Estructuras de adhesión y locomoción

Estructuras de
adhesión y
locomoción
Fimbrias
Polisacáridos capsulares
Flagelos
Fimbrias
Apéndices de adherencia formados de proteínas (pilina)
anclado en la membrana externa
Fimbrias en bacterias Gram
negativas
Enterobacterias y otras bacterias patógenas
Tipo
Genes
Biogénesis
I
fimA-fimH
Chaperoneusher
pathway
Características
Tienen la habilidad de
aglutinar eritrocitos.
Algunas son inhibidas
por la adición de
D-manosa MSHA
(hemaglutinación
manosa sensible).
Microorganismos
E. coli, Klebsiella,
Samonella, Vibrio y
otras enterobacterias
Otras son MRHA
(hemaglutinación
manosa resistente)
II
Chaperoneusher
pathway
No hemaglutinantes,
variantes antigénicas
de las fimbrias tipo I.
Escherichia y
Salmonella
Chaperone-usher pathway
La chaperona periplasmática FimC
forma complejos con las
subunidades de la fimbria recién
translocadas (FimA, FimG, FimF,
FimH).
El complejo FimC–subunidad se
dirigen a la plataforma de
ensamblaje (usher) FimD, la cual
reconoce específicamente al
complejo.
FimC es devuelta al periplasma y la
subunidad es translocada por el
poro de FimD.
The EMBO Journal (2005) 24, 2075–2086.
La fimbria está compuesta de
diferentes subunidades en forma de
hélice en la superficie de la célula.
Mecanismo de fimbrias tipo I
•E. coli patógena
emplea el fimbrias
tipo I para unirse a
las proteínas de la
superficie de las
células de la vejiga.
•Los pilicidas
(piridona) inhiben la
biogénesis de las
fimbrias al destruir las
interacciones de las
proteínas del sistema
de secreción.
Nature Reviews Microbiology 6, 17-27 (January 2008)
Fimbrias en bacterias Gram
negativas
Tipo
Genes
Biogénesis
Características
III
mrkA-mrkF
K. pneumoniae
Chaperone–
MRHA en
usher pathway eritrocitos
pretratados con
ácido tánico.
IV
pil
SSTII
Asociadas con el
movimiento no
flagelar.
Microorganismos
Klebsiella, Salmonella,
Yersinia, Proteus y
Providencia
Neisseria
gonorrhoreae
Nature
Reviews
Microbiology
4, 11-22
(January
2006)
Sistema de secreción tipo II
SSTII
Fimbria Tipo IV
http://www.genome.ad.jp/dbget-bin/get_pathway?org_name=bsu&mapno=03090
Twiching
Una clase de fimbrias son las
tipo IV que están involucradas en
un tipo de movilidad llamado
(Twitching), que ocurre en
superficies sólidas a través de
una rápida y reversible extensión
y retracción de la fimbria.
Modelo de motilidad para
Neisseria gonorrhoeae. Esta
bacteria puede seguir adelante
en superficies por un ciclo de
extensión, adherencia y
retractación.
Fimbrias en bacterias Gram
negativas
Tipo
Genes
Biogénesis
P
Operón
Pap
(papApap
K)
Chaperone–
usher
pathway
Características
Pili P o E. coli
uropatógena
(UPEC) o
asociada a
pielonefritis
Microorganismos
Escherichia coli
Fimbria P y fimbria tipo I
Nature Reviews Microbiology 7, 765-774, 2009
Figure 1 | P and type I pili. A
schematic of P (part a) and
type 1 (part b) pili, represented
by the Pap and Fim systems,
respectively. Numbers indicate
the number of copies of
each subunit in the pilus. The
chaperones attached to the
last subunit to be incorporated
into each pilus are shown in
yellow. P pili are terminated at
the outer membrane (OM)
by the termination subunit,
PapH. No such subunit is known
in the Fim system. The usher
dimers are indicated in purple
and blue. E, extracellular space;
P, periplasm. Figure is
modified, with permission, from
REF. 35 © (2008) Elsevier.
E. coli uropatógena (UPEC)
Nature Reviews Microbiology 6, 17-27 (January 2008)
Fimbrias en bacterias Gram
positivas
Tipo
Biogénesis
Características
Microorganismos
Fibras
ND
Cortas, finas y cilíndricas.
Estreptococos de la
cavidad oral.
Fimbrias
Sortasas
(algunas)
Alargadas y flexibles.
