Teorico 5 Estructura y Funcion Parte 2

Paredes de bacterias y arqueas
Algunos términos…..
• Envoltura celular =Membrana plasmática +
pared celular (+ la membrana externa)
• Pared celular
– peptidoglicano
– estructuras asociadas
Qué es la pared celular ?
-Cubierta rígida que rodea al citoplasma y la protege de las
fuerzas osmóticas
-Estructura exclusiva presente en la mayoría de las bacterias
a excepción de:
• Mycoplasma que poseen solamente membrana celular
• las formas L derivadas de bacterias que perdieron su
habilidad de sintetizar su pared celular
PG
• Planctomyces tienen pared proteica
• Thermoplasma sin pared (arquea)
Espacio
periplásmico
Membrana
externa
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
Diferentes tipos de paredes celulares
 Paredes
de eubacterias
Pared o Matriz de bacterias Gram-positivas
 Pared de Gram-negativas
 Pared de bacterias ácido alcohol resistentes
 Peptidoglicano o mureína: componente
común

 Paredes
de arqueas : No tienen
peptidoglicano
Estructura global de la envoltura de eubacterias
Membrana
Externa
Mureína
Membrana
citoplasmática
Gram positiva
Gram negativa
que es el peptidoglicano o mureína
Peptidoglicano: composición química

Repeticiones (n=10-100) de una unidad
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(14) con...
... N-acetilmurámico (NAM)
Las distintas unidades disacarídicas se unen entre sí
mediante enlaces β(1—4)
 Este enlace puede ser roto por la lisozima
Peptidoglicano
Cadena
peptídica
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
D-glutámico
Meso-diaminopimélico ( Lys en Gram +)
D-alanina
Resaltar que D-amino ácidos y meso-DAP no
están presentes en proteínas
Peptidoglucano: estructura global




Las distintas cadenas lineales de PG (cada una con n
repeticiones del disacárido y sus tetrapéptidos) se
unen entre sí por enlaces peptídicos
Frecuentemente enlace entre el ε-NH2 del m-DAP
(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 (-)
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 antibody bound to the sacculus. Bar, 1 μm. 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
direction of the long axis of the sacculus. The smallest hexagonal unit is
termed ‘tessera’.
Disposición del péptidoglicano
Organización del PG
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. De
todas formas, el grado de compacidad varía entre especies, y
depende de:
·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
El PG de bacterias Gram-negativas



Normalmente: 1 o unas pocas capas de PG
Solo el 50% de las cadenas participan en entrecruzamientos.
Las distintas cadenas se unen por enlaces peptídicos directos entre el grupo εNH2 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  el
violeta sale y la bacteria se tiñe con el colorante de contraste
(Fucsina o safranina)
El PG 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 en
Gram (-)
El grado de compacidad varía entre especies, y depende de:
número 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.
Entrecruzamientos en el peptidoglucano
Directo (muchas
Gram-negativas)
Puente pentaglicina (algunas
Gram positivas
Algunas variantes de PG en Gram-positivas


Muchas Gram+ poseen en (3) distintos diAAs
L-DAP

L-DAB (diaminobutírico)

L-lisina
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:
 L-ala-L-ala
 L-ala-L-ala-L-ala
 Puente
de pentaglicina (Gly- Gly- GlyGly- Gly)

Enlace D-ala(4) – D-glu(2) mediante péptido con un
diaminoácido (D-lys, D-ornitina)
Algunas variantes de PG en Gram-positivas

En Corineformes:



El –CO- en α del D-Glu(2) puede estar amidado
(CO-NH-) o unido a gly
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
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:
a) el grado de entrecruzamiento;
b) el enlace ß(1- 4) es muy compacto.
c) la alternancia en el tetrapéptido, de aminoácidos en configuraciones D y L factor adicional
que confiere aún más fuerza estructural, y facilita la formación de puentes de H.
2) 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
misma, no determina la forma, es su disposición espacial la responsable
principal de esta forma.
Función del peptidoglicano
Experimento para demostrar la función de la pared
La pared celular de las Gram-positivas

El PG de Gram-positivas está inmerso en una matriz
aniónica (hasta 60%) de polímeros :



