolinato de calcio, DPC), que llega a representar el 15% del peso. Protoplasto (núcleo de la endospora) •Citoplasma muy deshidratado (10 - 30%) •Contiene el cromosoma, pocos ribosomas, ARNt, ARN polimerasa, mono y di nucleótidos pero no tri nucleótidos (no ATP). •Carece de componentes inestables: ~No ARNm ~No enzimas biosintéticas ~No aminoácidos ni bases nitrogenadas ~No cofactores reducidos (NADH, CoA, etc.) Espora de Bacillus cereus http://www.shef.ac.uk/mbb/staff/moir-a Protoplasto (núcleo de la endospora) •Gran cantidad de pequeñas proteínas especiales, las pequeñas, ácidas, solubles (SASP) que mantienen le pH más bajo que en la célula vegetativa. ~Durante la germinación se usarán como fuente de amino ácidos. ~Acomplejan el ADN: protegen de las radiaciones UV. •Fuente de energía: 3-fosfoglicerato→PEP Membrana interna de la espora. Rodea al protoplasto, membrana citoplásmica que carece de fluidez (estructura policristalina). http://sitemaker.umich.edu/hanna_lab/home. A Bacillus anthracis endospore (False colored transmission electron micrograph, 92,000X, as shown on the cover of the Jan. 1, 2004 issue of the Journal of Bacteriology) Pared de la endospora •A base de un Peptidoglucano similar al de la célula vegetativa. •Estructura muy delgada. •Constituye lo que será la pared de la futura célula vegetativa. •Origen: se sintetiza a partir de la preespora Pared Corteza o córtex Córtex • Al microscopio electrónico: gruesa, transparente a electrones, láminas concéntricas, formado de un Peptidoglucano especial: ~ 30% del NAM con tetrapéptidos, pero con bajo grado de entrecruzamiento ~ 15% del NAM tiene solo L-ala ~ 55% lactama del ácido murámico Corteza o córtex • Origen: a partir de la célula madre. • Tiene un bajo grado de entrecruzamiento: ~ Estructura más laxa, floja y flexible que el PG normal es capaz de expandirse o contraerse. ~ Rápida autolísis durante la germinación. • La lactama del murámico presenta gran resistencia a la lisozima. Cubiertas Aspecto muy voluminoso, distinto según especies. Partes densas a los electrones. Formada de una o más proteínas de tipo queratina, ricas en cisteína y amino ácidos hidrófobos. Bacterial endospores. Panel A shows endospores from B. subtilis one of which is still retained within the rod shaped 'mother cell'. In B. subtilis, spores are approximately 1.2 μm in length and are ellipsoidal. Released spores have a clear protective shell known as the spore coat and is comprised of as many as 25 different protomeric components assembled into discrete layers. Panel B shows a typical SDS-PAGE (12.5%) fractionation of solubilised spore coat proteins revealing predominant species. Ricca and Cutting Journal of Nanobiotechnology 2003 1:6 doi:10.1186/1477-3155-1-6 Estructura insoluble e impermeable que impide la entrada de numerosos agentes químicos agresivos, incluyendo tóxicos. Exosporio • Estructura membranosa transparente, a modo de saco delgado y flojo a base de proteínas, polisacáridos complejos y lípidos • Muy resistente a enzimas proteolíticas Esporulación • Estímulo desencadenante de la esporulación: estado de inanición (carencia de nutrientes) • Dura 7-8 horas en Bacillus subtilis o en B. megaterium. •Las fases se nombran con un número romano (I, II,....VII). Se suele indicar los límites de tiempo en los que transcurre la fase (ej: t2-t3 significa que la fase transcurre entre la 2ª y la 3ª hora) Fase I (t0-t1) •Los dos cromosomas se condensan formando un filamento. •Se inician dos tabiques, cada uno cerca de un polo (espículas de PC hacia el interior). •Se degradan proteínas viejas y los aminoácios se emplean en fabricar proteínas específicas de la esporulación. •Se sintetizan y liberan al medio: antibióticos y exoenzimas (proteasas, amilasas, ribonucleasas, etc.). http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/09esporas.htm