Corynebacterium spp y
Streptococcus spp.
Sortasas y ensamblaje
Transpeptidasa que une
unidades de péptido en
diferentes cadenas de
peptidoglucano.
Específicamente une el
residuo de Treonina (T) de la
secuencia LPXTG a la pared
celular por una reacción de
transpeptidación.
Modelo de S. penumoniae.
Sortasas y ensamblaje
Las proteínas son secretadas por Sec. a| rompimiento entre treonina
y la glicina b| formación de un intermediario entre la cisteína de la
sortasa y la treonina de la proteína c| oligomerización Lisina y
cisteína.
Nature Reviews Microbiology 4, 509-519 (July 2006)
Sortasas y ensamblaje
d| la unión entre
la sortasa con la
subunidad de
pilina es atacada
por el
pentapéptido del
lípido II.
e| unión
covalente con el
precursor de
peptidoglucano.
Nature Reviews Microbiology 4, 509-519 (July 2006)
Organización
Los modelos propuestos
involucran la presencia
(verdes) de proteínas
auxiliares que participan
junto con las unidades
de pilina en el anclaje
de la bacteria a la
célula hospedera
Modelo de adherencia de
Streptococcus
Nature Reviews Microbiology 4, 509-519 (July 2006)
Polisacáridos capsulares
Glucocálix: material extracelular que
rodea a la célula, compuesto por
polisacáridos, proteínas o ambos.
Exopolisacárido (EPS): glucocálix hecho
con azúcares (homopolimérico o
heteropolimérico).
Cápsula: sustancia organizada, grande y
asociada a la pared celular. En bacterias
Gram negativas anclada a una porción
lipídica de la membrana externa.
Capa mucoide o mucilaginosa:
sustancia amorfa, esparcida o soluble
que rodea a la célula.
Cápsula y capa mucoide
E. coli.
Antígeno K de cápsula
Acido colánico (antígeno M) capa mucoide
Precursores de cápsula
Glucosa 1-P
Nucleósido
5-difosfato
Nature Reviews Microbiology 8, 578-592, 2010
Biogénesis de cápsula
La biosíntesis y secreción de
polímeros bacterianos
requieren del ensamblaje de
complejos multiproteícos.
Modelo de la biosíntesis del
polisacárido capsular K30 de
Escherichia coli.
Organización genética.
Nature Reviews Microbiology 8, 578-592, 2010
Biogénesis de cápsula
Ruta de síntesis de poli-gglutamato (PGA) en Bacillus
spp.
A, B, C, y E representan
cada uno a CapA, CapB,
CapC y CapE de la síntesis
de PGA capsular en Bacillus
anthracis o PgsA (PgsAA y
CapA), PgsB (CapB), PgsC
(CapC) y PgsE de la síntesis
de PGA extracelular en
Bacillus licheniformis y
Bacillus subtilis.
Nature Reviews Microbiology 8, 578-592, 2010
Especificidad inmunológica
Antígeno K (del alemán Kapselantigene)
En Eschechichia coli se han encontrado más de 80 tipos que
difieren en su antigenicidad y composición.
En S. pneumoniae se han descrito más de 90 serotipos
capsulares.
Para Cryptococcus neoformans se han reportado al menos 6
estructuras capsulares diferentes.
Evasión del sistema inmune
El polisacárido capsular previene la detección por el sistema
inmune del hospedero.
Formación de biopelículas.
Adherencia.
Biofilms o biopelículas
Un biofilm puede contener
aproximadamente un 15% de
células y un 85% de matriz
extracelular, generalmente
polisacáridos, que forman canales
por donde circulan agua, enzimas,
nutrientes, residuos; allí los individuos
establecen relaciones,
dependencias, viven, cooperan, y
se comunican a través de señales
químicas, quorum sensing, que
regula la expresión de genes de
manera diferente en las distintas
partes de la comunidad, como un
tejido en un organismo multicelular.
Biofilms o biopelículas
Superficies abióticas
Superficies bióticas
Ventajas de las biopelículas.
Disponibilidad de nutrientes.
Redes de alimentos.
Biopelículas mixtas.
-Superficie aeróbica
-Base anaeróbica
Biopelículas anaeróbicas.
-Bacterias fermentadoras
-Bacterias acetogénicas obligadas
-Bacterias metanogénicas
-Bacterias sulfato reductoras
Biopelículas aeróbicas.
