Tema 6

La célula procariota. Tamaño, forma y pared celular.

Tamaño.

Dentro de los microorganismos tenemos muchos distintos y, entre ellos, las diferencias son importantes. El tamaño de éstos está relacionado con la forma. El hecho de tener formas muy distintas hace difícil comparar tamaños y, por esto, hablamos de volúmenes.

El tamaño de las bacterias es muy variado:

1-3ðm: Escherichia coli.

0.8ðm: Streptococcus.

8-50ðm: Oscillatoria.

Los micoplasmas se consideraban las bacterias más pequeñas con un tamaño de 0.3ðm. En los últimos años se demostró la existencia de bacterias que destacan por su pequeño o gran tamaño. Se calculaba que para la existencia celular era necesario un tamaño de 0.2ðm pero, en los últimos años en el fondo marino se han encontrado las Nanobacterias o Ultramicrobacterias, que tienen forma redondeada y su tamaño puede ser de 0.005ðm a 0.2ðm. Algunas se han podido cultivar.

En los últimos años se han descubierto también bacterias de gran tamaño. En 1985 se descubrió la Epulopiscium fishelsoni. Tiene un tamaño de 50-80ðm de diámetro y de 0.5-0.10mm de largo. Inicialmente se creyó que era un Protista pero en el 92-93 se confirmó que era una bacteria.

En 1999 en aguas de Namibia se descubrió otra bacteria gigante: Thiomargarita nanibiensis que es tan grande que es visible a simple vista (0.75mm de diámetro). Esto pone de manifiesto que el tamaño, por si sólo, no vale para diferenciar procariotas de eucariotas. También dentro de Eucariotas se ha encontrado una microalga de 1 a 2 ðm: Nannochlorum.

El tamaño tiene importancia porque determina algunas propiedades biológicas, de su ecología y su evolución. El tamaño de los microorganismos está muy relacionado con la relación superficie- volumen.

! tamaño !superficie- volumen.

! tamaño !superficie- volumen.

La cantidad de membrana disponible va a determinar las tasas de transporte. Cuanto más pequeños, mayor superficie- volumen, mayor membrana y ,mayor tasa de transporte, por lo tanto, mayor velocidad de crecimiento. Esto hace que en los hábitats naturales se multipliquen rápidamente.

Consecuencias evolutivas: A mayor velocidad de crecimiento, mayor velocidad de evolución. No sabemos el límite de tamaño pero parece claro que tiene que haber un límite, tanto superior como inferior. A mayor tamaño, menor velocidad de transporte y por lo tanto ineficiencia.

En las bacterias grandes se descubrió que tenían su m.p plegada. Las células eucariotas son más grandes, como norma general, pero tienen sistemas interiores de membrana que liberan a la m.p de toda una serie de funciones. En eucariotas sólo se dedica al transporte, pero no en procariotas. El tamaño también es importante para determinar la velocidad de sedimentación.

Forma.

Existen una gran cantidad de formas distintas. Las 3 más frecuentes son:

A su vez, dentro de los bacilos hay muchas variaciones: longitud, distintos extremos...

Los espirilos también pueden presentar variaciones: cortos, ondulados, más largos

Las células permanecen juntas después de la división celular y forman agrupaciones características. Las células después de dividirse permanecen juntas, pero no están pegadas. En los cocos son agrupaciones muy características, pero en cultivos que no hayan sido agitados. El tipo de agrupación depende de:

• nº de las divisiones?????******

• sentido de las divisiones.

Diplococos. Género Neisseria.

Estreptococos. Género Streptococcus, Lactococcus...

Tétradas. Género Micrococcus.

Sarcinas. Género Sarcina (tres divisiones sucesivas en planos perpendiculares).

Estafilococos. Género Staphylococcus (divisiones en planos irregulares).

Los bacilos siempre se van a dividir en transversalmente al eje mayor:

• diplobacilos

• estreptobacilos

Los espirilos no se agrupan

Estructura de la célula bacteriana.

Tiene una serie de estructuras bien definidas tanto en la cubierta celular como en el citoplasma. De éstas algunas están presentes en todas mientras que otras no aparecen o sólo en ciertas circunstancias.

Pared celular.

Es una estructura presente en todas las bacterias excepto en micoplasmas y algunas arqueobacterias. La cubierta celular consta de m.p y pared celular. La pared celular está externamente a la m.p y el espacio que queda entre ellas es el espacio periplásmico o periplasma.

Es una de las estructuras más importantes y características por que en su composición entra el péptidoglucano, mureína o glicopéptido. Va a ser su pretección osmótica y ante factores mecánicos. La pared celular puede constituir un porcentaje importante del peso seco celular, que depende de la especie y condiciones de cultivo.

