LA CELULA PROCARIOTA. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN

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1 LA CELULA PROCARIOTA. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN Estructura de los microorganismos Célula procariota Tamaño y morfología de las bacterias. Estructuras fundamentales Citoplasma Ribosomas bacterianos Nucleoide Membrana bacteriana y Pared peptidoglicano. Bacterias Gram-positivas y Gramnegativas. Tinciones. Elementos facultativos de la célula procariota Cápsula y capas mucosa. Apéndices bacterianos: flagelos y fimbrias. Endosporas.

2 Clasificación de las células microbianas (estructura celular) 1.- Microorganismos Procariotas - Bacterias - Cianofíceas - Arqueobacterias 2.- Microorganismos Eucariotas - Algas - Hongos filamentosos y Levaduras - Protozoos Citoplasma Fluido viscoso compuesto de una variedad de sustancias Ribosomas Gránulos de reserva Espora Nucleoide Es una región donde reside el cromosoma. A diferencia del núcleo de los eucariotas, el nucleoide no está encerrado en una membrana. Plásmidos Membrana citoplásmática Barrera entre el ambiente externo y el interior de la célula Pared celular Una barrera rígida que protege a la célula de una ruptura. Glicocalix : Capa externa de la pared celular Apéndices: Importantes para la movilidad y la adherencias a ciertas superficies Flagelos Pili ESTRUCTURA BACTERIANA

3 Morfología de los procariotas Procariotas son organismos pequeños (µm) 1 µm = 10-3 mm E. coli: 1µm-2µm Amplia diversidad de morfologías: cocos bacilos espirilos espiroquetas con apéndices filamentosos pleomorfismo -Nutrición -Movilidad -Adaptación Helicobacter Pseudomonas Staphylococcus Borrelia

4 Bacillus anthracis Staphylococcus aureus

5

6 AGRUPACIONES BACTERIANAS

7 DNA BACTERIANO Un cromosoma empaquetado nucleoide Tamaño del genoma: 0.5 to 6 Mb (500 a 6000 genes) Plásmidos: estructuras más pequeñas cirulares de DNA - DNA extracromosomal - número de copias múltiple - genes de resistencia a antibióticos - genes que codifican para toxinas - multiplicación independiente de la división celular. RIBOSOMAS Sitio de la síntesis de proteínas 60% RNA ribosomal & 40% proteína consiste de 2 subunidades: grande & pequeña La célula procariota difiere de la eucariota en el tamaño y número de proteínas Cada subunidad ribosómica es un complejo ribonucleoproteico formado por RNA ribosómicos específicos y proteínas ribosómicas. Subunidad 30S: RNAr 16S y 21 proteínas Subunidad 50S: RNAr 23S y 5S y 31 proteínas.

8 MEMBRANA CITOPLASMÁTICA Barrera que separa el interior del exterior de la célula, Barrera de permeabilidad altamente selectiva ( 6 a 8nm) Concentra y excreta metabolitos específicos Formada por una bicapa fosfolipídica hidrofílíca en el exterior e hidrofóbica en el interior con proteínas embebidas Los grupos hidrofílicos se asocian con el agua, proteínas hidrofílicas y otras sustancias cargadas como iones metálicos Ca 2+ y Mg 2+ La estructura global de la membrana plasmática se estabiliza mediante puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas; además de Mg 2+ y Ca2+ que interaccionan con los grupos polares de carga negativa de los fosfolípidos. Estructura de un fosfolipido Composición química de las membranas La estructura de la mayoría de las membranas biológicas consta de una bicapa fosfolipídica. Los fosfolípidos poseen unidades altamente hidrofóbicas (ácidos grasos) y unidades relativamente hidrofílicas (glicerolfosfato) y pueden presentarse en múltiples formas químicas distintas debido a la variación en la composición de los ácidos grasos y de los compuestos fosforilados que se unen al esqueleto de glicerol. Los fosfolípidos se agregan en soluciones acuosas, tienden a formar bicapas de manera espontánea, los ácidos grasos apuntan hacia el interior (manteniéndose en un entorno hidrofóbico), mientras que las porciones hidrofílicas son las expuestas a la fase acuosa. La estructura de bicapa de las membranas seguramente representa la organización más estable que pueden alcanzar las moléculas lipídicas situadas en un entorno acuoso.

