1- Morfología de las células procariotas (forma, tamaño, agrupaciones) 2- Estructura de la célula procariota 3- Cubiertas celulares 4- Estructuras externas 5- Citoplasma 6- Formas de resistencia 7- Diferencias con Eucariotas

Tema 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Cocos

Bacilos

Espirilos

Espiroquetas

Hifa Tallo

Bacterias con yemas y apéndices

Filamentosos

1- Morfología de las células procariotas ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

1- Morfología de las células procariotas

1)Agrup. en empalizada

2)Agrup. en roseta

3)Streptobacilos

Agrupaciones de bacilos

Agrupaciones de cocos

1) Diplococos

2)Streptococos

3)Tetracocos

4)Staphilococos

5)Sarcinas

Tamaño de las células procariotas

Epulopiscium fishelsoni (600µm)

superficie

volumen

superficie volumen

•Metabolismo activo y versátil •Alta tasa de replicación •Muy activos y competitivos

Tamaño de las células procariotas

La ventaja de ser pequeño: Relación superficie/volumen alta

Tamaño de las células procariotas

La ventaja de ser pequeño: Relación superficie/volumen alta

Epulopiscium fishelsoni,

Thiomargarita namibienus

Procariota

Eucariota

Cloroplasto Mitocondria Citoplasma

Membrana nuclear

Nucleolo Núcleo Ribosomas

Retículo endoplásmico

Membrana citoplasmática

Pared celular Membrana citoplasmática

Citoplasma Ribosomas Nucleoide

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

2- Estructura de las células procariotas

Flagelo

Cuerpos de inclusión

Ribosomas

Fimbrias Nucleoide

Cápsula

Pared celular

Membrana celular

Plásmido

-Envoltura celular -(membrana, pared)

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA 3- Cubiertas celulares: 1-La membrana plasmática

Región hidrofóbica

Región hidrofílica Fosfolípidos

Molécula de fosfolípido

Proteínas integrales de membrana

3- Cubiertas celulares: 1-La membrana plasmática ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

a)-Modelo estructural: Mosaico Fluido (bicapa lipídica + proteínas) b)-Composición Química: Lípidos (Fosfolípidos de Glicerol + Ac grasos) Proteínas (50-80%) (Integrales o periféricas)

Barrera 8 nm delimita del exterior. Esencial para la supervivencia Barrera semipermeable y muy selectiva Formada por fosfolípidos

• glicerol-P: parte hidrofílica • ácidos grasos: parte hidrofóbica

Se estabiliza con puentes de H, interacciones hidrofóbicas y cationes Mg+2 y Ca+2

3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática

Región Hidrofílica (polar)

Región Hidrofóbica (no polar)

Ácidos grasos

Fosfato Glicerol

Estructura de la bicapa lipídica

c)-Diferencias con eucariotas: 5-25% de los lípidos son esteroles Excepciones procariotas- Existe esteroles en Mycoplasma y hopanoides (30C) en Bacterias

Isopreno

3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática c)-Diferencias en Archaea:

1-Lípidos con enlace eter

BACTERIA EUKARYA

éter

éster

ARCHAEA

3- Pueden formar monocapas

2-Carecen de Ac. grasos

Fitano

Diéter de glicerol Bifitano

Tetraéter de glicerol

1.- Barrera de permeabilidad: permite el transporte de nutrientes y deshechos. Impide la pérdida de solutos. Permeabilidad selectiva

2.- Papel estructural: Anclaje de proteínas de transporte, quimiotaxis, etc

3.- Conservación de energía: generación de fuerza protónmotriz

Distribución desigual de H+ exterior/interior Diferencia en la [H+] potencial químico Distribución desigual de cargas potencial eléctrico Energización de la membrana fuerza protónmotriz

3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática d) Funciones:

¡el H+ no la atraviesa!

