Tema 6. Estructura y función de la célula procariota (II) Flashcards
¿Qué es la membrana citoplasmática?
Es una estructura muy fina de 8 nm de espesor que constituye una barrera que separa el interior celular del exterior. Posee permeabilidad selectiva gracias a unas proteínas de membrana llamadas permeasas
En la membrana tiene lugar la generación de una fuerza protón-motriz (motora de protones) de forma que la célula acumula en el medio H+ a modo de batería para la célula, como forma de acumulación y fuente de energía. A su vez, esta membrana es el lugar de anclaje del genóforo (material genético extracromosómico) y de los plásmidos (en el caso de que los haya) durante la división celular para que cada célula hija reciba una copia, además del lugar de inserción de los flagelos
Así mismo, está repleta de proteínas, ya que es el lugar de anclaje para las mismas (todos los procesos que en eucariotas se llevan a cabo en los orgánulos intracelulares, en procariotas se dan en la membrana). Aproximadamente un 70% en peso de la membrana plasmática son proteínas. En muchos microorganismos incluso se aumenta la superficie de la membrana mediante invaginaciones (pliegues hacia el interior)
La membrana es una bicapa lipídica en la cual “flotan” (por lo que podrán más o menos moverse) las proteínas (modelo de mosaico fluido, propuesto por Singer y Nicholson). Es asimétrica, es decir, la composición externa e interna son diferentes, debido a la direccionalidad de los procesos, la cual determina la posición de estas proteínas y de distintos sustituyentes como oligosacáridos. Por tanto, sus funciones difieren. Existen proteínas integrales de membrana así como también proteínas periféricas que se anclan a las integrales mediante enlaces no covalentes (enlaces por iones Mg, por ejemplo, que se pueden romper añadiendo agentes quelantes como EDTA)
La mayoría de las proteínas de membrana presentan naturaleza anfipática: la parte apolar se dispone hacia el centro y la polar hacia el exterior o el interior, en función de la disolución que haya alrededor. Así, unidos a la parte exterior en ocasiones hay azúcares que sobresalen
Los fosfolípidos de la membrana están compuestos por gilcerolfosfato esterificado con dos ácidos grasos, con una cabeza polar y dos colas apolares (los ácidos grasos). La cabeza polar puede estar formada por distintos compuestos (etanolamina, serina, un azúcar…) y queda orientada hacia el exterior de la bicapa. Las colas apolares quedan hacia el interior de la membrana. La estructura está estabilizada con iones Ca y Mg, que neutralizan la carga negativa del fosfato del glicerolfosfato y de los grupos polares y dan estabilidad
Los ácidos grasos que esterifican al glicerol son característicos de cada microorganismo y, por tanto, tienen valor taxonómico
Los ácidos grasos juegan un papel esencial en la estabilidad celular, de forma que células que vivan en un ambiente más cálido presentarán una mayor proporción de ácidos grasos saturados que darán rigidez a la misma.
Los hopanoides son moléculas planares que aportan rigidez a la membrana. Tienen una estructura parecida a la de los esteroles de las membranas eucariotas, formadas por varios ciclos. Se trata de moléculas planas que, al insertarse en la membrana, dan rigidez y estabilidad a la membrana. Sin embargo, existen excepciones: algunos micoplasmas (que carecen de pared celular) y arqueas metanótrofas (que oxidan el metano como fuente de energía) poseen también esteroles como los eucariotas en lugar de hopanoides
¿Cómo es la membrana citoplasmática en arqueas?
En este caso el glicerol no esterifica a los ácidos grasos, sino que forma enlaces de tipo éter con cadenas de isoprenoides. En la parte polar del glicerol sí encontramos un fosfato y diferentes sustituyentes como en bacterias. Además, cabe destacar que las arqueas no poseen esteroles (salvo las metanótrofas) ni hopanoides.
La presencia de estos isoprenos en las membranas de arqueas les confiere mucha estabilidad térmica, de forma que son microorganismos que suelen vivir a altas temperaturas (algunas son termófila extremas, que crecen a más de 85ºC). Además, puede ocurrir que estos isoprenos se unan a la molécula de isopreno que tienen enfrente, es decir, que en algunas localizaciones de la membrana citoplasmática, las cadenas de isoprenoides de un lado y otro se unan entre sí formando una estructura tetraédrica o bicapas monomoleculares (unión dirigida por 4 enlaces éter), pasando de ser una bicapa a ser una monocapa rígida
En algunos casos, las cadenas laterales de los isoprenos se ciclan, formando anillos pentacíclicos, que confieren una rigidez extra
¿Qué son las invaginaciones de la membrana citoplasmática?