-Bacterias quimiolitótrofas
Sludge granules
Ventajas de las biopelículas.
El interés en los biofilms tiene que ver con la implicación que tienen
en la resistencia antibiótica y a desinfectantes, ya que por ser una
estructura más fuerte y menos accesible que una colonia son
una herramienta de supervivencia importante en bacterias. Los
antibióticos y desinfectantes solo alcanzan a las células más
expuestas de la superficie, aunque algunas veces pueden difundir
al interior del biofilm su concentración no es suficiente y/o
bacterias que están la base son resistentes, lo que evita su
destrucción.
Comunidades en las biopelículas
Microcolonias. Están
formados por
agrupaciones de
bacterias de un mismo
tipo o bien de diversos
tipos.
Matriz. Exopolisacárido
que comprende entre el
50 y el 90% de la
biopelícula.
Imagen. Microcolonias bacterianas (biofilm) dentro de una cripta
de amígdala extirpada a un paciente con infecciones
recurrentes. Recuadro: se observan al menos dos tipos de
colonias bacterianas.
Comunidades en las biopelículas
Canales entre las microcolonias. Permiten el paso de agua,
nutrientes y productos de desecho entre las microcolonias.
Modelo de
una
biopelícula
oral
Nature Reviews Microbiology 2, 552-568 (July 2004)
Formación de la biopelícula
Stage 1, initial attachment; stage 2, irreversible attachment;
stage 3, maturation I; stage 4, maturation II; stage 5, dispersion.
Formación de la biopelícula
1. Anclaje inicial (reversible).
 Flagelo
 Fimbrias
 Adhesinas no fimbriales
2. Formación de la monocapa
(irreversible).
 Twitching motility
 Síntesis de exopolisacárido
3. Maduración fase I.
 Crecimiento de la matriz
 No hay movilidad
 Formación de microcolonias
Formación de la biopelícula
4. Maduración fase II.
 Crecimiento de la matriz
 Formación de canales de agua
 Crecimiento de las microcolonias
5. Dispersión.
 Baja concentración de nutrientes
 Migración por canales de agua
 Formación de nuevas biopelículas
Formación de la biopelícula
Expresión de genes
Cuando la bacteria forma una
biopelícula la expresión de genes
cambia como respuesta a los
requerimientos de la célula.
En E.coli y P. aeruginosa, se reduce la
producción de flagelina e incrementa
la expresión de los genes para producir
ácido colánico y alginatos
respectivamente.
Quorum sensing. Ruta de señales que
emplea la bacteria para si misma o en
una población. La señales dan como
resultado la expresión o regulación de
genes en respuesta a un estímulo.
Flagelo
Filamento helicoidal o propela, que es impulsado por un
motor rotatorio embebido en la superficie celular.
Filamento. Componente propulsor.
Codo o gancho. Estructura de
acoplamiento entre el filamento y la
superficie celular.
Cuerpo basal. Componente
multiproteíco que contiene el motor
flagelar.
-Ancla el flagelo a la célula.
-Suministra el mecanismo del
movimiento (un motor rotatorio que
puede girar en ambos sentidos).
-Alberga la maquinaria de exportación
para el ensamblaje del flagelo.
Nature Reviews Molecular
Cell Biology 5, 1024-1037, 2004
Biogénesis
Sistema de secreción tipo III
El aparato de exportación flagelar en S. enterica es el
encargado de reconocer las proteínas a ser exportadas.
6 proteínas membranales (FlhA, FlhB, FliO, FliP, FliQ y FliR).
Componentes solubles (FliI, FliH, la chaperona general FliJ y las
chaperonas específicas FlgN, FliS y FliT).
Proteínas flagelares
Nature Reviews Microbiology 4, 784-790, 2006
Proteínas flagelares
Biogénesis
Flil ATPasa
FliH regula a FliI. Regula para acoplar la actividad a la translocación.
1. El anillo MS se inserta en la MI y forma el núcleo sobre el que se
acoplarán todos los demás componentes.
2. Posteriormente se forma el anillo C que se localiza en el citoplasma y
está formado por las proteínas FliG, FliM y FliN, que participan en el
cambio de dirección de la rotación flagelar y generación de la torca
(o fuerza de rotación).
3. Se incorpora el aparato de exportación responsable de secretar a los
componentes que no presentan un péptido señal y que por lo tanto, se
exportan a través de la vía específica tipo III.
