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ENDOSPORAS BACTERIANAS
Diferenciación: Los microorganismos ajustan ajustan actividades para sobrevivir o prosperar, crecimiento coordinado en respuesta a estrés ambiental Cesan su crecimiento Se tornan mas “robustas” en cierta etapa de ciclo de vida
ENDOSPORAS: Se forman dentro de la célula Agentes de sobrevivencia NO DE REPRODUCCIÓN; NO ACTIVIDAD METABÓLICA EXTRAORDINARIAMENTE EXTRAORDINAR IAMENTE RESISTENTES Sobreviven en edo. dormancia, latencia, por largo tiempo (cientos e incluso miles de años) http://www.nature.com/nlink/v407/n6806/abs/407897a0_fs.html Formadas en consecuencia de privación de nutrientes (C, N, P) SEÑAL PERIODO ESTRÉS NUTRICIONAL CAMBIOS GENÉTICOS
CAMBIOS FENOTÍPICOS
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
Diferenciación: Los microorganismos ajustan ajustan actividades para sobrevivir o prosperar, crecimiento coordinado en respuesta a estrés ambiental Cesan su crecimiento Se tornan mas “robustas” en cierta etapa de ciclo de vida
ENDOSPORAS: Se forman dentro de la célula Agentes de sobrevivencia NO DE REPRODUCCIÓN; NO ACTIVIDAD METABÓLICA EXTRAORDINARIAMENTE EXTRAORDINAR IAMENTE RESISTENTES Sobreviven en edo. dormancia, latencia, por largo tiempo (cientos e incluso miles de años) http://www.nature.com/nlink/v407/n6806/abs/407897a0_fs.html Formadas en consecuencia de privación de nutrientes (C, N, P) SEÑAL PERIODO ESTRÉS NUTRICIONAL CAMBIOS GENÉTICOS
CAMBIOS FENOTÍPICOS
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
ALTA RESISTENCIA A: Temperatura, radiación, formas reactivas oxígeno ácido, álcali
Distribución filogenética: Filum: Firmicutes Gram-positivos Género
Propiedades
Bacillus
Aerobios y facultativos, más más estudiado grupo de de esporulados, patógenos (B. anthracis; B. cereus); cereus); biotecnología (B. (B. subtilis, B. thuringensis) thuringensis)
Clostridium
Anaerobios, varios patógenos patógenos ( C. tetani, C. botulinum, C. perfringens) perfringens)
Thermoactinomyces
Termofílicos aerobios, relacionados a Bacillus
Sporolactobacillus
LAB formadoras de esporas
Sporosarcina
Cocos aerobios estrictos (único coco formador de esporas), células en tetradas u octetos
Sporotomaculum
Anaerobios con respiración anaerobia, SO4 último aceptor e-
Sporomusa
Anaerobio, formador de acetato
Sporohalobacter
Anaerobia, resistente a sal, aislada del Mar Muerto Muerto
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
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CARACTERÍSTICAS MICROSCÓPICAS Cuerpos ovoides, esféricos, cilíndricos cilíndricos en el interior de la célula vegetativa o libres Muy refringentes, difíciles difíciles de teñir
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ESPORANGIO = célula madre + espora
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FORMA Y LOCALIZACIÓN ESPORA
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Según diámetro mayor o no a célula vegetativa: Esporas deformantes Esporas no deformantes
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CRITERIOS TAXONÓMICOS
Según localización dentro del esporangio: Terminal Subterminal Central Los esporangios deformantes de Clostridium son característi característicos: cos: en forma de cerilla o palillo de tambor (plectridios) en huso (clostridios)
1. 2.
3. 4. 5. 6.
Espora central; No deformante Espora terminal; no deformante; con cuerpo parasporal (Proteína) Espora terminal deformante, Clostridios (agujas) Espora central deformante, fusiforme, aguja (forma de Clostridios) Espora terminal, forma de cerillos o batacas = Plectridio Espora lateral deformante, bacilo fusiforme
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
Exosporio (no universal: las esporas de algunas especies carecen de él). Cubiertas proteicas Corteza o córtex, (peptidoglicano de unión laxa) rodeado externamente de la membrana esporal externa. Pared de la espora (= Germen de la pared de la futura célula vegetativa). Protoplasto o núcleo (“core”, en inglés), con la membrana citoplásmica de la espora (membrana esporal interna).
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B. cereus:
ENDOSPORAS BACTERIANAS / EXOSPORIO
estructura membranosa transparente, (saco cerrado,
delgado y flojo), envuelve al resto de la espora de forma “suelta”,
despegado en principio respecto de las cubiertas (tras la liberación de la espora, al perderse el contenido acuoso que había entre exosporio y cubiertas, aquel se pega a éstas). y B. megaterium, envuelve a espora de una forma más estrecha, establece algunos contactos físicos con superficie de cubiertas.