Fase II (t1-t2) •Se termina el septo acéntrico en uno de los polos (el otro septo no se completa, aborta). •Cada nucleoide queda en un: ~Compartimiento pequeño, la prespora. ~Compartimiento grande la célula madre. •Sigue síntesis de antibióticos y exoenzimas (proteasas, amilasas, ribonucleasas, etc.). Fase III (t2-t3) •Formación del protoplasto de la espora debido a: ~Degradación selectiva del PG del septo ~La membrana citoplásmica de la célula madre va avanzando hacia el polo, envolviendo a la prespora •Resultado: prespora posee dos membranas, con polaridad opuesta. •La síntesis de proteínas sigue en la célula madre, pero se detiene en la prespora. Fase IV (t3-t4) • Formación de la corteza: deposición de PG de la célula madre entre las dos membranas de la prespora. Deposición del PG de la pared, procedente de la prespora. • La espora puede verse ya refráctil en fresco. • Comienza síntesis de DPA y acumulación de Ca2+. • Comienza la síntesis del exosporio. Fase V (t4-t5.5) •Deposición de materiales de las cubiertas por fuera de la membrana externa de la espora. •Continúa la acumulación de DPA, que secuestra iones Ca2+ para formar el DPC en el protoplasto. Fase VI (t5.5-t7) •Maduración de prespora a endospora. •Maduración de la corteza (PG especial, más laxo, con pocos entrecruzamientos). •Maduración de las cubiertas. •Citoplasma se hace más homogéneo y denso a los electrones. •Resistencia al calor y al cloroformo. •Resistencia a las radiaciones UV. •Resistencia a la lisozima. Fase VII (t7-t8) •Autolisis de la célula madre y liberación de la espora. •El exosporio pierde agua y se pega a las cubiertas. Propiedades biológicas de las endosporas • Hipometabolia. La más baja tasa metabólica. • Dormancia. Gran inercia a los sustratos exógenos, la espora sólo perderá la dormancia cuando se haya activado para la germinación. • Resistencia al calor. Es un subproducto de los cambios que llevan a la deshidratación como medio de lograr la hipometabolia y la dormancia. Algunas resisten 120ºC durante 15 minutos lo que condiciona los parámetros para esterilizar materiales. Propiedades biológicas de las endosporas • Deshidratación. Refrigencia al microscopio óptico. Mecanismo: ~ El DPA va entrando al protoplasto de la espora ~ El Ca2+ entra a la espora se forman quelatos de DPC. ~ La corteza se queda sin cationes, las cargas negativas del PG cortical se repelen, la corteza se expande, se topa con las cubiertas y hay extracción de agua del protoplasto. ~ El protoplasto queda muy deshidratado, con componentes inmovilizados. Scanning Electron Micrograph of the Endospores of Bacillus anthracis Propiedades biológicas de las endosporas • Resistencia a los rayos UV: ~ Absorción de UV por cubiertas. ~ Presencia del DPC. ~ Las proteínas SASPs forman complejos con el ADN. ~ Por la deshidratación del protoplasto no se generan dímeros de pirimidina. ~ Por la presencia de las SASPs se genera fotoproducto de la espora, que será reparado durante la germinación. • Resistencia a los agentes químicos. Debida principalmente a la gran impermeabilidad de las cubiertas (grosor, composición a base de proteínas ricas en aminoácidos hidrófobos y con abundantes puentes disulfuro. ¿? Germinación de la endospora Fases: • Preactivación • Activación • Germinación • Crecimiento ulterior (entrada en fase vegetativa) Preactivación • Las cubiertas deben erosionarse, de modo natural por envejecimiento progresivo y de modo artificial se puede lograr: ~ 100ºC durante unos minutos ~ Radiaciones ionizantes ~ pH bajo ~ Tratamiento con sustancias que posean grupos –SH libres como Mercaptoetanol Electron micrograph of Bacillus anthracis endospores (a) Viable and (b) following lethal plasma exposure. Activación • Etapa aún reversible. • Metabolismo aún