H2O

La membrana plasmática tiene permeabilidad selectiva

Proteínas transportadoras

Saturación del transportador por el sustrato

Transporte mediado por transportador

Difusión simple

Concentración externa de soluto

Velo

cida

d de

ent

rada

de

solu

to

-Alta especificidad -Permiten acumular nutrientes en contra de gradiente -Cambio conformacional en la proteína -Requiere energía

Flagelo

Cuerpos de inclusión

Ribosomas

Fimbrias Nucleoide

Cápsula

Pared celular

Membrana celular

Plásmido

-Envoltura celular -(membrana, pared)

3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Membrana plasmática Citoplasma

Solutos Pared celular

H2O

Solución isotónica (isosmótica) Sin movimiento neto de H2O

Solución hipotónica (hiposmótica) H2O entra en la célula y puede estallar si la pared está débil o dañada (lisis osmótica)

Solución hipertónica (hiperosmótica) H2O sale de la célula causando que se encoja el citoplasma (plasmolisis)

Células sin pared

En solución hipotónica

3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR

a) Funciones: - Da forma y rigidez a la célula -Protege del daño mecánico y rotura osmótica (Mantiene la presión de turgencia)

hipertónica

Membrana externa

Membrana citoplasmática

Peptidoglicano

Peptidoglicano Peptidoglicano

Membrana Membrana

Periplasma

Membrana externa (lipopolisacárido + proteína)

Gram-positiva Gram-negativa

90% 10%

3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR

b) Estructura:

• Polímeros del disacárido N-acetilglucosamina (NAG) y del ácido N-acetilmurámico (NAM). (enlaces β1-4)

• Unidos por tetrapéptidos. (enlaces CO-NH)cv

N-acetilglucosamina (NAG) Ácido N-acetilmurámico (NAM) Puente de pentaglicina

Puente de pentaglicina Cadena tetrapeptídica

Cadena tetrapeptídica

Cadena tetrapeptídica

Esqueleto de carbohidratos Ejemplo de Gram +

3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR

c) Composición química: El Peptidoglicano

Representación esquemática de la estructura del peptidoglicano

Conexiones entre unidades peptídicas

(G) N-acetilglucosamina (M) Ácido N-acetilmurámico

Esqueleto glucídico

Péptidos Puente intercatenario

-AA enforma D

-Se unen a los azúcares por el NAM

-Los puentes peptídicos son los que confieren rigidez

-El nº de puentes depende de cada bacteria

Características

Estructura de una unidad repetida del peptidoglicano

Uniones peptídicas

Lisozima

Penicilina

Grupo N-acetilo

L-Alanina

D-Alanina Ácido meso- diaminopimélico

N-Acetilglucosamina (G) N-Acetilmurámico (M)

Ácido D-Glutámico

G G M M M G

G G M M M G

G G M M G M

G G M M G M

Degradación del peptidoglicano • Lisozima: Destruye enlaces β(14) No actua sobre β(13) • Penicilina: Inhibe la transpeptidación • Fosfomicina: Inhibe síntesis de M

Pared

Membrana

Lisozima

Entrada H2O Entrada H2O

Entrada H2O Lisis

Solución hipotónica

Solución isotónica

Lisozima

Protoplasto

Protoplasto: célula con membrana sin pared Esferoplasto: Célula con restos de pared

Células bacterianas SIN peptidoglicano

-Mycoplasmas y Thermoplasma (Archaea) -Archaea- Pseudopeptidoglicano (No tiene NAM y enlaces β1-3) - Capa S (paracristalina, son glicoproteínas)

Membrana externa

Membrana citoplasmática

Peptidoglicano

Peptidoglicano Peptidoglicano

Membrana Membrana

Periplasma

Membrana externa (lipopolisacárido + proteína)

Gram-positiva Gram-negativa

90% 10%

3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR

b) Estructura:

Pared celular de Gram +

Proteína asociada a la pared

Acido lipoteicoico

Peptidoglicano

Membrana citoplasmática

Acido teicoico

- Gruesa capa de peptidoglicano (mureína) - Presencia de ácidos teicoicos:

Características de los Ac Teicoicos

-Estructura: - Son poli-alcoholes de Glicerol (3C) o de Ribitol (5C) - Uniones ésteres de Fosfato -Se les unen azúcares y D-Alanina

-Función: - Interviene en el paso de iones a través de la pared - Estabilidad estructural de la pared c - Determinante antigénico del organismo

Pared celular de Gram +

-Estrecha capa de peptidoglicano -Membrana externa formada por proteínas, fosfolípidos y lipopolisacárido (LPS) -Periplasma: espacio entre la membrana externa y la membrana citoplasmática

Polisacárido O Núcleo del polisacárido

Lipopolisacárido (LPS)

Membrana externa

Membrana citoplasmática

Fosfolípidos

Peptidoglicano Lipoproteína

Proteína Lípido A

Porina

Porinas (canales que permiten transporte de sustancias hidrofílicas de bajo PM) Periplasma (contiene enzimas hidrolíticos,

proteínas de unión y quimiorreceptores)

La Pared Celular de Gram (-) Estructura:

Periplasma

Estructura y Composición

Polisacárido O específico Núcleo del polisacárido Lípido A Tóxico para

animales -variabilidad antigénica (Antígeno O) -sitio de adherencia bacteriana -resistencia a fagocitosis

Características del Lipopolisacárido

La Pared Celular de Gram (-)

-Disacárido NAG-P -Enlace éster con Ac Grasos

Lípido Polisacárido -Núcleo: KDO (ceto-desoxioctonato) heptosas, hexosas -Polisacárido O (secuencias de 4-5 unidades ramificadas)

Funciones del Lipopolisacárido

La Pared Celular de Gram (-)

-Tamiz molecular -Permite el paso de moléculas pequeñas hidrosolubles PORINAS-Inespecíficas (canales rellenos de agua) -Específicas (sitios de unión a sustancias específicas) -Impide el paso de moléculas de alto PM e hidrofóbicas

(protección frente a agentes antibacterianos: antibióticos, enzimas, ácidos biliares…).ZONA PERIPLÁSMICA

-Tóxico para animales (Lípido A)- Endotoxinas -Altamente antigénico (polisacárido O) -Sitio de adherencia con otras células y adsorción de fagos

Membrana externa

Periplasma

Membrana citoplasmática

Propiedades Gram-positiva Gram-negativa

Espesor de la pared gruesa (20-80 nm) delgada (10 nm)

Número de capas 1 2 Contenido peptidoglicano (mureína) >50% 10-20%

Ácidos teicoicos presencia ausencia Contenido lípidos y lipoproteínas 0-3% 58%

Contenido proteínas 0 9%

Contenido lipopolisacáridos 0 13%

Sensibilidad a penicilina Si No (con excepciones)

Sensibilidad a lisozima Si No

Diferencias en la pared celular de bacterias

Flagelo

Cuerpos de inclusión

Ribosomas

Fimbrias Nucleoide

Cápsula

Pared celular

Membrana celular

Plásmido

-Envoltura celular (membrana, pared) -Estructuras externas (cápsula, fimbrias, pili, flagelo)

4- Estructuras externas:

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Composición: Capas de polisacáridos viscosos localizados fuera pared celular , (exopolisacáridos extracelular EPS)

• Cápsulas: mas densas, rígidas e impermeables (glicoproteínas) • Capas mucilaginosas: más diluidas, flexibles

Funciones: • Participan en la adherencia a superficies: formación de biopelículas Ej: Biofilm dental, en materiales, en alimentos • Mecanismo de defensa bacteriano (frente a fagocitosis y antimicrobianos) • Mejoran la resistencia a desecación, uv, •Altamente antigénica (antígeno K)

4- Estructuras externas:1-Cápsula o Glicocalix

B- ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Biopelícula formada en superficie de un catéter