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B. subtilis
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Composición química: proteínas, polisacáridos complejos, y lípidos.
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Propiedades: muy resistente enzimas proteolíticas, ¿barrera de defensa externa de la espora?
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / CAPAS PROTEICAS
Composición y estructura: Varía entre especies Una o varias proteínas tipo queratina, Ricas en cisteína y a.a. hidrófobos (60% en peso seco de la espora). *
Propiedades: Insolubles e impermeables Impiden entrada de numerosos agentes químicos, incluyendo sustancias tóxicas. Abundancia de puentes S-S las hace muy compactas y muy estables químicamente
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / CORTEZA O CÓRTEX
Composición: peptidoglicano especial, diferente al de célula vegetativa:
30% del NAM con tetrapéptidos normales, grado de entrecruzamiento muy bajo (6%). 15% del NAM tiene solo la L-ala inicial, en lugar de tetrapétido. 55% de una modificación del ácido murámico (lactama del ácido murámico; condensación del -COOH lactilo con el -NH2, para formar la lactama) Origen: A partir de célula madre, intermediarios ensamblados a nivel de la membrana externa que rodea a la corteza. Propiedades de la corteza : 1) Bajo grado de puentes entre tetrapéptidos (sólo un 6%). Genera: a) estructura más laxa, floja y flexible que el peptidoglucano normal, se expande en ausencia de cationes que neutralicen sus grupos negativos (sobre todo del mDAP y del glutámico de los tetrapéptidos) apariencia de gel. b) rápida autolisis, durante la germinación de la espora.
2)
lactama del murámico :gran resistencia a lisozima.
La corteza limitada por la membrana esporal externa, (invaginación de membrana citoplásmica de la célula madre). Polaridad opuesta a la de la membrana esporal interna.
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / PARED DE LA ESPORA
Localización: Encima de membrana interna de la espora *Composición: peptidoglucano similar al de la célula vegetativa, Funciones: *Resistencia osmótica Durante germinación, será finalmente pared celular de la nueva célula vegetativa *
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Origen: a partir de la prespora, atravesando los precursores la membrana interior
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / NÚCLEO O PROTOPLASTO
Deshidratado (alta termoresistencia, inactiva enzimas, resistencia H 2O2) Componentes inmovilizados con Ca 2+ y acido dipicolínico DIPICOLINATO CALCIO Ca 2+ 1-3% peso espora; Dipicolinico (10% peso espora) Durante formación espora Función quelante (deshidratación) Durante germinación se libera Ca 2+ (fundamental para germinar) PROTOPLASTO Con cromosoma completo condensado, aparato metabólico completo para iniciar actividad tan pronto germine Carece de componentes típicos de célula vegetativa Posee ribosomas pequeños ARN polimerasa Nucleotidos mono y difosfatados NO TRIFOSFATADOS (NO ATP) carece de componentes inestables: ARNm, enzimas biosintéticas, aminoácidos, bases nitrogenadas libres, cofactores reducidos (NADH; CoA) Alta concentración de SASP’s; protegen ADN vs. Desecación y rayos (unión
fuerte) Fuente de carbono para soportar estrés por nutrientes pH citoplasma: 1 unidad inferior al de célula vegetativa
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / NÚCLEO
Energía química: 3-fosfoglicerato, otra molécula estable del protoplasto, Se convierte rápidamente a 2-fosfoglicerato, y luego a PEP al germinar la espora (dona P para generar ATP) Membrana citoplásmica (membrana interna de la espora); rodea al protoplasto. Bicapa lipídica carente de fluidez, ¿resultado de su estructura policristalina?
