MICROORGANISMOS PROCARIOTAS

MICROORGANISMOS
PROCARIOTAS
Estructura y función celular
1
Procarióticos
Eucarióticos
Animales
Macroorganismos
Ninguno conocido
Plantas
Algas
Microorganismos
Archaea
Hongos
Bacteria
Protozoos
2
Importancia del pequeño tamaño de
los procariotas
*Los nutrientes y materiales de desecho son
transportados hacia dentro y fuera
de la célula, respectivamente.
* La velocidad de transporte determina la velocidad
metabólica y por lo tanto la
velocidad de crecimiento de los microorganismos.
* Cuanto mayor es la relación superficie/volumen
mayor es la capacidad de realizar
el pasaje de nutrientes y materiales de desecho.
* Cuanto menor es el tamaño, mayor es la relación
sup/volumen.
S= 4 π r2
V=4/3 π r3
S/V= 3/r
3
óptico (0,2 µm)
Microscopio
(según aumento y
límite de resolución)
Microscopio
Óptico
electrónico
(1000 veces mayor)
Campo claro (tinciones)
Contraste de fases
Campo oscuro
de Fluorescencia
de transmisión
Microscopio
Electrónico
de barrido
Visión tridimensional por microscopía óptica:
Microscopio de fuerza atómica
Microscopio confocal
4
FORMAS
Esferas: cocos. Según como se dividan, dan:
Cilindros: bacilos .
Espiralados
Filamentosas
5
DIVERSIDAD MICROBIANA
¨PRINCIPIO DE UNIDAD¨
6
Representación general de una célula procariota
7
MEMBRANA CELULAR
BACTERIA
Bicapa lipídica formada por fosfolípidos y proteínas (proporción 20% /80 % )
8
Acidos grasos:
Saturados: palmítico
mirístico
ramificados (G+)
Monoinsaturados: palmitoleico
Gvaccénico
Enlace ester
Fosfolípidos: fosfatidiletanolamina
fosfatidilglicerol
cardiolipina (difosfatidilglicerol
fosfatidilcolina
G+
9
Mosaico fluído
La composición de los fosfolípidos varía con
la especie y con las condiciones de
crecimiento.
La membrana debe presentar fluídez para un
correcto funcionamiento (mosaico fluído)
Psicrófilos: mayor proporción de ác.grasos
insaturados para mayor fluídez.
Termófilos: mayor proporción de ác. grasos
saturados para disminuír la fluídez.
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Asimétrica
Procesos vectoriales
Integrales
Periplásmicas
Proteínas
Periféricas
Citoplasmáticas
Lipoproteínas
Mesozoma
Hopanoides Sedimentos fósiles
abundantes en ecosistema
Esteroles en Micoplasmas
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Arquebacterias
Cadenas de hidrocarburos de 20-40 átomos de C unidos a glicerol por enlace eter
Sustituyentes: sulfatos, fosfatos, azúcares
Tetraeter. Mayor estabilidad, en hipertermófilas
Variación de ancho y flexibilidad agregando ramificaciones y anillos pentacíclicos
Enlace eter
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Funciones de la membrana plasmática
1)
Barrera critica: Límite de la célula, impide salida libre de metabolitos.
2)
Barrera osmótica: impide la entrada libre de iones y moléculas polares.
3)
Regula el flujo de nutrientes y materiales de desecho: Transporte de moléculas a través de la membrana
4)
Punto de anclaje del cromosoma y rol en la divísión celular
5)
Participación en proceso bioenergéticos: respiración, y fotosíntesis (en bacterias fotosintetizadoras)
contiene deshidrogenasas, cadena de transporte de electrones y ATPAsas.
6)
Participación en biosíntesis de polímeros de la envoltura:Componentes de membrana, pared, cápsulas,
LPS).
7)
Participación en la secreción específica de proteínas
8)
Tiene anclado el aparato de motilidad (flagelo).
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Transporte selectivo de moléculas a través de la membrana:
entrada de nutriente y salida de desechos
Proceso pasivo
Proceso de transporte activo, dependiente de energía
Difusión pasiva simple o inespecífica: ác. Grasos, benceno, alcohol, CO2, O2, NH3
Transporte pasivo Osmosis: agua (aquaporinas)
No requiere Energía Difusión facilitada: glicerol (específica) Ocurre a través de una permeasa
Ocurre en el sentido
del gradiente
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Traslocación de grupo:
Sistema del PEP-fosfotransferasa carbohidratos (glucosa, manosa,
fructosa, N-acetil glucosamina.)