9 La atracción de ácidos grasos no polares por la otra capa en una porción de una capa fosfolipídica brinda la explicación de la permeabilidad selectiva de la membrana celular Para observar las membranas plasmáticas al microscopio electrónico, las células deben tratarse con ácido ósmico o con cualquier otro compuesto denso a los electrones capaz de combinarse con los componentes hidrofílicos de la membrana. Al microscopio electrónica de alta resolución, las membranas se visualizan como dos líneas claras separadas por una zona más oscura.

10 Proteínas de membrana Las proteínas de membrana poseen una región hidrofóbica que interacciona con las zonas apolares de las cadenas de ácidos grasos y zonas hidrofilicas que dan al exterior y al citoplasma Atraviesan las membranas y contienen dominios tanto en el interior como en el exterior de esta estructura. La capa externa de la membrana plasmática se orienta hacia el entorno, y establece contacto con una variedad de proteínas implicadas en la unión de sustratos y el procesamiento de macromoléculas para la formación de las subunidades que puedan ser transportadas al interior de la célula: proteínas periplásmicas. La cara interna de la membrana plasmática se orienta hacia el citoplasma e interacciona con proteínas involucradas en reacciones de obtención de energía y otras importantes funciones celulares. Algunas de las proteínas situadas en el periplasma y algunas de las localizadas en la cara interna de la membrana se asocian firmemente con ésta, por lo que se comportan como proteínas unidas a membrana: proteínas integrales de membrana, interaccionan con las integrantes de la membrana para llevar a cabo determinados procesos celulares. Algunas de estas proteínas periféricas de membrana, como se les denomina, son lipoproteínas y poseen una cola lipídica unida al extremo aminoterminal de la proteína, que permite el anclaje de la proteína a membrana:proteínas de membrana con anclaje lipídico. Proteínas de membrana están implicadas en el transporte y otras funciones a través de la membrana

11 En resumen, la membrana puede ser considerada como un mosaico fluido en el que existen proteínas globulares con orientaciones específicas que atraviesan la bicapa lipídica, que a pesar de su estricta organización posee alta movilidad. Este tipo de organización confiere importantes propiedades funcionales a las membranas Esteroles y hopanoides: agentes reforzantes de las membranas Una de las diferencias más significativas entre las membranas de procariotas y eucariotas es que las de estos últimos poseen esteroles. que pueden ser del 5 al 25% del total de los lípidos en las membranas de los eucariotas. Esteroles y hopanoides que pueden aumentar la resistencia de la membrana debido a su estructura planar rígida. Hopanoides presentes en especies del dominio Bacteria (en el dominio Archaea no) Los esteroles son moléculas rígidas y planas, mientras que los ácidos grasos son flexibles. Favorece la estabilización de las membranas, pero las hace menos flexibles. La mayor rigidez de la membrana es una necesidad para los eucariotas para mantener a la célula estable y funcional. La mayoría de ellos carecen de pared celular y al ser considerablemente más grandes, sus membranas están sometidas a tensiones físicas muy superiores, de ahí que sea necesaria una mayor rigidez. Colesterol: típico esterol Hopanoide

12 Membranas de arqueas. Los lípidos presentes en las membranas de las arqueas son únicos desde el punto de vista químico. Los lípidos de las arqueas poseen enlaces éter responsables de la unión entre el glicerol y las cadenas laterales hidrofóbicas de ac. grasos A diferencia de las bacterias y los eucariotas que tienen los enlaces éster como responsables de la unión entre el glicerol y los ácidos grasos. Además, carecen de ácidos grasos y en su lugar tienen cadenas laterales compuestas de unidades repetitivas de una molécula hidrocarbonada como el isopreno de 5 átomos de C Bacteria o EuKarya Archaea Los tipos principales de lípidos presentes en las especies de arqueas: - diéteres de glicerol con cadenas laterales de 20 átomos de C: grupo fitano -tetraéteres de glicerol con cadenas laterales de 40 átomos de C En las moléculas de tetraéter las cadenas laterales de fentanil de cada molécula de glicerol se unen covalentemente entre sí. Este hecho produce una monocapa en lugar de la bicapa lipídica. Las monocapas lipídicas son más estables y resistentes a la disgregación: arquebacterias hipertermofílicas, un tipo de procariotas que se desarrollan en ambientes con temperaturas muy altas.