Ácidos teicoicos:
Ácidos teicurónicos
Ácidos lipoteicoicos:
Pared de Gram positivas
La matriz de la pared celular de las Grampositivas
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-acetilgalactosamina.
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
Unidos a posición 6 del NAM
Ácidos teicoicos
• Presentes en muchas bacterias Gram+, pero no en todas.
• Son polímeros de glicerol-fosfato o ribitol-fosfato , 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 formados por la
alternancia de ácidos urónicos y otros azúcares
Ácidos teicoicos estructura
Polímero de ribitol fosfato
Polímero de
glicerol
fosfato
Se unen a través de azucares variables al PG
Ácidos teicoicos
posición 6 del NAM
Peptidoglicano
Ácidos teicuronicos
Ácido glucurónico
Peptidoglicano
Ácidos lipoteicoicos (LTA)
• Presentes en todas las bacterias
• Gram +
• Generalmente, son ácidos glicerolteicoicos
• Se encuentran unidos a la membrana
citoplásmica.*
• Unidos a la membrana por enlace
fosfodiester con glicerol
• Su extremo terminal queda expuesto al
exterior
• Suministran especificidad antigénica
• Pueden actuar como adhesinas
Glicerol de PL
Acidos lipoteicoicos
Glicerol
Ác. grasos
Otros componentes de Gram positivas
Polisacáridos neutros
Otros glicolípidos
Lípidos cerosos de Mycobacterium
Funciones de los polímeros de la matriz
• Suministrar una carga neta (-) a la PC
• Para que?
– Captar cationes (Mg++), homeostasis de iones, que participan
en actividades enzimáticas (morfogénesis y división de la PC)
• Son buenos antígenos
• En algunas bacterias actúan como receptores específicos para la
adsorción de ciertos bacteriófagos.
• Regulan las autolisinas de la pared ( agujeros en la pared que
permiten la inserción de PG naciente
• LTA ancla la pared a la membrana celular, algunas veces es
secretado y actúa como adhesina
Pared de las bacterias ácido-alcohol
resistentes (AAR)
Pared especial de ciertas Gram-positivas:
Nocardia, Mycobacterium ( tuberculosis,
lepra), corineformes
 Resisten la decoloración con clorhídricoetanol ( ácido-alcohol resistentes)
 Esta propiedad deriva de:




Ácidos micólicos
Glucolípidos
Ceras
Pared de las bacterias ácido-alcohol
resistentes (AAR)
• Son una variante de la pared de grampositivas
• Pared celular muy compleja con abundantes
lípidos.
• Composición química:
– Peptidoglicano especial
– un arabinogalactano de gran peso molecular
unido al PG
– ácidos micólicos unidos al polímero anterior
– Lípidos superficiales
Pared de AAR
El peptidoglucano, sustituye el ácido N-acetilmurámico por
N-glucolilmurámico y se encuentra relacionado por enlaces
fosfodiéster
-con un arabinolactano. Este esqueleto está unido, además,
por enlaces covalentes
-con los ácidos micólicos, es decir, micomembrana
peptidoglicano + arabinolactano + ácidos micólicos y lípidos:
glucolípidos o ceras.
Pared de Mycobacterias
Arabinoglalactano
Lipoarabinomanano
Ácidos micólicos



Son ß-hidroxiácidos grasos ramificados en α, de
cadena muy larga (hasta 91 C)
Forman parte de un esqueleto muy peculiar de la
pared celular:
Están en la parte externa de la pared y pueden
estar esterificados a otro polisacárido
arabinogalactano ( arabinosa+galactosa o
trealosa)
 PGarabinogalactanoácidos micólicos
Otros lípidos de en la pared de bacterias AAR
• Glucolípidos
• Micolatos de trehalosa: Constituyen el llamado factor de crecimiento
en cuerdas (cord factor)  responsables de la agregación de las
bacterias en forma de “cuerdas” (factor de virulencia)
• Sulfolípidos de trehalosa: Importantes factores de virulencia. En M.
tuberculosis funcionan como evasinas (evade la acción de los MØ
inhibiendo la formación del fagolisosoma)
• Micósidos: Factores de virulencia (micólicos +azúcares)
• Ceras: Unión de ácidos micólicos con ftioceroles (alcoholes de alto
peso molecular)
Coloración de Ziehl Neelsen
Papeles conferidos por la pared AAR