Sistema de transferencia de Coenzima A: Ác. Grasos
Sistema de fosforribosil transferasas: Purinas
Transporte activo
Transporte simple: ej.: Lactosa,
sodio, aa, glucosa, sulfato, K.
Transporte específico
de moléculas neutras,
polares y cargadas.
Ocurre con gasto de
Energía.
Basado en permeasas
específicas e inducibles
Energía: Fuerza motriz protónica
Traslocación de sustrato ó
Activo propiamente dicho
Ocurre contra gradiente
Transporte ABC: Requiere prot.
de concentración
periplásmicas y en membrana externa
(Ej. Maltosa, oligosacáridos, iones, aa,
Sideróforo de Fe)
Energía por hidrolisis de ATP.
15
Sistema del fosfoenol piruvato-fosfotransferasa
La molécula transportado
es quimicamente alterada
durante su pasaje a través de
la membrana por adición de
fosfato.
Glucosa --- Glc 6P
(Bacterias: especialmente anaerobias
y aerobias facultativas)
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Transporte simple
Uniportadoras
(K+, lisina)
Permeasas
cotransportadoras
simportadoras
antiportadoras
H*
Na+
(H+ / Na+)
(Bacterias y Arqueobacterias)
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Transporte ABC
(Bacterias (tanto G- como G+) y
Arqueobacterias)
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Secreción de proteínas
Proteínas que se localizan fuera de la membrana
citoplasmática. Tanto en G+ como G-.
son proteínas exportadas (deben atravezar la MC para
alcanzar su destino final).
Exoenzimas y Factores de virulencia y factores
simbióticos (se secretan al medio de crecimiento) (G- Y
G+).
Proteínas periplásmicas (G-)
Proteínas unidas a membrana extracelularmente (G+).
Hay descriptos varios sistemas de transporte. Algunos
sirven para transportar proteínas al interior de la célula
huesped con la que interacciona la bacteria. (sistemas de
secreción y sistemas de translocación
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Movimiento en
procariotas
*Flagelo: movimiento de rotación en medio líquido
*Movimiento por deslizamiento en medio sólido
Flagelos y movilidad
Flagelo bacteriano:
Filamento delgado en forma helicoidal con
una longitud de onda característica.
Formado por flagelina que se autoagrega
por el extremo. Controlado por necesidades
nutricionales. Número variable. No afecta
la viabilidad. Movimiento de rotación.
La energía proviente del gradiente de
protones
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La movilidad se observa al microscopio en una
gota suspendida o por desarrollo bacteriano
en agar 0.2-0.5%. El flagelo se observa
al microscopio óptico y electrónico.
Los flagelos propulsan la célula al girar como
una hélice en dirección contraria a las agujas
del reloj.
Frecuencia de viraje
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Cuando el moviento bacteriano esta estadisticamente favorecido hacia una dirección se le llama taxia
(quimiotaxia, aerotaxia, fototaxia)
Positiva: hacia atrayentes, que pueden ser nutrientes.
Quimiotaxis
Negativa: en presencia de repelentes, que pueden ser tóxicos
Quimiorreceptores: Proteínas aceptoras de metilo (MCP)
Componentes del sistema de transporte
de traslocación de grupo
.