13 Principales funciones de la membrana citoplasmática Funciones. Todos los nutrientes que entran en la célula deben atravesar la membrana plasmática, y también a través de ella deben pasar todas las sustancias de desecho. El término permeabilidad se utiliza para describir la propiedad de las membranas que permite que determinados compuestos puedan atravesarlas. Sin embargo, la mayoría de las moléculas que atraviesan la membrana no lo hacen de forma pasiva; la membrana posee permeabilidad selectiva. Muchas de las moléculas que atraviesan las membranas son en realidad transportadas a través de ellas.

14 La membrana citoplasmática es una barrera de permeabilidad El interior de la célula (el citoplasma) consiste en una solución en fase acuosa de sales, azúcares, aminoácidos, vitaminas, coenzimas y una gran variedad de sustancias solubles. Las características hidrofóbicas de la porción interna de la membrana le permiten funcionar como una barrera estricta, impidiendo el paso libre de los compuestos polares. Compuestos pequeños no polares y sustancias solubles en fases hidrofóbicas, como ácidos grasos, alcoholes y benceno, son capaces de atravesar la barrera libremente gracias a su solubilidad en la fase lipídica de la membrana. Moléculas cargadas como ácidos orgánicos, aminoácidos y sales inorgánicas (hidrofílicas), no atraviesan la membrana, por lo que deben ser transportadas de forma específica. El ión de hidrógeno, H+, no atraviesa libremente de forma pasiva la membrana, porque esta hidratado, en la forma de ion hidronio (H30+). El agua es una molécula capaz de atravesar libremente la membrana, por ser pequeña y carecer de carga, pasa entre las moléculas de fosfolípidos. Aquoporinas: proteínas que forman canales intramembranales La permeabilidad se muestra en una escala relativa, en relación con la permeabilidad del agua a la que se le asigna el 100%. La mayoría de las sustancias no son capaces de entrar en la célula de forma pasiva, por lo que los procesos de transporte son críticos para el funcionamiento de las células. Sustancia Agua 100 Glicerol Glucosa Porcentaje de permeabilidad 0,1 0,001 Triptófano 0,0001 Ion Cloruro (Cl -) Ion Potasio (K+) Ion Sodio (Na+) 0, ,

15 Necesidad de proteínas transportadoras: para acumular nutrientes dentro de la célula en contra de un gradiente de concentración. Proteínas transportadoras: Saturación Especificidad Regulación por parte de la célula Pocas sustancias Lenta Tres sistemas de Transporte de Membrana Transporte simple Transporte tipo fosfotransferasa (traslocación de grupo) Transporte tipo ABC (ATP-binding cassette) una sola proteína transmembranal y dirigido por la fuerza motriz de protones una serie de proteínas que cooperen en el sistema de transporte Consta de tres componentes: proteína de unión al sustrato, un transportador integrado a la membrana y una proteína que hidroliza ATP El transporte simple y el sistema ABC transportan sustancias sin modificarlas químicamente, mientras que la translocación de grupo ocasiona la modificación química (fosforilación) de la sustancia transportada a expensas del fosfoenolpiruvato

16 Estructura de los transportadores transmembranales 12 dominios proteicos alineadas en círculo formando un canal a través de la membrana (12 hélices de tipo alfa hélice que se pliegan hacia atrás y adelante y que cambian su configuración ) Tipos de procesos de transporte Las tres clases de transportadores son Uniportadores (unidireccional) Simportadores (co-transporte con H+) Antiportadores (en ambos sentidos) En los casos de transporte de tipo antiporte y simporte, la molécula co-transportada se indica en amarillo TRANSPORTE SIMPLE: la permeasa Lac de E. coli Captación de lactosa por Escherichia coli: transportador simple: la Lac Permeasa Captación del disacárido que requiere energía vía la fuerza motriz de protones (PMF) que es posteriormente regenerado

17 TRANSLOCATION DE GRUPO: sistema fosfotransferasa de E. coli Alteración química de la sustancia transportada (glucosa, fructosa, manosa) por fosforilación mediante el sistema de la fosfotransferasa proteína integral de membrana El sistema consta de 5 proteínas: Enzimas (Enz) I,IIa,IIb,y IIc y HPr. La transferencia secuencial de fosfato tiene lugar desde el fosfoenolpiruvato (alta energía). A través de las proteínas, hasta la enzima IIc. Esta última es la auténtica responsable del transporte y fosforilación del azúcar. Las Enz II son especificas. Sistema de transporte ABC (ATP-binding cassette) Transporte dependiente de proteínas periplasmáticas de unión situadas en el periplasma (Gram negativas) 200 tipos diferentes de transporte en procariotas: azucares, aa y comp inorgánicos Proteínas periplasmática de unión (alta afinidad por sustrato,10-6 M, proteína transmembranales y proteína ATP quinasa hidrolítica: Sistema de transporte ABC (ATP-binding cassette) Gram positivas: cara externa de la m. citoplasmatica.