Se dedujo su existencia antes de visualizarla porque las bacterias tenían distintas formas a la esférica y, por tanto, tenía que haber una estructura rígida. Podemos verla con el M.E y con el microscopio de fluorescencia. Se ponía de manifiesto poniendo a la célula en un medio hipertónico por que ésta se arrugaba.

• Estructura y composición química en Gram (+) y (-).

Dentro de las Eubacterias podemos distinguir tres grandes grupos:

• Gram (+)

• Gram (-)

• Ácido- alcohol resistentes

Todas tienen péptidoglicano.

En las bacterias Gram (+) la pared celular es gruesa y monoestratificada. Está compuesta fundamentalmente de mureína que supone entre el 70-80% de la pared. Unido al péptidoglicano por enlaces covalentes existen los ácidos teitoicos, que están embebidos en la misma capa. Dentro de estos ácidos algunos están solo en la estructura de la pared mientras que otros pueden aparecer unidos covalentemente a lípidos de la m.p dando lugar a los ácidos lipoteitoicos. El espacio periplástico es prácticamente inexistente.

En el caso de las Gram (-), la pared celualr es más fina, menos compacta y mas compleja. Es pluriestratificada (2 capas). El contenido en mureína es mucho más bajo (10%) y no tiene ácidos teitoicos sino que tiene lipopolisacáridos, proteínas, lipoproteínas, fosfolípidos...

La capa más interna es de mureína, es rígida y no tiene una estructura tan compacta como la de las Gram (+), es más gelatinosa.

Externamente se sitúa la “Membrana externa de la pared celular”, se llama así por que recuerda a una estructura de membrana.

Está formada por una membrana lipídica pero los fosfolípidos de la cara externa son sustituidos por los lipopolisacáricos, que son el componente mayoritario de la pared celular de las Gram (-). Embebidas en esta membrana hay proteínas y destacan unas que están ancladas y se denominan porinas (constituidas por 3 subunidades y dejan un poro central).

Las dos capas están unidas por unas lipoproteínas denominadas lipoproteínas de Braun cuya parte proteica la unen al péptidoglicano y la lipídica a los fosfolípidos de la membrana externa (también conocida como la capa de lipopolisacáridos. Hay un espacio periplástico, incluye a la capa del péptidoglicano.

Péptidoglicano.

Es un polímero de una unidad fundamental que está constituída por 2 azúcares N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico, al que se le unen 4 aminoácidos. Es la molécula más característica de las eubacterias por que ni las eucariotas ni las _______ pueden sintetizarla.

Está constituida tanto por D como por L aminoácidos (a diferencia de las proteínas). El tetrapéptido está constituido por: L-alanina, D-glutámico, aminoácido 3 (varía: En Gram (+) es L-lisina y en (-) es ácido mesodinaminopinélico ) y D-alanina.

Estas subunidades del péptidoglicano se unen por enlaces ð(ð!ðð y forman cadenas lineales. Estas cadenas se unen por puentes transversales (entrecruzamientos y puentes peptídicos) y se realizan por el extremo carboxnilo del último aminoácido con el resto amino del tercer aminoácido de otro péptido. Cuantos más entrecruzamientos existan más rígida es la estructura.

También hay diferencias entre las Gram (+) y las (-). En las (-) los entrecruzamientos suelen ser directos y escasos y esto da lugar a una estructura laxa, poco rígida y con poros grandes. En las (+) los entrecruzamientos no suelen ser directos, sino através de puentes peptídicos. Se pueden formar muchos distitos, lo que da lugar a unos 100 peptidoglicanos distintos. Además los entrecruzamientos son muy frecuentes y , como consecuencia la estructura es mucho más rígida u los poros son más pequeños.

Polímeros caraterísticos.

• En Gram (+).

Ácidos teitoicos (20-25% de peso seco).

Son moléculas lineales de azúcares fosfato con distintos radicales. Hay distintos tipos en función del azúcar.

• Glicerolteitoicos (glicerol). Siempre están presentes. Se unen a la m.p y se llaman lipoteitoicos, se cree que pueden tener alguna función en la regulación del crecimiento de la pared.

• Ribitoleitoicos (ribitol). Pueden no aparecer.

Los radicales son variados: azúcares, aminoácidos...

• En Gram (-).

Lipopolisacáridos.

Se sitúan en la membrana externa. Son moléculas complejas de alto peso molecular que tienen una parte lipídica y otra polisacarídica. La lipídica se denomina lípido A y es la misma en todas las especies. La polisacarídica es hidrófila y se distinguen dos regiones:

En muchas Gram (-) el lípido A resulta tóxico para muchos animales y se dice que es responsable de la toxicidad y se denomina Endotoxina.

Proteínas.