Proteínas de unión del periplasma
La bacteria detecta el gradiente espacial
como un gradiente temporal
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Quimiorreceptores
Sensan el medio
Reacciones de
fosforilaciones
que afectan el sentido de rotación
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PARED CELULAR
Gram +
Tinción de Gram para bacterias
Gram -
Peptidoglicano: 50-80% de la pared
Peptidoglicano: 1-10% de la pared
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PEPTIDOGLICANO
β (1-4)
(Gly, Ser)
Entrecruzamientos
(homoserina,
Ornitina, Lisina)
a mayor cantidad, mayor rigidez
50%de entrecruzamientos
Gram+: varias capas (hasta 50)
Gram -: 1 ó pocas
25
26
Tinción de Gram
1)
2)
3)
4)
Tinción con Cristal violeta
Tratamiento con solución de yodo
Decoloración con una mezcla de etanol/acetona
Contra-tinción con Safranina
Gram +
Gram -
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Osmosis
Medio hiperosmótico: plasmolisis
mayor concentración interna de solutos (betaína, trealosa)
en halófilas: mayor captación de potasio
NECESIDAD DE LA PARED
Da rigidez
Permite flexibilidad
Mantener la forma
Permite soportar las variaciones de las presiones internas
Medio hipoosmótico:
Lisozima:
rompe uniones β (1-4)
Isotónico:
NaCl 0,25-0,5 M
Sorbitol o sacarosa 0,1-0,5 M
PEG 7,5%
Micoplasmas
Gram +: protoplastos (citoplasma y membrana citoplasmática)
Gram- : esferoplastos (citoplasma, membrana citoplasmática y membrana externa)
28
Fisión binaria
29
Síntesis de pared
Síntesis de los monómeros del
péptidoglicano
1
2
3
4
30
tipo lisozima (unión β(1-4))
Autolisinas endopeptidasas
amidasas que rompen unión peptido-glicano
Función de las autolisinas en la síntesis del peptidoglicano
1
2
3
31
Inserción de los nuevos monómeros de peptidoglicano
Actividad de transglicosilasas y transpeptidasas (son específicas de elongación de pared
lateral o de formación de tabique)
1
2
3
4
32
Actividad de los antibióticos
Algunos antibióticos afectan células en crecimiento
Penicilina: inhibe transpeptidización.
Fosfomicina (NAM), cicloserina (racemasa de alanina), vancomicina (transglucosilación,
bacitracina (regeneracion de bactoprenol-P).
Tunicamicina (transferencia de NAM a Bactoprenol)
Familia de enzimas (proteínas de unión de penicilina, PBPs)
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Propiedades de las PBPs de Escherichia coli
Nº moléculas/
célula
Actividad enzimática
conocida
Posibles funciones
PBP 1ª,
1B
100 cada una
Transglucosilasa/transpept
idasa
Síntesis de PG durante la
elongación celular
PBP 2
20
Transpeptidasa
Crecimiento de la forma
bacilar
PBP 3
50
Transglucosidasa/transpep
tidasa
Síntesis de PG durante la
septación (tabique)
PBP 4
110
D-D-endopeptidasa/
D-Dcarboxipeptidasa
Hidrólisis de los
entrecruzamientos durante la
elongación
PBP 5
1800
D-D-carboxipeptidasa
Destrucción del pentapéptido
no entrecruzado
PBP
34
35
División
Determinación de la forma bacteria
Modelo de los “2 sitios competidores”
MreB (análogo a actina de eucariotas) y otras proteínas
(MreC, MreD y Mbl) influyen sobre los
procesos de formación de tabique y elongación de la
célula.
E. coli: MreB,
B. subtilis: MreB, Mbl y MreBH.
Elongación
MreB y Mbl se unen a MreCD que a su vez se unen
a las BPB.
Mbl determinaría las posiciones en las que se
sintetizaria la nueva pared.
MreB: regulador negativo de la PBP3 o FtsI (E. coli)
o BPB 2b (Bacillus subtilis) y durante división celular,
inhibidor de elongación de pared
MinC y MinD impiden que se forme septo en los polos
MreC y D
BPB2a
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Bacterias Gram -:
MEMBRANA EXTERNA (Fosfolípidos, lipopolisacárido y
proteínas). Es asimétrica. El 60% de la capa externa son proteínas y el 40% LPS
La capa interna está formada por fosfolípidos y proteínas
Lipoproteina
Porinas: Canales de difusión transmembrana para sustancias hidrisolubles de pequeño PM
(moléculas pequeñas iónicas o neutras, péptidos, oligosacáridos). Algunas son
generales y otras son específicas.
También actuan como receptores de bacteriofagos
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Lipopolisacárido
Abe
Man Rha Gal
Barrera contra compuestos hidrofóbicos
El lípido A otorga menor fluídez y mayor resistencia
Estabilización de ME por interacción con Mg2+ (mutantes que no tienen KDO no son viables)
Endotoxina
Ag O
Esencial o relevante en muchas interacciones bacteria-huésped: inductor de respuesta de defensa, protector frente
a respuesta de defensa, supresor de respuesta de defensa.