18 Transporte de proteínas al exterior las proteínas son exportadas fuera de la mp. ó insertas en la mp a través de la acción de proteínas llamadas translocasas, que son específicas para el tipo de proteínas exportada E.j. translocasa Sec: consta de 7 proteínas Esencial para ayudar al transporte de enzimas (exoenzimas) para atacar nutrientes insolubles (almidón) o toxinas proteicas Sistema de secreción tipo III: toxinas proteicas que se traslocan directamente de la bacteria al hospedador Representación esquemática de las sub-unidades proteicas de translocasa bacteriana del Sistema SEC y SecYEG: Transportador transmembranal. La translocasa consiste en un pe-proteina SecYEG que conduce a una canal (amarillo) y la ATPase motora SecA ( roja ). SecYEG se puede asociar con protienas auxiliares SecDFYajC y YidC (verde) 95, 98. b Un esquema general del proceso de secreción c Secretory pre-proteins (thick orange line) son sintetizadas con una señal peptítdica amino-terminal (rectángulo naranja) y son dirigidas a la translocasa, ya sea por la partícula de reconocimiento de señal-ribosoma unido (SRP; blue) tan rápido como esta emerge del tunel de salida del ribosoma (esto es una translocación co-translacional, ocurre principalmente con proteinas de membrana y proteinas con péptidos señal extremadamente hidrofóbicos) o por la chaperona tetramérica SecB (pink) después que la traducción se completó (esto es translocación co- y post-translational, ocurre principalmente con proteínas secretoras) (stage 1). Both targeting routes merge at the membrane at SecYEG or SecYEG complexed with SecA. Some pre-proteins are targeted by SRP to SecYEG, but if they have substantial hydrophilic stretches SecA is also required 26. FtsY (pink) y SecA actúan como receptores para SRP y SecB, respectivamente. Pre-proteins son trasladadas a través de SecYEG (stage 2) y se pliegan en el lado trans de la membrana o integrarse en la bicapa lipídica después de la escisión de la señal-péptido por la peptidasa señal (SPase I; magenta) (stage 3). Signal peptides of lipoproteins require cleavage by SPase II (not shown). Energía es provista por ATP (unión e hidrólisis por la SecA ATPasa y lafuerza protón motriz (H + ).

19 Pared celular Pared celular: protege la célula de la lisis osmótica generada por la gran concentración de solutos Confiere rigidez Cell Wall Cytoplasm Cell membra

20 90 % 10 % Peptidoglicano: capa rígida, polisacárido PEPTIDOGLICANO Subunidad :repeticiones alternadas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmuramico: él último se une por enlaces cruzados entre cadenas cortas de péptidos (Lalanina, D-alanina,D-ácido glutámico, y lisina oácido diaminopimélico). Gram positivas varias hojas de péptidoglicano Gram negativas una o dos hojas de péptidoglicano El tetrapéptido de la unidad repetitiva

21 Gram -: enlace peptídico directo: entre el grupo amino de DAP y el COOH- de D-Ala. Gram +: puente interpeptídico: varia según el tipo y número de aa. Sólo en especies de bacterias La mayoria de los Gram +: Lis- DAP DAP LISINA PARED CELULAR DE BACTERIAS GRAM-POSITIVAS 90 % de PG ácidos teicoicos: polisacáridos ácidos o polialcoholes cargados negativamente (unidades de glicerolfosfato o ribitolfosfato) que se unen covalentemente a ac. muramico del PG y entre si: esteres fosfato Probablemente los aminoácidos y los azúcares también están unidos. Unen Ca++ y Mg++ para su transporte. Con lípidos de la membrana = ácidos lipoteicoicos Ésteres fosfato