Biopelícula formada sobre una hoja

Ejemplos de biopelículas

Exopolisacárido bacteriano

Biopelículas microbianas “Comunidades de microorganismos que crecen adheridos a superficies y rodeados de una matriz polimérica secretada por ellos”

Superficie de acero

Impacto de las biopelículas… Extracción y conducción de

petróleo y aceites Sistemas de refrigeración

Elaboración de alimentos

Agua de bebida

Tratamiento aguas residuales

Implantes médicos

Boca

Biocorrosión o biodeterioro

Fimbrias en Neisseria gonorrhoea

4- Estructuras externas:2-Fimbrias o Pili

-Fimbrias -Filamentos proteícos -Son hereditarios -Son apéndice cortos y finos (3-10 nm diámetro)

Función: Adhesión a superficies (patógenos) y formación de películas en líquidos Factores de virulencia

-Pili -Similar fimbrias, más largos (1ó2 por cel) -Son más anchos que fimbrias (9-10 nm diámetro) -Función: Adhesión Determinados genéticamente por plásmidos Conjugativos, CONJUGACION BACTERIANA (transferencia de ADN) Receptores de virus bacterianos

Lofótricos

Anfítricos

Perítricos

- Polares (monótricos, anfítricos, lofótricos) - Perítricos (alrededor de la célula)

4- Estructuras externas:3-Flagelos

a) Función: Movilidad (respuesta a estímulos, factor de virulencia) b) Distribución: Son filamento largos, finos (20nm Ø) y flexibles

Monótricos

Filamento

Flagelina

Gancho

Anillo L

Anillo P

Proteína Mot

Memb citopl

Periplasma Peptidoglicano

Membrana externa (LPS)

Anillo MS

Proteínas Fli Proteína Mot

1.- Filamento Forma helicoidal Paso cte Subunidades de flagelina 2.- Gancho Une el filamento a la base motora Formado por un solo tipo de proteína 3.- Cuerpo basal -Anclaje del flagelo: (anillos/varillas centrales)

• Anillo L: En LPS solo en G(-) •Anillo P •Anillo MS

-Motor: Proteínas Mot: Alrededor anillo MS

• Canaliza flujo de protones • Provocan la rotación flagelar -Proteínas Fli responden a señales intracelulares

4- Estructuras externas:3-Flagelos

c) Estructura

4- Estructuras externas:3-Flagelos

Estructura del Flagelo procariota

Gram (-) Gram (+)

Carrera

Tumbo

d) Movimiento flagelar

4- Estructuras externas:3-Flagelos

-Filamento semirígido -Movimiento helicoidal (motor=cuerpo basal) -Energía FPM (1000H+/v) -Desplazamiento: .carrera-giro contario a las agujas del reloj .tumbo-giro en sentido horario

d) Movimiento flagelar

4- Estructuras externas:3-Flagelos

-Filamento semirígido -Movimiento helicoidal (motor=cuerpo basal) -Energía FPM (1000H+/v) -Desplazamiento: .carrera-giro contario a las agujas del reloj .tumbo-giro en sentido horario

Diferencias con eucariotas: -Estructura del filamento: microtúbulos -Movimiento serpenteante -Energía: ATP

¿Quién es más rápido, un guepardo o Escherichia coli?

Guepardo, el mamífero más rápido de la Tierra, alcanza los 110 Km/h (aproximadamente 25 longitudes corporales/seg)

La velocidad que alcanza una bacteria es de aproximadamente 0.00017 Km/h (unas 60 longitudes corporales/seg)

Quimiotaxis: Respuesta bacteriana a señales químicas que dirige la función flagelar

Carrera

Carrera

Tumbo

Tumbo

Carrera

Atrayente

carreras más largas hacia sustancias atrayentes o en contra sustancias repelentes

proteínas de membrana detectan [sustancia]/tiempo activan y modulan la rotación del flagelo

Movimiento dirigido o TAXIA

a)Movimiento al azar b)Quimiorreceptores:

Otras Taxias:

Aerotaxis: movimiento en respuesta al O2 Fototaxis: movimiento en respuesta hacia la luz Proteínas comunes con la quimiotaxis Fotorreceptores detectar gradientes de luz LUZ

t = 0

t = 2h

Flagelo

Cuerpos de inclusión

Ribosomas

Fimbrias Nucleoide

Cápsula

Pared celular

Membrana celular

Plásmido

-Envoltura celular (membrana, pared) -Estructuras externas (cápsula, fimbrias, pili, flagelo) -Citoplasma (Nucleoide, ribosomas, inclusiones)

5- Citoplasma

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

5- Citoplasma: 1-Nucleoide

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Neisseria gonorrhoeae

Cromosoma bacteriano o genóforo -Conjunto de genes necesarios para las funciones celulares básicas -1 molécula de DNA circular desnudo -Sin membrana nuclear -Superenrrollamiento por DNA girasas

Proteínas Dominio superenrollado

Región del citoplasma donde se encuentra el material genético

Tamaños, formas y número de cromosomas de microorganismos

Cromosoma

Nucleoide

Cromosoma de E. coli

(4,7x106 bases 1300µm, L=2-3µm) 4.500 genes

(Hombre:2,9x109bases 40.000 genes)

Replicación del cromosoma bacteriano -Relajación del DNA Apertura de las hebras -Origen de replicación único -Síntesis de DNA bidireccional y semiconservativa -No existen intrones

Horquilla de

replicación

ADN sintetizado de novo

Origen de replicación

-Circulares de tamaño y número de copias variable -Existen grupos de incompatibilidad -Transferibles entre bacterias -Aportan propiedades o adaptaciones selectivas

Resistencia a antibióticos Producción de antibióticos Mecanismos de patogénesis (toxinas) Capacidades metabólicas Capacidad de nodulación Degradación de compuestos xenobióticos Resistencia a metales pesados Producción de pigmentos

Plásmido Elementos genéticos de replicación independiente del cromosoma

Diferencia entre cromosoma y plásmido: los plásmidos no llevan genes que sean requeridos en todas las condiciones de crecimiento !!

Reserva de carbono y energía Poli-β-hidroxibutirato(PHB): Polímero dehidroxi-butírico Se agregan formando gránulos

Glucógeno: polímero de subunidades de glucosa

Rhodospirillum sodomense

5- Citoplasma: 2-Inclusiones

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

-Inclusiones rodeadas de membranas de lípidos -Contienen sustancias que almacenan energía (Pi, polisacáridos, azufre..)

1-Gránulos de reserva

1a-Polímeros carbonados

Polímero linear de ortofosfatos unidos por enlaces ester. Reserva de energía

Acumulación de S0

En bacterias del azufre

1b- Gránulos de Azufre

5- Citoplasma: 2-Inclusiones

1-Gránulos de reserva

1c- Gránulos de Polifosfato

-Partículas cristalinas de magnetita Fe3O4 -Monocapa lipídica -Dipolo magnético sometido a campos magnéticos -Presente en bacterias acuáticas

5- Citoplasma: 2-Inclusiones

2- Magnetosomas

3- Vesículas de gas

-Permiten la flotación -Mecanismo de movilidad a diferentes alturas en respuesta a factores ambientales -Formas de haz (huecas y rígidas) -Rodeadas de membranas proteícas impermeables a líquidos pero no a gas -Presentes en cianobacterias, bacterias fototrofas púrpuras y verdes, arqueas

Formas de reposo de la bacteria • Metabolismo detenido • Resistentes condiciones ambientales adversas

– Desecación – Altas temperaturas – Radiaciones UV – Compuestos químicos

. Características: g. Bacillus y Clostridium

5- ENDOSPORA: Formas de resistencia

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA

Esporas de Bacillus cereus (color verde), CV (color rosa)