Funciones de Membrana Externa
(Además de las que tiene por la presencia del LPS)
* Funciona como tamiz molecular para sustancias hidrosolubles (porinas)
* Presenta sitios de unión a células huesped, a fagos (proteínas, lps)
* Evita difusión de enzimas del periplasma al exterior
PERIPLASMA: Gel viscoso
Contiene: enzimas hidrolíticas (fosfatasas, nucleasas, β-lactamasas)
proteínas de enlace (quimiotaxis y transporte activo)
También en algunas bacterias contiene oligosacáridos lineales (E. coli)
ó cíclicos (Agrobacterium y Rhizobium) para permitir crecimiento en
medio hipoosmótico.
38
Bacterias Gram +: Ac. Teicoicos,lipoteicoicos y teicurónicos
Ag somático O de las
Bacterias Gram +
39
Pared celular de las bacterias ácido-alcohol resistentes (Nocardia y Mycobacterium):
Peptido glicano - arabinogalactano - ácidos micólicos
N-acetilglucosamina - N-glucolil-murámico
Resisten la decoloración con una mezcla de alcohol / ácido
Resistencia a desecación y a compuestos antibacterianos
40
Pared celular de Archaea:
Pseudopeptidoglicano: (algunos metanógenos)
N-acetilglucosamina----N-acetiltalosaminurónico
unión β(1-3). No tiene ac. murámico ni D-aa
No tienen efecto la lisozima ni la penicilina
Paredes muy diversas
Polisacáridos exclusivamente
Glucoproteínas (termófilas y halófilas)
en halófilas con gran cantidad de aa acídicos
Proteínas exclusivamente (alguas termófilas)
Capa S
41
Componentes externos a la pared celular
Cápsula rígida: Estructura rígida que excluye la tinción. Se adhiere a la pared celular
fuertemente. Se puede observar por tinción negativa.
Hallada en patógeno que causan neumonía (Streptococcus, Klebsiella,
Haemophilus). Las variantes capsuladas son patógenas. La cápsula protege contra
la fagocitosis. Generalmente formada por polisacáridos y en algunos casos por
proteínas.
Capa mucilaginosa: heteropolisacáridos (exopolisacáridos)
homopolisacáridos (celulosa)
Función de cápsula
Y mucilágeno:
Fijación de ciertos microorganismos a sus huéspedes
Fijación a sustratos neutros
Dificultar la fagocitosis
Resistencia a la desecación (por su mayor contenido de agua)
Otras funciones específicas de una determinada especie bacteriana (ej.:
barrera contra la difusión de oxígeno en bacterias fijadoras de N2 en vida libre,
influencia en la capacidad de penetración de la bacteria en la célula huésped
(exopolisacárido en simbiósis Rhizobium-leguminosas.)
Capa S: capa cristalina formada por proteínas
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Fimbrias y Pelos: Estructuras semejantes a flagelo pero que no participan en motilidad
ó pelos comunes.
Cortos, abundantes.
Adhesión a superficie,
Dificultan fagocitosis
o Pelo sexual. Largos, uno solo ó pocos.
Apareamiento y pasaje de información
genética entre bacterias.
Receptores de fagos
43
Gránulos de polihidroxibutirato
Gránulos de glucógeno
Inclusiones con productos Gránulos de polifosfato
de almacenamiento en
Gránulos de cyanoficinas: arginina y
Bacterias
Ac. Aspártico.
Vacuolas gasíferas (cianobacterias)
Magnetosomas
Gránulos de azufre
Carboxisomas: ribulosa 1,5 difosfato
carboxilasa
Algunas están rodeadas por membrana distinta a la membrana plasmática.
44
ESPORAS BACTERIANAS
Se encuentra en algunas bacterias Gram + (Bacillus y Clostridium)
Son estructuras muy resistentes al calor, la desecación, la radiación, a ácidos y
desinfectantes.
Las esporas se producen en Condiciones
adversas (ej. agotamiento de sustrato).
El desarrollo de la célula vegetativa se
detiene y esta sufre cambios progresivos
que lleva a la formación de la espora.
De afuera hacia adentro:
1)exosporio (cubierta delgada, material proteico o
glicoproteico, muy resistente a enzimas proteolíticas)).