22 PROTOPLASTOS Y LISOZIMA La lisozima fue descubierto por Alexander Fleming (penicilina): rompe los enlaces β-1,4 glicosídicos entre NAG y NAM debilitando la PC. Se encuentra en virus bacterianos, lágrimas, saliva. Protoplastos se pueden obtener por tratamiento con lisozima: solución sacarosa equilibra la presión osmótica de la célula (condiciones isotónicas) y no penetra en la célula, la lizosima digere el PG pero el agua no entra, no hay lisis: protoplasto (pérdida de pared) Esferoplastos: con restos de pared Células sin paredes: Mycoplasmas tienen esteroles. Bacterias que carecen de pared celular Ejemplo: Mycoplasma: especies de Mycoplasma tiene formas extremadamente variables ya que no tienen pared celular rígida. Ni la penicilina ni la lisozima afecta a estos organismos Mycoplasma y otras bacterias pueden sobrevivir sin pared celular ya que su membrana es más resistente debido a la presencia de esteroles Thermoplasma (Archaea) no tiene pared, pero sí membranas especiales (calor- ácido) Viven en hábitats osmóticamente protegidos (como el cuerpo de los animales). Son protoplastos naturales de vida libre

23 Variaciones extremas de morfología de Mycoplasma pneumoniae 45 Membrana externa de Bacterias Gram-negativas Bacterias Gram-negativas: (10%PG) se caracterizan por una membrana externa de lipopolisacárido (LPS): fosfolípidos, proteínas y polisácaridos. La Porción polisacarídica del LPS: Núcleo de polisacárido (cetodoxioctonato (KDO),heptosas, gal, glu y NAG Polisacárido O-específico (glu, manosa, gal., ramnosa, manosa y dideoxiazúcares (abecuosa, paratosa) que se unen en secuencias de 4 o 5 unidades repetidas. La porción lipídica: Lípido A: ac. grasos pon enlace éster con grupos amino de un disácrido compuesto por NAGP y el disacárido se une al nucleo por KDO. Acidos grasos : caproico, láurico, mirístico, palmítico y esteárico. Lípido A del LPS tiene propiedades de endotoxina, que puede causa graves síntomas en humanos (Salmonella,Shigella, Escherichia)

24 Pared de las Bacterias Gram negativas LPS Esta presente solo en bacterias gram negativas. Es la ENDOTOXINA, factor de virulencia que caracteriza la acción patogena de éstas. Antígeno O: formado por unidades de disacáridos Permite distinguir Una especie en serotipos Core: polisacárido ramificado n Lipopolysaccharide O-antigen Highly variable Core Heptoses Ketodeoxyoctonic acid Lipid A Glucosamine disaccharide Beta hydroxy fatty acids Lípido A: disacárido de glucosamina Responsable de la acción tóxica

25 Porinas: Proteínas transmembranales de tres subunidades idénticas de 1 nm de diámetro Permiten el transporte de pequeñas moléculas hidrofílicas de bajo peso molecular Porinas específicas e inespecíficas. Espacio periplasmático: 12 a 15 nm entre la membrana citoplasmática y la superficie interna de la membrana externa: Diversas clases de proteinas : enzimas hidrolíticas, proteínas de unión y quimiorreceptores Relación entre la pared celular y la coloración de Gram Gram Positiva Gram $egativa

26 El alcohol penetra rápidamente la membrana enriquecida de lípidos de las bacterias Gram-negativas y extrae el cristal insoluble formado por el complejo violeta-ioduro de la célula. En Gram positivas el alcohol deshidrata el PG, cierra los poros e impide la salida del CV-Iodo.

27 BACTERIAS Figure 1 -A Gram stain of Gram + Staphylococcus cells. Figure 2 -Gram stain of Gram -E. colicells Pared en Arqueas. Pseudopeptidoglicano El esqueleto del pseudopéptidoglicano está formado por unidades alternativas de N-acetilglucosamina y ácido N- acetiltalosaminurónico. Presenta enlaces glicosídicos beta 1-3

28 Pared de Archae La pared de Archae de pseudopeptidoglicano, que formado por ácido N- acetiltalosaminurónico que reemplaza al ácido N-acetilmurámico del peptidoglicano. El esqueleto del pseudopeptidoglicano se une por enlaces β-1,3 en lugar de enlaces β-1,4 del peptidoglican Pared formada puede estar formada por proteínas, polisacáridos o glicoproteínas Ej Methanosarcina (glucosa, ac glucurónico, galactosamina. Acetato) Halococcus (sulfato) Archaea también tienen un capa paracristalina (capa S) proteína/ glicoproteina simetría hexagonal. Barrera de permeabilidad externa y elementos de protección Muchas gracias!!