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN
CARACTERÍSTICAS Cultivos en buenas condiciones Cesa crecimiento (células con crecimiento diferente) Proceso no sincrónico Estado de inanición (nutriente limitante) B. subtilis y B.megaterium : Completa esporulación en 7-8 h a 37°
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE 0
Célula vegetativa: Al final de replicar contiene 2 cromosomas
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE I
Filamento axial ancho en centro de célula: Se forma con los 2 cromosomas Cada nucleoide se une a cada extremo de la célula Se forman dos espículas de la pared celular cerca de los polos hacia el interior, rodeadas de la correspondiente invaginación de la membrana citoplásmica, no hay septo divisional como en fisión binaria Cada espícula está formando anillo de la proteína FtsZ (tubulina) Síntesis de antibióticos y exoenzimas que degradan proteínas de célula vegetativa, los monómeros se usarán en proteínas de espora
ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE II Forma septo transversal acéntrico, cerca de polo de célula, por invaginación de membrana citoplásmica, y deposición de nuevo peptidoglucano entre dos membranas adyacentes. Cada nucleoide queda segregado en uno de los dos compartimentos que se han formado: un cromosoma va al compartimento pequeño (compartimento de la preespora); la otra copia del cromosoma va al compartimento grande ( célula madre). Continúa síntesis de antibióticos y exoenzimas (serina-proteasas, metaloproteasas, ribonucleasas, -amilasa, etc). *
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE III
Protoplasto de preespora se independiza de célula madre . Degradación selectiva de peptidoglicano del septo en fase II (degradación comienza por el centro, donde se había cerrado, y sigue hacia periferia). Membrana citoplásmica de célula madre crece unidireccionalmente alrededor de preespora, ésta queda libre en citoplasma del esporangio. Citoplasma de preespora queda rodeado por dos membranas de polaridad opuesta: la interior tiene la polaridad normal, la exterior, derivada del crecimiento de la membrana de la célula madre, tiene polaridad invertida La renovación de proteínas sólo tendrá lugar en la célula madre, deteniéndose en compartimento de la preespora
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE IV
Formación casi por completo de corteza de espora, por deposición de peptidoglicano entre las dos membranas. Aún no está “maduro” (no tiene
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todavía las características de peptidoglicano de espora). Se deposita el peptidoglicano de pared celular (futura pared celular de futura célula vegetativa). Preespora adquiere su aspecto refráctil al microscopio óptico en fresco. Síntesis del ácido dipicolínico (DPA) , así como la acumulación de Ca2+. Síntesis del exosporio.
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE V
Materiales de cubiertas (sintetizados en fases II y III en compartimento de la célula madre), comienzan a depositarse fuera de membrana esporal externa. Al final de esta fase se adquiere la resistencia al octanol . Continúa acumulación de DPA, que sigue secuestrando iones Ca2+ (formación del quelato de dipicolinato cálcico, DPC).
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE VI
Preespora madura hasta espora. Madura la corteza (genera el característico PG cortical, más laxo, con su bajo porcentaje de entrecruzamientos -por actuación de endopeptidasas- y la lactama del NAM). Maduran las cubiertas. El citoplasma de la espora más homogéneo y denso a electrones. La espora se hace resistente al calor y al cloroformo. Resistencia a las radiaciones (UV). Resistencia a la lisozima.
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE VII
Liberación de la espora madura autolisis de la célula madre. Exosporio, pierde contenido de citoplasma (procedente de la célula madre), quedando un saco vacío y plegado, unido a las cubiertas (al salir espora al exterior)
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endospore formation
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / ESPORULACIÓN / FASE I
Esporulación se puede revertir si en las 4 primeras fases se suministra nutriente, a partir de Fase V es irreversible, CÉLULA COMPROMETIDA A ESPORULAR Proceso muy ordenado, operones esporulación spo ESPORULÓN Localizados en 4 regiones cromosoma 125 genes en total, actúan de forma secuencial Inactivados en crecimiento vegetativo Mecanismo regulatorio señales madre - espora en formación Codifican factores σ alternativos de la ARN polimerasa Quorum sensing activa genes spo Síntesis de proteínas Spo
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / CUERPOS PARASPORALES
Bacillus thuringiensis, B. popiliae
y algunas especies de Clostridium,
forman cristales proteicos en el esporangio simultáneamente a la formación de la endospora: cuerpos parasporales
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / CUERPOS PARASPORALES
IMPORTANCIA Salud: Toxina botulínica (C. botulinum), Toxina B. cereus, Tetanospamina (C. tetani), Gangrena gaseosa, intoxicación alimentaria ( C. perfringens) Biotecnología agrícola: Proteína BT (epitelio intestinal lepidópteros, hemolinfa, parálisis y muerte)
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / GERMINACIÓN
Proceso en el que una espora retorna a su etapa vegetativa Más rápida que esporulación (90 min) ETAPAS 1. preactivación 2. activación 3. iniciación (o germinación en sentido estricto) 4. crecimiento ulterior (entrada en fase vegetativa)
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / GERMINACIÓN / PREACTIVACIÓN
Requiere que sus cubiertas se alteren. Naturalmente ocurre por erosión por envejecimiento progresivo . Artificialmente, en laboratorio, se puede recurrir a:
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Aplicar altas temperaturas a espora, (pero inferiores a su inactivación): 100°C durante unos minutos por radiaciones ionizantes; por pH bajos; por tratamiento con sustancias que posean grupos -SH libres (p. ej., mercaptoetanol).
