2.2 PARED CELULAR

UNIDAD 2 ESTRUCTURA MICROBIANA

¿LAS BACTERIAS TIENEN PARED CELULAR?

¿Cómo está compuesta?

¿Qué tan rígida es?

¿Para qué la necesitan?

¿Son iguales a las de los vegetales?

¿Es igual en todas las bacterias?

2.2 Pared celular: estructura, composición química y función de las paredes celulares de Eukarya, Archaea y Bacteria. Células carentes de pared celular naturales e inducidas.

Muchos grupos microbianos comparten estructuras semejantes, lo que nos permite imaginar que son esenciales para su viabilidad, tal es el caso de la Pared celular.

La PARED CELULAR permite a las bacterias, algas y hongos tener formas rígidas características.

Las bacterias tienen formas básicas esféricas, cilíndricas y curvas características debido a la presencia de su Pared Celular

LA PARED CELULAR BACTERIANA

•  Es una estructura compleja, semirígida, responsable de la forma de la bacteria. La pared celular rodea la frágil membrana citoplasmática protegiendo el interior celular de los cambios en el medio ambiente.

•  La mayoría de los procariotes poseen pared celular

•  La principal función de la pared celular es prevenir la ruptura de las células cuando su presión interna es mayor que la de su exterior, esto ocurre cuando la bacteria se encuentra en medios hipotónicos.

La pared celular mantiene la forma de la célula bacteriana , sí fuese eliminada, el microorganismo se convertiría en una burbuja amorfa .

Sirve de anclaje a los flagelos , y distintos receptores están localizados en ella.

La interacción de la pared celular con el ambiente externo de la célula bacteriana determina su supervivencia.

Péptidoglucano o Mureína

Saco de mureína asilado de E. coli y visualizado con microscopía electrónica.

El disacárido del péptidoglicano (mureína) esta compuesto por:

N-acetilglucosamina (NAG) y

el Ácido N-acetilmurámico(NAM)

GLUCOSA + N-ACETILO GLUCOSA + N-ACETILO + AC. OXIPROPANOICO

Enlace glucosídico β (1>4)

Estos 2 carbohidratos se enlazan por uniones glucosídicas β (1>4) formando una cadena de 10 a 65 azúcares, que constituyen la porción glucosídica de la pared celular

Las cadenas de NAM-NAG son unidas por pequeños péptidos que constituyen la porción peptídica de la pared celular.

La parte peptídica del péptidoglucano en general, esta constituida por cuatro aminoácidos unidos al ácido acetilmurámico.

Los aminoácidos que con mayor frecuencia son encontrados en éste péptido son : D-Alanina, L-Alanina , Ácido D- Glutámico y/o D-Lisina ó bien Ac. Diaminopimélico. Este hecho es único pues los aminoácidos que se encuentran generalmente en otras proteínas son todos de la forma L.

Los aminoácidos se unen para formar una estructura repetida llamada el “péptido del glicano”, constituído por 4 ó 5 a.a

El Ácido Diaminopimélico (DAP) no ha sido encontrado en Arqueas ni en Eucariontes

Enlaces en la pared

§ Gram positivas § Gram negativas

Se conocen más de 100 tipos distintos de péptidoglicano, su variación más importante se refiere al número de puentes peptídicos y al tipo de aminoácidos presentes.

PÉPTIDOGLUCANO en Escherichia coli.

PÉPTIDOGLUCANO en Staphylococcus aureus.

SÍNTESIS DE PARED CELULAR

Ensamblaje de la pared celular El ensamblaje de las subunidades de la pared celular ocurre en el lado citosólico de la MI. Los precursores de azúcares UDP-activados son montados sobre un portador poli-isoprenoide (BACTOPRENOL), estos forman el Lípido II (b), que entonces es transportado a través de la MI por un mecanismo desconocido. Nature Reviews Drug Discovery 5, 321-323 (April 2006)

http://www.scielo.br/img/revistas/qn/v31n2/a33fig01.gif

uridina

Ensamblaje de la Pared Celular

Nature Reviews Microbiology 6, 28-40 (January 2008)

PBP´s

PBP´s: Penicillin Binding Proteins Transglicosilasas y transpeptidasas

Autolisinas: Cortan previamente los enlaces glicosídicos y peptídicos para que se intercalen nuevas subunidades

Growth of the bacterium requires continuous remodelling of the peptidoglycan envelope. Bacteria, therefore, also possess a series of autolytic enzymes, such as glycosidases, peptidases and amidases, that selectively cleave the molecular meshwork and thereby facilitate the insertion of additional cell-wall material.

http://pharmaxchange.info/press/2011/03/animation-of-synthesis-of-peptidoglycan-layer/

Ensamblaje de la Pared Celular

§ Gram positivas § Gram negativas

Antibióticos que afectan la síntesis de pared celular

PARED CELULAR EN BACTERIAS GRAM POSITIVAS Debido a que la pared celular de las bacterias Gram (+) estan constituídas por una capa gruesa de péptidoglicano son más sensibles a la acción de la penicilina, lisozima y sus derivados, ya que estos antibióticos inhiben la formación de los enlaces peptídicos intracatenarios del péptidoglicano y glucosídicos entre NAM y NAG.