Aspecto y consistencia cérea de las colonias en
placas de Petri
Forma de serpentina ( factor cordón)
En líquidos crecen formando grumos
Gran impermeabilidad


Resistencia a desecación
Resistencia a agentes antibacterianos



Detergentes
Oxidantes
Ácidos y bases
Bacterias AAR famosas
Importantes patógenos
humanos
Micobacterium leprae
Micobacerium tuberculosis (1882 bacilo de Koch)
Bacilo de Koch
Bacilus antracis
Postulados de Koch
Paredes de Gram negativas
Pared de Gram negativas
LPS
La envoltura celular de Gramnegativas

Estructuralmente más compleja que Grampositivas



capa delgada de PG inmerso en un compartimento
llamado ...
... espacio periplásmico el cual a su vez limita con ...
... la membrana externa (ME)
-LPS
-Fosfolipidos
-Proteínas ( Porinas)
Membrana Externa (ME)
La ME de bacterias Gram-negativas

Bicapa proteolípídica muy asimética:

En la lámina externa:
60% de proteínas
 40% de lipopolisacárido LPS


En la lámina interna:
No hay lipopolisacárido
 Existen




Fosfolípidos (=MI)
Lipoproteínas
Otras proteínas
Composición del lipopolisacárido (LPS)
Región proximal: Lípido A (hidrófobo)
 Región intermedia: oligosacárido central o
“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
dan colonias rugosas y están afectados en distintas
propiedades biológicas, pero pueden sobrevivir.
Prescot, 1999
KDO
GluN
Lípido A
Disacárido de glucosamina
β-OH ácidos
Endotoxina
El lipopolisacárido
Unidad repetitiva de
la cadena lateral
Núcleo externo
A.G. saturados
(C-14): betahidroximirístico
Núcleo interno
Glucosaminaß(16)glucosamina, con
–OH en 1
sustituido con –Petanolamina
Papeles y funciones del LPS

Papel estructural: lípido A contiene SFA



Las cadenas laterales interacciones covalentes




Menor fluidez de esta membrana
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
Se une a cationes Mg, Zn

Si añadimos agente quelante, como EDTA 
desorganización de la membrana externa
Papeles y funciones del LPS

Región del lípido A: endotoxina
 Papel positivo:
 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)
 Hipotensión, a veces con fallo cardiaco
 Actividad necrótica en tejidos
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.
Su –NH se une por amido a A-G.
Su aa. C-terminal es una lys

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
Interacción hidrofobica
Se une al PG
Papeles y funciones de las
lipoproteínas



Rol estructural : Estabiliza la envoltura de gram
negativas
Mantiene unida la ME a la superficie celular
Es una proteína muy abundante y aumenta en
el PG maduro
Espacio periplásmico o gel periplásmico
En Gram negativas se encuentra entre las dos membranas
En Gram positivas no esta demostrado
Es rico en proteínas
Incluye RNAsas
Penicilinasas
Proteínas de transporte de nutrientes
Proteínas de transporte de electrones
Función de osmoregulación MDO
Proteínas de la membrana externa