latente. • Desencadenada por un agente germinante (iones inorgánicos [Mg2+, Mn2+], L-ala, glucosa u otros azúcares, adenina u otras bases nitrogenadas). ~ El germinante es detectado por un receptor alostérico en la MI de la espora. ~ El receptor activado adquiere capacidad proteolítica. ~ Rompe la proenzima unida covalentemente al PG de la corteza. ~ La enzima reconoce al anillo del NAM e hidroliza el PG de la corteza. • Empieza a entrar agua al protoplasto espora pierde la refringencia y comienza a perder resistencia al calor. Germinación •El proceso se hace ya irreversible, se rompe la dormancia, hay metabolismo, pero es endógeno: ~ Se pierde DPA y se supone la pérdida de Ca2+. ~ Ca2+ pasa a corteza y neutraliza cargas negativas del PG hay rehidratación e hinchamiento del protoplasto y más contracción de la corteza. ~ El 3-fosfoglicerato → 2fosfoglicerato → PEP → ATP ~ SASPs se hidrolizan por una proteasa activa y los aminoácidos se reutilizan en fabricar nuevas proteínas. ~ Comienza la transcripción de genes vegetativos. Terminación • El metabolismo ya se hace exógeno. • Se sintetiza ADN. • Protoplasto crece. • La pared de la espora sirve como germen para la pared de la célula vegetativa La célula vegetativa “sale” rompiendo las cubiertas. Cuerpos parasporales •Producidos en algunas especies: Bacillus thuringiensis y B. popiliae. • Cristales proteicos octaédricos (bipiramidales) formados en el esporangio durante la esporulación. • Agregación regular de subunidades de una glucoproteína de 120 kD en fase IV (proteínas Cry). • Son insecticidas ecológicos, específicos frente a larvas de: coleópteros y dípteros. Toxinas Cry Toxinas Cry • Actúa como insecticida. • Oruga ingiere materia vegetal con bacterias esporuladas que producen Cry. • La proteína Cry se disuelve en el tracto digestivo. El pH alcalino provoca la proteolísis que activa a la toxina. •La toxina altera la permeabilidad del epitelio intestinal, pasa a la hemolinfa lo que provoca la parálisis y muerte de la larva. Bacillus anthacis • Bacilo Gram positivo. • Esporulado. • Causa el carbunco o ántrax en animales herbívoros. • Es de origen geofílico. http://srs.dl.ac.uk/Annual_Reports/AnRep01_02/anthrax.htm Clostridium tetani • Causante de tétanos • Toxina (Tetanospamina) • Afinidad por sistema nervioso (neurotoxina) • Bloquea neurotransmisores • Provoca espasmo muscular Clostridium botulinum • Botulismo • Intoxicación alimentaria • Alimentos enlatados pH ácidos (vegetales) • Toxina resistente al calor • Parálisis flacida • Inhibe a la acetilcolina Clostridium perfringens • Intoxicación alimentaria (Diarrea, enterotoxina) • Gangrena gaseosa (hemolisinas, proteasas, lipasas, colagenasas, hialuronidasas, etc.) Geobacillus stearothermophilus •Bioindicadores de esterilización en autocalve Negativo Positivo Esporas bacterianas Esporas fúngicas Reproducción Sexual en hongos filamentosos y levaduriformes Zigosporas Ascosporas Basidiosporas Quistes o Cistos bacterianos Quistes de Azotobacter Se producen en algunas especies por engrosamiento de la pared celular de la célula vegetativa, por deposición de nuevos materiales sobre la membrana citoplásmica (alginatos), al mismo tiempo que se acumulan materiales de reserva en el citoplasma (PHA). Poseen metabolismo endógeno y resisten el calor, la desecación y los agentes químicos más que la célula vegetativa (pero menos que las endosporas Mixobacterias •Microquistes de Mixobacterias, llamados mixosporas. •Sus envolturas constan de una corteza, rodeada de cubiertas (interna y externa). •Estas cubiertas se componen de una glucoproteína muy rica en polisacáridos. http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/microbiology/myxobacteria.jpg Mixobacterias Nature Reviews Microbiology 1, 45-54 (October 2003) Quistes de Eucariotes Entamoeba histolytica