Membrana externa

Peptidoglicano

Membrana citoplasmática

Las bacterias G(+) y G( - )muestran diferencias estructurales muy importantes.en su pared celular:

Espacio

periplásmico

Gram Positivas Gram Negativas

Hans Christian J. Gram, 1853-1938

TINCIÓN DE GRAM

El cristal-violeta con el Yodo forma un complejo insoluble. El etanol en Gram + deshidrata porque tienen una pared celular (PC) muy gruesa con varias capas de péptidoglucano y se cierran los poros de la PC lo que impide la salida del complejo cristal violeta-yodo. En Gram - el alcohol penetra rápidamente la membrana externa que es rica en lípidos y el complejo se extrae fácilmente.

Gram positivas

Bacillus anthracis

Staphylococcus aureus

Algunos de estos ácidos que contienen glicerol se asocian a los lípidos de la membrana, tomando el nombre de ácidos lipoteicóicos.

Algunos microorganismos como Bacillus, tienen ácidos teicurónicos como parte de la estructura de su pared celular cuando crecen en medios con bajas concentraciones de fosfatos.

Nature Reviews Microbiology 6, 276-287 (April 2008)

Muchos patógenos Gram + presentan tipos especiales de glicopolímeros (CGW) en su pared celular además de los ácidos teicóicos

Glicopolímeros de Pared Celular (CWGs)

Nature Reviews Microbiology 6, 276-287 (April 2008)

§ Mantenimiento de las envolturas.

§  Interacciones Microorganismo-Hospedero.

§ Existe una gran variedad. § Son altamente

antigénicos. § Son usados como

marcadores.

Ácidos teicoicos y otros componentes.

§ Ácidos teicoicos Polímeros de ribitol fosfato o glicerol fosfato.

§ Ácidos teicurónicos Polisacáridos ácidos conteniendo ácido urónico (N-acetilgalactosamina y acido D-

glucorónico). Bacillus subtilis en medios pobres de fosfato.

§  Polisacáridos neutros Son particularmente importantes en la clasificación de estreptococos y

estafilococos (ejemplo en grupos A, B y C de estreptococos).

§ Ácidos lipoteicoicos (LTA)

Asociados a la proteína M de Streptococcus pyogenes

Gram negativas

Neisseria meningitidis

Enterobacter cloacae

La membrana externa de la pared de Gram negativos no solamente esta compuesta por fosfolípidos, contiene además el LIPOPOLISACÁRIDO (LPS), lipoproteínas, porinas y otros receptores.

PARED CELULAR EN BACTERIAS GRAM NEGATIVAS

Más 50% Entre 10 y 20%

DIFERENCIAS ENTRE BACTERIAS GRAM (+) y Gram (-)

Característica Gram Positivas

Gram Negativas

Grueso de la pared 20-80 nm 10 nm

Número de membranas 1 2

Contenido de lípidos y lipoproteínas 0-3% 58%

Contenido de proteínas 0% 9%

Lipopolisacárido 0 13%

Sensibles a penicilina + - (Poco)

Sensibles a lisozima + - (Poco)

Espacio periplásmico (periplasma)

Es el espacio que se encuentra entre las dos membranas en las bacterias Gram negativas, comprende del 20-40% del total del volumen celular, este periplasma tiene embebido la capa de mureína y una solución densa de proteínas que facilitan la nutrición e inhibición de algunas sustancia tóxicas.

Proteínas del periplasma § Proteínas de unión: -Aminoácidos (arginina, leucina) -Azúcares (galactosa, glucosa,

arabinosa) -Vitaminas (tiamina, Vitamina B12) -Iones (fosfato, sulfato)

§ Enzimas degradativas: -Varias fosfatasas -Proteasas -Endonucleasa I -Macromoléculas

§ Enzimas destoxificantes: -β-lactamasas -Enzimas fosforilantes de

aminoglucósidos

Degradantes, la penicilina y compuestos relacionados antes de que tengan contacto con la célula.

β -lactamasas Enzimas desintoxi- cantes

Percepción del medio ambiente y el cambio de comportamiento de la célula en respuesta a un estímulo.

Proteínas de quimiotaxis Quimiore-ceptores

Proteínas de acoplamiento para el transporte a través de la membrana.