Existen diferentes tipos de invaginaciones según las funciones metabólicas de cada microorganismo, cuyo objetivo es aumentar la superficie de la membrana citoplasmática. Están relacionadas con el metabolismo energético de las células. Así, hay diferentes tipos de bacterias que tienen estas invaginaciones:
- Quimiolitótrofas del nitrógeno (son las llamadas bacterias nitrificantes, dentro de las cuales hay dos grupos, las nitrosas, que obtienen energía de la oxidación del amonio, y las nítricas, que obtienen energía de la oxidación del nitrito)
- Fijadoras de nitrógeno (Azotobacter), las cuales necesitan una gran superficie de membrana para realizar una intensa actividad respiratoria que proteja a la nitrogenasa del oxígeno
- Metanótrofas (Methylococcus, que oxidan el metano como fuente de energía)
- Bacterias púrpuras (bacterias fotosintéticas cuyas invaginaciones son los cromatóforos)
Existen unas estructuras denominadas mesosomas que se observan al microscopio electrónico, aunque no está muy claro si son artefactos de la preparación de la muestra o si son realmente invaginaciones citoplasmáticas del microorganismo, que intervendrían en la esporulación y división celular
No obstante, se da una excepción en procariotas en cuanto a las funciones llevadas a cabo en las invaginaciones: los tilacoides de las cianobacterias que son sistemas membranosos que están separados de la membrana citoplasmática donde se lleva a cabo la fotosíntesis oxigénica. Son los únicos procariotas con orgánulos intracelulares
¿Qué es el nucleoide?
Es la región del citoplasma ocupada por el cromosoma bacteriano (no está completamente desplegado por toda la célula, sino más o menos condensado), que generalmente es una sola molécula de DNA circular de doble hebra, aunque existen algunas excepciones (DNA lineal, como en Borrelia burgdorferi, que es el agente causal de la enfermedad de Lyme, y Streptomyces). Son organismos haploides (aunque algunas presentan más de un cromosoma diferente, como Vibrio cholerae, pero esto no implica que sea diploide) y su genoma no posee intrones. En bacterias no tienen nucleosomas formados por histonas, aunque hay proteínas y RNA que estabilizan el ácido nucleico y que permiten el plegamiento. Sin embargo, en arqueas puede haber un cromosoma circular con nucleosomas en algunas ocasiones estabilizando el material genético. Es visible al microscopio electrónico de transmisión.
Existe un microorganismo procariota que tiene núcleo, en el que su nucleoide se rodea por una bicapa lipídica: Planctomycetes (Gemmata)
La célula puede contener dos copias del nucleoide, ya que se encuentra normalmente en fase de división activa
Una célula puede contener más de un cromosoma ya que la velocidad de replicación del material genético es mayor que la de división, para que cada una de las células hijas reciba una de estas copias de material genético
¿Qué son los ribosomas procariotas?
El citoplasma está repleto de ribosomas (entre 10.000-15.000). Algunos de ellos se encuentran libres, mientras que otros están unidos a la membrana, pegados a la cara interna de la misma. Tienen un coeficiente de sedimentación 70S (unidades Svedverg). A mayor valor, más rápido sedimentan. Están formados por dos subunidades, una 50S y otra 30S
Estas subunidades están formadas por proteínas y rRNA. Este rRNA es muy importante, principalmente el de la subunidad 30S, y más concretamente, el que forma parte de la subunidad pequeña 16S, porque es el marcador molecular que se utiliza actualmente en clasificación filogenética para establecer las relaciones evolutivas entre distintos microorganismos, ya que está bastante conservado en muchos de ellos y posee regiones variables que se pueden comparar entre unos y otros
La transcripción y la traducción están acopladas, ya que no existe núcleo, lo que permite que a la vez que se transcribe el DNA y se sintetiza el RNA, éste pueda ser traducido para sintetizar proteínas. Se puede empezar a traducir un RNA que aún no ha sido sintetizado completamente, ya que los ribosomas se acoplan a él conforme va formándose (forman polirribosomas)). El primer aa que se incorpora siempre es N-formilmetionina en procariotas
¿Qué son los plásmidos?
Son material genético extracelular de DNA de doble hebra circular y se replican de manera independiente (de manera autónoma) al genoma bacteriano
Normalmente, presentan un tamaño mucho menor al cromosoma bacteriano y puede llegar a tener desde 2 hasta unos 1.600 kb. Algunos de ellos, en momentos determinados, se cortan y se integran en el cromosoma bacteriano y luego se pueden escindir en otras condiciones
Son interesantes en biotecnología porque son una herramienta importante de expresión recombinante de proteínas. Nosotros podemos clonar en un plásmido un determinado gen que codifique una proteína e introducir en ese plásmido factores que regulen su expresión y así expresar una proteína en un microorganismo. Generalmente, no son esenciales para el crecimiento o la supervivencia de la bacteria, aunque sí le confiere propiedades ventajosas
Estos plásmidos son poco abundantes en eucariotas (algunos hongos y levaduras) y se transmiten por transferencia horizontal mediante conjugación
La curación del plásmido es la situación en la que una célula pierde un plásmido que tenía
¿Cuáles son los tipos de plásmidos?