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / GERMINACIÓN / ACTIVACIÓN
Proceso reversible, desencadena un agte. Químico externo como: iones inorgánicos (Mn2+, Mg2+); L-alanina en B. subtilis; glucosa u otros azúcares; adenina u otras bases nitrogenadas Receptor alostérico en membrana esporal interna detecta germinante Se activa y adquiere capacidad proteolítica específica romper una proenzima unida covalentemente al peptidoglucano de la corteza La enzima resultante reconoce la lactama del NAM y comienza a hidrolizar el peptidoglucano cortical. Comienza a entrar agua al protoplasto de la espora La espora pierde su característica refringencia Comienza a perder la resistencia al calor. Durante toda esta etapa el metabolismo está aún latente
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ENDOSPORAS BACTERIANAS / GERMINACIÓN / INICIACIÓN
Etapa irreversible, se rompe definitivamente el estado de dormancia, metabolismo es endógeno (no depende todavía de sustancias externas). se pierde DPA, lo que supone pérdida de Ca++; Ca++ pasa al córtex, neutraliza las cargas negativas rehidratación del protoplasto y su hinchamiento Contracción del córtex, Continúa y se completa rápidamente la hidrólisis del PG cortical; 3-fosfoglicérico (3-PG) se convierte en 2-PG, y éste en PEP, que a su vez dona su fosfato de alta energía para producir ATP; pequeñas proteínas SASPs se hidrolizan por proteasa específica. Los aminoácidos constituyentes se reutilizan para la síntesis de nuevas proteínas por parte de la pequeña dotación de ribosomas y demás moléculas accesorias; La ARN polimerasa comienza a sintetizar ARN (comienza la transcripción de genes vegetativos).
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ENDOSPORAS BACTERIANAS
Aparece metabolismo exógeno: Bacteria puede tomar nutrientes del exterior y metabolizarlos Eventos se sintetiza ADN; el protoplasto crece aún más; pared de la espora sirve como cebador (germen) para la producción de la pared de la célula vegetativa naciente; célula vegetativa sale por rotura de las cubiertas , puede ser tipo polar o ecuatorial. Al salir, esta célula vegetativa se tiñe como Gram-negativa, y sólo adquirirá su típica grampositividad después de la primera división.
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QUISTES BACTERIANOS
Se producen por engrosamiento de la pared celular de la célula vegetativa (algunas especies), Por deposición de nuevos materiales sobre la membrana citoplásmica, al mismo tiempo que se acumulan materiales de reserva en el citoplasma. Poseen metabolismo endógeno Resisten al calor, a la desecación y a agentes químicos más que la correspondiente célula vegetativa (pero menos que las endosporas). Ejemplos: Quistes de Azotobacter y Bdellovibrio Mixosporas de los cuerpos fructificantes de las mixobacterias * * *
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EXOSPORAS
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células diferenciadas de tipo reproductivo, genéricamente conocidas como esporas Agentes de dispersión o proliferación celular
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Se liberan al aire a partir de hifa de hongos filamentosos o actinomicetos Inician otro crecimiento tipo filamentosos EN HONGOS FILAMENTOSOS: CONIDIAS ACTINOBACTERIAS Bacterias Gram-positivas crecimiento micelial y un estilo de vida similar a los hongos
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GENERO ACTINOPLANES micelios vegetativos de sustrato (subterráneos). generan hifas verticales que sobresalen a la superficie. Extremo de cada hifas se diferencia y forma esporangio (sáco) Saco se fragmenta en esporas móviles (flageladas) llamadas zigosporas o esporangiosporas .
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Género Streptomyces (Actinobacteria) MICELIO sustrato ramificado, interrumpido por pared transversal (cenocíticos, contienen varios cuerpos nucleares). Limitación de nutrientes: Se forma micelio aéreo a partir de ramificaciones de las hifas subterráneas. En los extremos se diferencian en cadenas esporas. Durante la formación de estos micelios aéreos y esporas micelios subterráneos sufre lisis masiva.
EXOSPORAS
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EXOSPORAS BACTERIANAS / Streptomyces
Propiedades de las esporas de estreptomicetos: Pared celular de espora más gruesa que célula vegetativa No cambio cualitativo en peptidoglucano; no hay córtex, ni cubiertas Muy hidrofóbicas: se resisten a ser suspendidas en agua (por vaina que rodea a la pared celular, compuesta a base de túbulos auto-ensamblables ) Resisten más al calor y a la desecación en comparación a las células vegetativas, pero menos que las endosporas. son metabólicamente durmientes (células en reposo).
HETEROCISTOS = HETEROQUISTES Células término, sin función reproductiva, Especializadas en la fijación de nitrógeno molecular (N 2), Mayor tamaño que las células vegetativas. Conexión entre células vegetativas – heteroquistes: Estrangulamiento de polos. Unión atravesada por microplasmodesmos : finos canales llamados, que reducen al mínimo el intercambio de sustancias entre ambas células. Exterior de pared celular (Gram-negativo), existen tres cubiertas: capa laminada interna: glucolípidos exclusivos de cianobacterias; capa homogénea central a base de polisacáridos capa fibrosa externa, también polisacarídica, pero menos compactada. *
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