Azúcares, aminoácidos, iones, vitaminas

Proteínas de unión a:

Degradantes ácidos nucleicos. Endonucleasas

Degradantes proteínas y péptidos. Proteasas

Degradantes, compuestos que contienen fosfato Fosfatasas Enzimas

hidrolíticas

Función Ejemplos Tipo de enzima

PROTEÍNAS DEL ESPACIO PERIPLÁSMICO

Funciones del periplasma §  Transporte de moléculas: § Osmorregulación:

El periplasma tiene una

osmolaridad igual que el interior, lo cual es regulado por que existe un gradiente osmótico con el exterior, por medio de la formación de altas concentraciones de oligosacáridos derivados de membrana (8-10 unidades de glucosa enlazados y sustituidos con glicerol-fosfato).

Micobacterias

Mycobacterium tuberculosis

Micobacterias

Mycobacterium tuberculosis

Diversidad de las estructuras de superficie en arqueobacterias

Nature Reviews Microbiology 9, 414-426, 2011

Arqueobacterias

Nature Reviews Microbiology 9, 414-426, 2011

PARED CELULAR EN ARQUEAS

Algunas especies de Arqueas carecen de pseudopéptidoglicano y están cubiertas por polisacáridos, glicoproteínas ó proteínas.

La forma más común de pared de las Arqueas es la capa S paracristalina, que está compuesta de proteínas o lipoproteínas dispuestas en simetría hexagonal. Esta estructura se encuentra en Arqueas como los halófilos extremos, metanógenos y los hipertermófilos.

Sus funciones son idénticas a las de Eubacterias y son resistentes a penicilina y lisozima.

Capa S de Aquaspirillum serpens de simetría hexagonal

Capa cristalina S

Se encuentra principalmente en arqueobacterias y en algunas bacterias.

Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)

§ Hipertermófilas

§ Mesófilas

Pseudomureína § N- acetilglucosamina y ácido N-acetiltalosaminurónico.

§ Enlaces β1-3.

§ Resistente a la lisozima y a la penicilina.

§ Descrita en los Methanobacteriales y en el género Methanopyrus.

Células sin Pared Celular

Mycoplasma pneumoniae

§ Micoplasmas § Protozoarios

Amoeba

Células sin Pared Celular § Protoplastos las células bacterianas a

las que se ha desprovisto totalmente de pared celular.

§ Esferoplastos son aquellas células bacterianas que poseen restos de pared.

§ Gram-positivas, la desorganización total de su pared, por lo que se obtienen protoplastos.

§ Gram-negativas, quedan restos de membrana externa y de peptidoglucano atrapados en ella, por lo que se obtienen esferoplastos.

En ambos casos, protoplastos y esferoplastos pueden revertir a la forma normal eliminando el tratamiento.

Células sin Pared Celular

Obtención. Existen dos posibles métodos alternativos:

§ Por destrucción del entramado del PG mediante enzimas líticas (lisozima, peptidasas). En el caso de bacterias Gram-negativas, previamente hay que desorganizar la membrana externa para hacerla permeable a estas enzimas. Ello se logra usando el quelante EDTA y/o sometiendo las células a bajas temperaturas.

Células sin Pared Celular

§ Por inhibición de la formación de nuevo PG en las células en crecimiento, tratándolas p. ej., con penicilina. Si se parte de un mutante auxótrofo para un componente del PG basta hacer crecer a la bacteria en un medio carente de dicho componente.

n Formas L naturales: n Carentes totalmente (o casi) de PC que algunas bacterias generan espontáneamente en medios a base de suero (que son hipertónicos) n Ejemplo: Streptobacillus moniliformis n Colonias en forma de “huevo frito”

n Formas L inducidas: Tratamiento con penicilina en medio hipertónico

n L inestables: tratamiento breve; revierten PC n L estables: tratamiento prolongado; no revierten PC

FORMAS L

PARED CELULAR EN

HONGOS

Constituída por quitina( Polímero de N-acetil-glucosamina), algunas especies poseen microfibrillas de celulosa y otras presentan polímeros como mananos, galactanos ó quitosano

Quitina

Quitosano

La Quitina también esta presente en el exoesqueleto de los arácnidos, crustáceos e insectos

La Quitina se desacetila para transformarse en Quitosano y Quitano

Celulosa

Formada por moléculas de glucosa unidas por enlaces β1-4

PARED CELULAR DE ALGAS

LOS PROTOZOARIOS NO TIENEN PARED CELULAR

Pared Celular §  Bacterias Péptidoglucano

(N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico) Ácidos Teicoicos y Lipoteicoiocos en Gram positivas

§  Micobacteria Péptidoglucano (N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico)

Acidos Micólicos

§  Arqueas Pseudopeptidoglucano (N- acetilglucosamina y ácido N-acetiltalosaminuronico) Polisacáridos, glicoproteínas o proteínas (Glucosa, Ácido

glucorónico, galactosamina, acetato, SO4-)

Capa cristalina S Proteína o glicoproteína

§  Hongos Principalmente Quitina

§  Algas Principalmente Celulosa

§  Protozoarios No tienen pared