Existen plásmidos que codifican factores de virulencia en microorganismos patógenos. Existen plásmidos que codifican diferentes propiedades metabólicas, como la fijación del nitrógeno atmosférico en una especie llamada Rhizobium. Y muy importante en química son los plásmidos R, que son plásmidos que confieren resistencia a antibióticos, y son plásmidos importantes en clínica porque las bacterias son capaces por conjugación de transferir esos plásmidos de unas bacterias a otras y así se van extendiendo en poblaciones bacterianas
¿Qué es el citoesqueleto?
Está presente en bacterias y arqueas- Son filamentos formados por proteínas similares al citoesqueleto eucariota
Puede cumplir funciones como mantener la morfología celular, participar en la división celular, localización de proteínas en el citoplasma… En eucariotas, estos citoesqueletos participan en la movilidad. Esto solo ocurre en procariotas en el caso del género Spiroplasma, que pertenece a los Mollicutes
¿Qué son los cuerpos de inclusión citoplasmáticos?
Se denominan cuerpos de inclusión y no orgánulos porque ninguno de estos está envuelto por una bicapa lipídica. La membrana que los protege es proteica, mientras que en otros se trata de una monocapa de lípidos y proteínas
En general, cumplen la función de aislar determinados componentes del citoplasma de la célula y así hacer esos componentes osmóticamente neutros
Existen diferentes cuerpos de inclusión:
- De materiales de reserva:
- Pueden acumular materiales de reserva orgánicos en previsión nutritiva para condiciones en las que necesite tirar de esos cuerpos de inclusión:
“ Glucosa en forma de gránulos de glucógeno
“ Poli-beta-hidroxibutirato (PHB) que es un tipo de lípido exclusivo de procariotas
“ Cianoficina que es un péptido de reserva de nitrógeno en cianobacterias - Otros inorgánicos:
“ Gránulos de polifosfato o volutina, también llamados corpúsculos metacromáticos porque, cuando se tiñen con determinados colorantes como azul de metileno, cambian de color. Si están envejecidos no se ven de color azul, sino que cambian el color del colorante a rojo. Se trata de acúmulos de fosfato necesarios para la síntesis de ácidos nucleicos, fosfolípidos…
“ Gránulos de azufre: que pueden actuar como donadores de electrones
“ Carboxisomas, cúmulos de una enzima llamada RuBisCo, que es la enzima responsable de la fijación del CO2, en el ciclo de Calvin. Tienen estructura poliédrica - Vesículas de gas en microorganismos acuáticos para regular su flotabilidad. Las vesículas son huecos rígidos con forma de huso, formados por varias capas de proteínas. El microorganismo puede regular su posición en una columna de agua acumulando en esa vesícula diferentes gases. Esas vesículas son impermeables al agua y solo dejan pasar gases por el alto grado de empaquetamiento que tienen las proteínas que lo forman. Se dan en microorganismos fotosintéticos
*Magnetosomas: muchas bacterias poseen capacidad de situarse en el campo magnético terrestre. Para ello tienen estos cuerpos de inclusión constituidos por magnetita, presentes en muchos microorganismo acuáticos en el océano. Hacen las veces de brújulas para saber a qué latitud están - Clorosomas y cromatóforos: los clorosomas (de bacterias verdes) son unas bolitas que se encuentran justo debajo/en el interior de la membrana citoplasmática y los cromatóforos son esas invaginaciones. Están relacionados con la fotosíntesis anoxigénica, ya que son los sistemas antena que captan la luz
*Inclusiones cristalinas, como el cristal parasporal de Bacillus thuringiensis, que es un bioinsecticida. Esta bacteria, cuando esporula, sintetiza también cristal parasporal que tiene propiedades larvicidas y se utiliza en cosecha para impedir que estas se infecten por determinados gusanos
¿Qué es la endospora bacteriana?