2) cubierta de la espora (varias capas de proteínas impermeable,
muy compacta).
3) Cortex o corteza (peptidoglicano con menor entrecruzamiento,
murámico modificado)
4) pared nuclear (pared celular usual).
5) Protoplasto o núcleo o core (con membrana esporal interna):
Contiene cromosoma completo,
RNA polimerasas, ribosomas (número mínimo
3P-glicerato (fte de E para germinación),
no hay RNAm, aa ni cofactores.
Acido dipicolínico (DPA) y SASPs
45
Las esporas son hipometabólicas, están en estado de dormancia y son resistentes a
diversas condiciones físicas y químicas adversas.
Proteínas ác. solubles que protegen al DNA (SASPs). Son a su vez
fuente de C y Energía en la Germinación (resist a calor seco y UV)
Alta concentración de DPA y Calcio (importancia en deshidratación)
Resistentes por
Bajo contenido de agua (termoresistentes y resistentes
a sustancias químicas.)
Número de capas que la rodean (impermeable)
el peptidoglicano de corteza (resistencia a lisozima).
Hay 125 genes involucrados en la esporulación.
46
Formación de la endoespora (7-8 hs)
Formación del tabique de la
1
2 Invaginación de la membrana
3
espora
Formación de la corteza entre las
4
2da invaginación
5
Formación de preespora
6 dos membranas
7
Formación de la cubierta
8
Formación del exosporio
9
Lisis de la célula y
Liberación de la espora
Deshidratación, incorporación de
Ca2+, producción de SASPs y síntesis
de dipicolínico
10
ESPORANGIO
Cuerpos parasporales:
Cristales proteicos que se encuentran
en el esporangio y se forman
simultáneamente con la formación de
la espora. Actividad tóxica contra
insectos (Bacillus thuringiensis)
47
48
Germinación de la endospora (90 minutos)
1)
Preactivación: Alta temperatura, radiación, bajo pH,
Proceso reversible.
La espora es una estructura latente
capaz de sobrevivir largos períodos
y con capacidad de restablecer
el estado vegetativo.
2)
Activación: Proceso reversible. Desencadenante:
agente químico externo: germinante
(ion determinado, alanina, glucosa)
3)
Germinación: Proceso irreversible. Se pierden las
propiedades características de la
espora. Aumento de actividad
metabólica por enzima ya presentes,
se degradan las SASPs, se pierde el
DPca, 3-P-glicerato pasa a ATP
(metabolismo endógeno).
4) Crecimiento: La espora se convierte en una célula
vegetativa. Síntesis de Novo de
proteínas, DNA, RNA y componentes
estructurales característicos de célula
vegetativa (metabolismo exógeno).
Rotura de cubierta: sale la nueva célula
vegetativa.
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ESTRUCTURA DE DNA
El DNA de procariotas NO está rodeado por una membrana (hay excepciones).
Se aglomera en forma superenrrollada en una determinada región de la célula
Nucleoide o Genóforo.
Es visible al Microscopio electrónico.
Consiste en una molécula circular asociada con algo de RNA y pequeñas cantidades
de proteínas (distintas a las histonas).
procariotas
eucariotas
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Tamaño heterogéneo (0,5 Mb en Micoplasma, 4,4 Mb en Escherichia coli).
Normalmente es circular y única. En Streptomyces y Borrelia es lineal.
En Rhodobacter hay 2 círculos. En Agrobacterium 1 circular y 1 lineal.
Se encuentra asociado a mesozomas.
Es haploide.
No está organizado en exones e intrones (salvo en algunas arqueobacterias).
Existencia de policistrones
PLASMIDOS
Pequeñas estructuras circulares de DNA con replicación independiente. Contienes información
genética suplementaria (resistencia a antibióticos, tolerancia a metales tóxicos, producción de
Toxinas y factores de virulencia, capacidad de conjugación). Constituye el 1-5% de toda la
información genética).
Ribosomas: se encuentran en citoplasma o debilmente adheridos a membrana plasmática.
En bacteria y archaeobacterias es 70S
El mecanismo de traducción se asemeja más entre arqueobacterias y eucariotes que entre
Arqueobacterias y bacterias.
51
Brock, Biología de los microorganismos. Madigan, Martinko y Parker
Prentice Hall
Prescott, Microbiology. Mc Graw Hill
52