Puede haber proteínas de transporte, pero las más importantes son las porinas que son trímeros y dejan un poro central. No se mueven libremente y constituyen una estructura rígida. Permiten el paso de sustancias de bajo p.m por sus poros. Esto hace que estas membranas permitan el paso de sustancias hodrofílicas. Pueden ser:

La membrana externa constituye una 2ª barrera de permeabilidad. Tiene que ser mucho más restrictiva que la m.p, pero la existencia de las porins deja el paso a ciertas sustancias que no pasan por la m.p. La barrera que constituye la membrana externa también impide que salgan determinadas sustancias de la célula (enzimas y proteínas) que quedan en el periplasma en bacterias Gram (-). En este espacio va a haber una concentración de proteínas y una actividad alta.

Entre las proteínas del espacio periplástico hay:

• Proteínas hidrolíticas.

• Proteínas de unión.

• Proteínas quimiotácticas.

Las dos capas están unidas por estas lipoproteínas de Braun. Sin embargo, en algunos puntos la membrana externa entra en contacto directo con la m.p y estas zonas se denominan uniones de Bayer, que son muy importantes para el paso de determinadas sustancias y virus.

Funciones de la pared celular.

Las diferencias entre Gram (+) y (-) se basan en la composición de la pared celular.

En las Gram (+) cuando añadimos el alcohol no pasa por esos poros tan pequeños y no lo decolora. En las (-) el alcohol disuelve con facilidad los lípidos de la membrana externa y pasa por los poros amplios de la mureína y puede decolorarse.

A veces puede producirse la pérdida de la pared celular y entonces obtendremos protoplastos y esferoplastos. La pared da forma a la bacteria, pero al destruir el péptidoglicano la célula pierde la forma y en un medio hipotónico la célula estalla.

Si están en un medio isotónico y aplicamos un tratamiento con lisozima, que destruye los enlaces ð(ð!ðð del peptidoglicano, la célula adquiere forma esférica.

Si esto lo hacemos con una Gram (+) se deshace por completo la pared celular y queda el protoplasto limpio. En Gram (-) siempre quedan los restos de la membrana externa (esferoplastos).

Los protoplastos y esferoplastos conservan alguans propiedades fisiológicas que las células enteras pero pierden una serie de funciones:

• No pueden sintetizar de nuevo la pared aunque retiremos en tratamiento.ç

• No se dividen y no se mueven, si eran flageladas se conserva el flagelo pero sin moverse.

• Pueden dividirse 2 o 3 veces

• Son resistentes a ataques bacterianos por que no se unen a la pared

• Son formas artificiales hechas en el laboratorio.

Existen otras formas: Formas L (Lister) que son bacterias sin pared pero que se forman espontáneamente de forma natural. Muchas veces se debe a mutaciones. Son esféricas y, como no están necesariamente en medios isotónicos han desarrollado un mecanismo compensatorio que suele implicar un refuerzo de la m.p. Sí se pueden dividir pero no moverse y pueden volver a sintetizar la pared y volverán a moverse. Los micoplasmas no tienen pared.

Pared celular de bacterias ácido- alcohol resitentes.

Algunas eubacterias presentan una pared celular distinta por que no se teñían con la tinción de Gram, son las micobacterias y dentro de ellas el género más conocido es el de Mycobacterium (tuberculosis).

Tienen una elevada proporción de lípidos complejos que llegan a suponer el 60% de peso seco y esto da aspecto de cubierta de cera altamente hidrofóbica. Por su naturaleza no permite la entrada de alcohol ni colorantes.

Se usa la tinción de Ziel Neelsen. Dentro de los lípidos de la pared celular los más importantes son los ácidos micólicos que son ácidos grasos de cadena larga entre 60-90 carbonos que tienen el grupo CH en posición ð y están sustituidos en posición ðð

Se pueden distinguir 4 capas (m.p-p.c):

Además de estas capas existen otros componetes que están unidos a la m.p a intervalos más o menos constantes como es el lipoarabinomanano (LAM) y es el equivalente a los lipopolisacáridos de las Gram (-).

Parece ser que estos LAM van a ser usados como poros para que los nutrientes puedan atravesar la pared celular. Toda esta estructura hace que sean bacterias altamente impermeables.

Pared celular de las Arqueobacterias.

Las diferencias más importantes de la pared celular de las arqueobacterias es que nunca tienen péptidoglucano por que son incapaces de sintetizar N-acetilmurano.

Existen algunas que no tienen pared celular como Thermoplasma, que se considera que es una de las bacterias más antiguas. Cuando tiene pared celular les sirve para resistir las A de * y para darles forma.

Su naturaleza es muy variable, pueden tener paredes proteicas, glucoproteínas, lipoproteínas, glucolípidos...

Existen unas bacterias, las Metanogénicas que sintetizan un polisacárido muy similar al péptidoglicano.