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.