Es una estructura que se genera en el interior de la célula. Son formas de resistencia sintetizadas únicamente por determinadas bacterias. Las arqueas, por su parte, no las producen. Generalmente son Gram+ (Bacillus y Clostridium), aunque también existen Gram- capaces de formar estas endosporas. No es una fase obligada el ciclo de vida, sino que se forman en fase estacionaria: en condiciones de vida adversas, la célula vegetativa se transforma en endospora siendo así capaz de aguantar miles de años. No obstante, cuando se dan las condiciones adecuadas, esa endospora germinará y dará lugar de nuevo a células bacterianas en crecimiento activo
Entre las características de estas endosporas tenemos:
- Resistencia al calor, desecación, radiaciones, y desinfectantes químicos
- Resistencia a la acción de lisozimas
- Refringentes al microscopio óptico al ser tan densas que refractan la luz
- Impermeables a colorantes de forma que solo se pueden teñir con tratamientos drásticos
- Solo se tiñen con tinciones específicas (un ejemplo sería la tinción de Wirtz, donde se fuerza la tinción de la endospora mediante un tratamiento térmico, esto es, el calor actúa como mordiente)
- Es importante en taxonomía (por la posición y el tamaño del esporangio)
- Tiene importancia práctica, ya que muchos endosporulados son patógenos.
Existen diversos tipos de esporas como terminal y deformante, subterminal y deformante, y central y ovoidal
¿Cómo es la estructura de la endospora?
Poseen en su interior un núcleo de la endospora o protoplasto, similar al citoplasma celular pero con algunas modificaciones. Está muy deshidratado y, además, contiene acúmulos de una sustancia denominada dipicolinato cálcico que estabiliza el DNA de la espora mediante el entrecruzamiento con el ion calcio para que se mantenga muchos años hasta que se vuelva a formar la célula. Estas endosporas son metabólicamente inactivas
El protoplasto contiene pH ácido y alta concentración de SASPs, que le confieren protección del DNA y reserva de carbono y energía. Hay además ausencia de mRNA, aunque sí contiene muchos ribosomas y enzimas reparadoras del DNA. No existen aas libres
Cabe destacar que su envoltura es compleja, pues presenta córtex, cubierta de la espora y exosporio. El córtex es básicamente un peptidoglucano de bajo entrecruzamiento, la cubierta es una capa de proteína con alta concentración de puentes disulfuro con alta resistencia a químicos, y el exosporio son también proteínas resistentes a proteasas
¿Cómo se produce la esporulación?
La esporulación es el paso del estado vegetativo de la célula al de espora, un estado de latencia. Esta esporulación comienza con el cromosoma replicado dentro de la célula, como si esta fuera a dividirse en dos.
En primer lugar se genera un filamento axial con ese DNA replicado y se producen invaginaciones en la membrana citoplasmática que conducen a la formación de un septo y a la separación de la preespora dentro de la célula
A continuación, esa preeespora se rodea por una segunda membrana citoplasmática de la membrana de la propia célula. Cabe destacar que el esporangio es la célula original en la cual se genera la espora
Seguidamente se produce la formación del córtex, una primera capa de peptidoglucano con bajo entrecruzamiento. Entre la primera membrana citoplasmática y la segunda se empieza a acumular peptidoglucano con las características especiales antes mencionadas. Por su parte, esta membrana externa, la segunda formada, será muy rica en cisteínas y puentes disulfuro y formará la cubierta
Mientras que esto ocurre se irá incorporando el dipicolinato cálcico dentro del protoplasto de la espora, se irá deshidratando se acumularán y producirán proteínas SASPs y finalmente acabará la síntesis de la cubierta con la formación del exosporio. Entonces la célula se lisará y liberará la espora madura con todos sus protoplastos maduros, el córtex, la cubierta y el exosporio, que le confieren una resistencia tan alta que le permite sobrevivir a radiaciones ionizantes
¿Cómo una endospora pasa de nuevo a ser una espora con crecimiento activo?
La espora dará de nuevo lugar a una célula vegetativa gracias a un proceso que se subdivide en tres fases: activación, germinación y crecimiento. Se trata de un proceso mucho más rápido que la esporulación, 1 hora y media aproximadamente
- Activación: para que la espora salga de su estado latente necesita no solo que se den las condiciones adecuadas sino también un estímulo activador, como el sueño, porque en él tienen lugar grandes variaciones de temperatura
- Germinación: empieza a acumularse agua en la espora, aumenta la actividad metabólica, se reparan los daños del DNA por las enzimas del protoplasto, se sintetiza RNA y proteínas, se excreta el dipicolinato cálcico, se generan péptidos y aas y se degradan las SASPs
- Crecimiento: con todo ello se va hinchando el protoplasto de la espora hasta que finalmente se produce la ruptura de las cubiertas de la misma y la célula vegetativa es liberada, pudiendo entonces comenzar de nuevo su ciclo de replicación y generar células hijas por división, continuando con el ciclo vegetativo indefinidamente hasta que la célula detecte condiciones que no sean adecuadas y entonces esporule de nuevo
Esta capacidad no existe en todos los procariotas, sino solo en algunos géneros. No es obligatorio en el ciclo de vida del microorganismo, sino solo un estado de latencia. Los hongos también forman esporas, pero son formas de diseminación, no de resistencia