Porinas: Canales pequeños no específicos que permiten el
paso de moléculas hidrofílicas
Forman trímeros, con canales interiores que atraviesan la
membrana externa
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 (BtuB)
 Para quelatos de Fe
 Para ciertos nutrientes
 LamB canales de maltosas y maltodextrinas
Las porinas
Porinas mayoritarias
OmpF: poro grande
OmpC: poro chico
PhoE
OmpC y OmpF están presentes
siempre
OmpC/OmpF aumenta cuando aumenta
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
Transporte de solutos en procariotas
Sistemas ABC
ABC Permite el transporte de proteínas al medio en un solo paso.
Frecuentemente usado por bacterias fitopatógenas para secretar factores de
virulencia. Las proteínas sustratos poseen péptido señalen extremo C-terminal,
no se remueve después del transporte. Transporta proteínas desplegadas.
Depende de ATP. Posee complejo de membrana de la flia transportadores ABC
Transportadores de Fe-sideroforos
TonB……,touch and go??
Transducción de
energia
TonB. Proteína periplasmica anclada a la MI y que tiene contacto con la ME, es requerida para
El transporte de varios solutos que no pasan por la porinas y que requieren receptores en la ME,
ej los sideroforos. TonB es energizado por la energía de la membrana, sufre un cambio
conformacional lo transduce al receptor y resulta en la traslocación del soluto
Secreción de proteínas
Membrana Interna
Periplasma
Membrana Externa o medio - salen directamente por canales que se extiend
por las dos membranas y el PE, utilizan
transportadores ABC.
-utilizan intermediarios periplásmicos
1er paso SEC o TAT
2do paso traslocasas a través de la ME
Sistemas de secreción de proteínas en bacterias
Translocación de proteínas
SecB
Partícula de
reconocimiento
SRP
Existen tres formas de
transporte de proteínas a
Hay través de la MC
-Ruta general de secreción
SEC, SecB y SRP hacen el
delivery a la maquinaria
SEC
-Ruta de transportadores
ABC
--Ruta de translocación de
proteínas plegadas TAT
(twin-argininietransport)
http://www.youtube.com/watch?v=IKcumiif0dI
Sistemas TAT
-Mecanismo preferencial de secreción de
proteínas en las arqueas halófilas extremas, su
importancia es secundaria en las bacterias.
-Transporta proteínas en estado parcial o
totalmente nativo y enzimas con cofactores.
-Proteínas sustratos poseen péptido señal en
extremo N-terminal con motivo característico
que contiene dos argininas.
Depende de FPM.
Exporta proteínas secretadas al medio
Traslocasa TatABC
Papeles y funciones de la membrana externa

Tamiz molecular


Permite el paso de moléculas relativamente
pequeñas
protección frente a agentes antibacterianos
Colorantes
 Antibióticos
 Enzimas (ej.: lisozima)
 Ácidos biliares

Papeles y funciones de la membrana externa




Condiciona propiedades de superficie:
 Grado de humedad
 Adhesividad
 Carga eléctrica
Lugar donde se fijan las proteínas del sistema
defensivo : Complemento del hospedador
Lugares de adsorción de ciertos fagos
Uniones de Bayer. Puntos de contacto con la MI
El espacio periplásmico (periplasma)


Compartimento acuoso, contiene proteínas, sales,
oligosacáridos y peptidoglicano. Estos últimos
existen en forma hidratada formando un gel.
Compartimiento con actividades epecializadas







RNasas y fosfatasas
Proteínas de transporte de ciertos nutrientes
Proteínas de unión a señales químicas
Enzimas hidrolíticas
proteínas de transporte de electrones
Proteína TonB
Función de osmoregulación :MDO (membrane derivate
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
Paredes de las arqueas



No poseen peptidoglicano
No poseen membrana externa
Todas poseen algún tipo de estructura por fuera de
la membrana que funciona como pared.. excepto en
Thermoplasma
Pseudomureína

En Metanobacteriales: existe la pseudomureína:



Unidades repetitivas de NAGß(1-3)NAT (Nacetil-talosaminourónico)
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
diversas cadenas se unen entre sí por enlaces peptídicos
entre el aminoácido terminal (4) de un tetrapéptido y el
diaminoácido (3) de otra cadena.
Capa S: Estructura proteica muy ordenada
Es el tipo mas común de pared en Archaea
Constituída por proteínas o glicoproteinas
Con estructura paracristalina
© 2012 Pearson Education, Inc.
Paredes de las arqueas
En ciertas arqueas de ambientes extremos, esta capa S está
estabilizada por factores de esos ambientes: En el halófilo
obligado Halobacterium las subunidades de glucoproteína se
estabilizan por altas concentraciones de ión Na+. En el
termoacidófilo Sulfolobus la estabilidad la confieren los
bajísimos pH.
Paredes de las arqueas
En Methanosarcina y Halococcus la capa S se encuentra rodeada
de metanocondroitina, un polímero a base de N-acetilgalactosamina, glucurónico, glucosa y manosa.
(Esta metanocondroitina es similar al condroitín sulfato presente
en tejido conjuntivo de animales).
Bacterias sin pared
• Micoplasmas: 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
Tienen esteroles en su membrana
• Existen como bacterias sin pared (Micoplasmas) o
como bacterias que han perdido su pared (formas L,
protoplastos o esferoplastos.)
Buscar nombres de bacterias famosas
Describir la enfermedad o proceso
por el cual se las reconoce
Describir la estructura