•Formación: Interior celular

Terminal Subterminal Central

Exosporio: Capa proteíca con un 20% carbohidratos Resistencia a enzimas hidrolíticos Cutícula o cubierta: 50-80% proteína de la espora, alto contenido En aminoácidos hidrofóbicos y cisteína. Absorbe radiaciones, resistencia a compuestos químicos Córtex: Variante de peptidoglicano muy laxo Contribuye a la resistencia mecánica y a la deshidratación del citoplasma Núcleo o Protoplasto: Célula en estado de reposo PC, MP, Citoplasma (Genoma completo condensado y pocos ribosomas)

Nucleoide

Ribosomas

Pared celular

Estructura de la endospora

5- ENDOSPORA: Formas de resistencia

Propiedades del núcleo de la endospora -No existe síntesis de proteínas ni de RNA -Alto contenido en Ac dipicolínico -Se combina con Ca++ -10% del peso seco -Bajo contenido en agua 10-30%

Consistencia gelatinosa Termorresistencia Resistencia productos químicos Inactivación de enzimas. -Proteínas SASPs (pequeñas prot Ac-solubles): Bajan el pH en una unidad Función: -Unión a DNA

(Protección frente a UV, desecación y calor seco) -Reserva C y energía al germinar la espora

Proceso de esporulación o esporogénesis

Célula vegetativa Endospora

Proceso complejo y altamente regulado en el que participan unos 50 genes.

(tiene lugar en unas 6-10 horas)

- Metabólicamente activa - Hidratada

- Metabólicamente inactiva - Deshidratada

Ayuno de nutrientes !!

Invaginaciones de las membranas

Síntesis de las membranas de las esporas

Deshidratación Síntesis de proteínas SASP y ácido dipicolínico

Características Célula vegetativa Endospora Estructura Célula Gram+ típica, Córtex grueso, cutícula, exosporio unas pocas Gram- Apariencia microscópica No refráctil Refráctil Dipicolínato cálcico Ausente Presente Contenido en agua Elevado, 80-90% Bajo, 10-25% Actividad enzimática Elevada Baja Síntesis macromolecular Presente Ausente Resistencia al calor Baja Alta Resistencia a agentes químicos (H2O2 y ácidos) Baja Alta Resistencia a radiaciones Baja Alta Sensibilidad a lisozima Sensible Resistente Tinción por colorantes Teñibles Sólo teñibles mediante métodos especiales pH citoplasmático alrededor de pH7 pH entre 5,5-6,0 (en el núcleo)

Diferencias entre células vegetativas y endosporas

Importancia biotecnológica de endoesporas -Guerra biológica (esporas de ántrax, 11S) -Biocontrol (Bt anti-insectos, otros anti-hongos)

-Probióticos (esporas de Bacillus subtilis a pollos para prevenir enfermedades)

-Problema en la industria alimentaria Desarrollo de métodos eficaces de control Clostriudium botulinum

Célula procariota Célula eucariota

Membrana citoplasmática Pared celular

Citoplasma Nucleiode Ribosomas

Propiedades Procariota Eucariota Estructura y función del núcleo:

Membrana nuclear Ausente Presente

DNA Circular y cerrada Lineal, formando los cromosomas

Plásmidos Si No

División No mitosis Mitosis

Reproducción sexual No meiosis Meiosis

Estructura y organización del citoplasma:

Membrana citoplasmática carece de esteroles Existen esteroles existen hopanoides ausencia de hopanoides

Membranas internas Sencillas Compleja; retículo endoplasmático

Ribosomas 70S 80S

Orgánulos membranosos Ausentes Existen varios

Endosporas Presentes, termorresistentes Ausentes

Vesículas de gas Presentes (en algunas) Ausentes

Formas de motilidad:

Movimiento flagelar Flagelos rotatorios Flagelos o cilios; no rotan.

Movimiento no flagelar Deslizamiento (vesículas de gas) Corriente citoplasmática y movimiento ameboide; motilidad por deslizamiento

Diferencias en Organización Celular