Biogénesis
4. Las subunidades del eje, del gancho y la flagelina (que forma el
filamento), viajan por el interior de la estructura, a través de un canal
central de 30 D.
5. Las subunidades que forman los anillos P y L son las únicas proteínas del
sistema que presentan secuencia señal y utilizan la vía Sec.
6. Se exportan las subunidades del gancho, el cual se alarga hasta una
longitud determinada.
7. Regulación: cuando el gancho adquiere su tamaño final, se exporta el
factor antisigma FlgM, liberando de esta forma en el citosol al factor
sigma FliA, que es el responsable de la transcripción de los genes que
formarán las estructuras tardías, como el de la flagelina.
Biogénesis
8. Por último, se exportan las llamadas proteínas tardías HAP1 y
HAP3 (que forman una zona de amortiguamiento entre el
gancho y el filamento), la proteína HAP2 (que acompaña la
formación del filamento ayudando a que las subunidades se
ensamblen correctamente), y la flagelina.
Rotación del flagelo
FliG, FliM, FliN Componentes del interruptor flagelar para
la rotación y determinan la dirección (CWW y CW)
Taxis (Taxias)
 Aerotaxia. Migración ante un gradiente de O2:
- Bacterias anaerobias: aerotaxia negativa
- Bacterias microaerófilas: atraídas hacia tensiones de O2
menores que la atmosférica
- Bacterias aerobias y facultativas: aerotaxia positiva
 Fototaxia: migración en función de la luz.
 Quimiotaxia: migración ante un gradiente espacial de una
sustancia química.
El movimiento bacteriano en
ausencia de gradiente químico se
describe como movimiento caótico,
con muchos tumbos o volteretas.
El movimiento bacteriano en
presencia de un gradiente
químico reduce la frecuencia
de los tumbos y tiene una
mayor dirección.
Quimiotaxia
Efector: señal química externa que
pone en marcha el mecanismo
celular de la taxia.
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 siente 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.
Proteínas quimiotácticas
aceptoras de metilo (MCP)
Son receptoras del
estímulo químico y
transductoras de la
señal al interior de
la célula.
Son agrupaciones
de trímeros de los
homodímeros de
MCP, asociados a
proteínas de la
quimiotaxis (CheA y
CheW).
Se localizan en los
polos de la célula.
Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, 1024-1037 (December 2004)
Proteínas quimiotácticas
aceptoras de metilo (MCP)
Proteínas transmembranales,
con dos dominios principales:
Dominio periplásmico:
contiene el sitio de unión para
el quimioefector.
Dominio citoplásmico con 2
zonas:
-Región transductora:
señal hacia el motor.
-Región metilable: con 4-6
glutámicos susceptibles
de ser metilados (papel
en la adaptación al
estímulo).
La transducción de señales
requiere varias proteínas
 CheA: proteíncinasa que se auto-fosforila en cierta His. A su
vez puede fosforilar a CheY y a CheB
 CheW: acopla CheA a la MCP.
 CheY: en su forma fosforilada interacciona con el anillo C
 CheZ: cataliza la desfosforilación de CheY-P
Trends in Microbiology Volume 12, Issue 12, December 2004, Pages 569-576
Proteínas implicadas
en la adaptación
 CheR: metiltransferasa. Metila los
glutámicos de MCP
- Si hay atrayente  los glutámicos
de MCP son más accesibles a
metilación.
- Si hay repelente  los glutámicos
son menos accesibles a la
metilación.
 CheB, tiene dos dominios, uno de los
cuales funciona como metilesterasa
y controla la adaptación de las
MCPs. En su forma fosforilada
(CheB-P) elimina metilos de la MCP.
Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, 1024-1037 (December 2004)
Genes
involucrados
en la
Quimiotaxis
Nature Reviews Microbiology 3, 611-620 (August 2005)
Ciclo excitación-adaptación
(resumen)
 Añadimos atrayente se une a
MCP  cambio conformacional
 inhibición del nivel basal de
fosforilación de CheA 
aumenta la probabilidad de
rotación CAR  mayor tiempo
de corridas.
 Simultáneamente el MCP
estimulado expone sus Glu 
metilación por CheR 
adaptación lenta al estímulo.
 La adaptación se facilita
también por la baja actividad
metilesterasa (poca CheB-P).
TRENDS in Biochemical Sciences Vol.33 No.1