TEMA VII PARED CELULAR

Es muy importante en bacterias porque es la mejor diana terapéutica. Es la capa que rodea externamente a la membrana plasmática. En bacterias, tiene dos funciones principales:

• Proporcionar la forma celular (espiral, cocoide...)

• Proteger frente a la lisis osmótica.

Existen dos tipos de pared celular en bacterias, que se diferencian en la tinción de gram:

• Gram +: Monoestratificada y gruesa (monocapa)

• Gram -: Pluriestratificada y delgada (multicapa)

PEPTIDOGLICANO O CAPA DE MUREÍNA

El peptidoglicano es el constituyente básico de la pared celular en bacterias. Es el responsable de la rigidez de la pared, y proporciona resistencia frente a la lisis osmótica.

Es un polímero de azúcares y amnoácidos. Su estructura es:

N-acetil glucosamina ß1!4 N-acetil murámico - Tetrapéptido

En E.coli, que es la bacteria modelo de las gram -, el tetrapéptido está formado por: L alanina, D glutámico, mesodiamino pimélico y D alanina. En Staphylococcus aureus, bacteria modelo de las gram +, está formado por: L alanina, D glutamina, L lisina y D alanina.

Son aminoácidos poco frecuentes (forma D, mesodiamino pimélico). Esta estructura básica se repite para formar una estructura tridimensional o de malla.

La asociación de las unidades de peptidoglicano conlleva la formación de nuevos enlaces entre las cadenas de tetrapéptidos: En E. coli el tetrapéptido se une con un enlace peptídico entre el mDAP y la D Ala. En Staphylococcus aureus el puente cruzado está formado por 5 moléculas de glicina:

NAG-NAM NAG-NAM

L Ala Enlace interpeptídico L Ala

D Glu o puente cruzado D Gln

M DAP ----- CO - NH - D ala L Lis ------[gli]5 - D Ala

D Ala D Ala L lis

E. coli Staphylococcus aureus D Gln

Estructura tridimensional:

M M M M El número de puentes cruzados difiere

G G G G en el tipo de bacteria. En Gram - no se forman

M M M M todos los puentes cruzados posibles. En gram

G G G G + se forman prácticamente todos los posibles.

M M M M Esto implica que su pared sea más resistente.

G G G G El peptidoglicano representa, en gram

M M M M +, del 40 al 90% de la pared celular. En gram

G G G G - constituye entre el 5 y el 20% de la pared.

M M M M

ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR EN GRAM +

Está formada por una gruesa capa de proteoglicanos y ácidos teicoicos. Los ácidos teicoicos están asociados covalentemente. Son polialcoholes formados por unidades de glicerol o ribitol unidas entre sí mediante enlaces fosfodiester. En función de sus componentes, los dividimos en 2 grupos:

• Glicerol teicoicos: Formados por varias moléculas (más de 10) de glicerol, unidas mediante enlaces fosfodiester. P - O - CH2 - CH - CH2 - O - P

O

R

• Ribitol teicoicos: P - O - CH2 - CH - CH - CH - CH2 - O - P

O O O

R R R

Los residuos R están sustituidos por D Ala, glucosa o N-acetil glucosamina.

En función de su localización, los ácidos teicoicos se clasifican en:

• Ácidos lipoteicoicos: Conectan la membrana plasmática con el exterior de la pared.

• Ácidos teicoicos: Sólo aparecen en la cara más externa de la pared celuar.

Los ácidos teicoicos tienen las siguientes funciones:

• Proporcionar cargas negativas a la pared, y por tanto, favorecer el transporte de iones a su través.

• Actuar como canales iónicos, gracias a sus cargas negativas.

• Son los principales antígenos de superficie de las gram +.

ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR EN GRAM -

En contacto con la membrana hay una delgada capa de proteoglicanos, conectada con la siguiente capa de pared por una lipoproteína pequeña (7000 d). La siguiente capa es la membrana externa, muy semejante a la membrana plasmática. Es una bicapa lipídica, pero con ciertas diferencias:

En su parte más externa tiene lipopolisacáridos, también llamado ARO, formado por 3 partes:

El ARO se ha estudiado en profundidad en Salmonella.

A Está formado por dos moléculas de glucosamina unidas entre sí y de las que cuelgan ácidos grasos como el mirístico, láurico, palmítico, esteárico, caproico...

El núcleo R está formado por diferentes azúcares unidos por enlaces fosfodiéster. Entre estos azúcares destacan 2 poco frecuentes:

· KDO: 2-ceto-3-desoxioctónico

· Heptulosa

La cadena lateral está formada por un polímero de estos cuatro azúcares: Galactosa, ramnosa, abecuosa? y manosa.

Man - Abe

Ram

Gal

Glu - NAG

Gal

Glu - Gal

Heptulosa

Heptulosa - P - P - Etanolamina

KDO

KDO - KDO - P - Etanolamina

P - Glucosamina - Glucosamina - P

El lipopolisacárido es muy tóxico, y por eso se le denomina endotoxina.

A diferencia de la membrana plasmática, la membrana externa es una estructura permeable. Permite el paso de moléculas inferiores a 5000 d. En este transporte interviene una proteína transmembrana llamada porina.

Una de las funciones de la membrana externa es la retención de enzimas hidrolíticas como nucleasas, proteasas, glucosidasas, etc. Estas enzimas se localizan en el espacio periplásmico y son enzimas digestivas; hidrolizan polímeros como polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, que penetran a través de la porina y se degradan en monómeros. Éstos, penetran al interior de la célula a través de sistemas de transporte como el transporte activo o la translocación de grupo.

LISIS DE LA PARED CELULAR: FORMACIÓN DE PROTOPLASTOS

Existen enzimas capaces de hidrolizar el peptidoglicano:

La lisozima está presente en lágrimas y saliva de mamíferos. Hidroliza el enlace glucosídico  (1!4) que une NAG y NAM del peptidoglicano. El peptidoglicano resultante es frágil, por lo que la bacteria lisa (explota).

El peptidoglicano débil se separa de la célula y queda una célula que carece de peptidoglicano, esférica, llamada protoplasto, que debe mantenerse estabilizado osmóticamente (0.6 M aproximadamente).

Si tratamos una gram - con lisozima, nos queda una estructura llamada esferoplasto, que también debe ser estabilizado osmóticamente.

Protoplasto y esferoplasto tienen importancia en manipulación genética de bacterias y otros organismos con pared celular.

La lisozima es producida por células animales. Las bacterias producen distintas enzimas capaces de degradar su propio peptidoglicano; se llaman autolisinas:

• Glucosidasas: Rompen el enlace glucosídico  (1!4)

• Amidasas: Rompen el enlace peptídico NAM - aminoácido

• Endopeptidasas: Hidrolizan el puente cruzado del peptidoglicano.

Participan en la etapa final de crecimiento bacteriano, que implica la lisis de la bacteria. También son morfogenéticas: intervienen en la morfogénesis; participan en el crecimiento vegetativo de las bacterias; hidrolizan ciertos enlaces en el peptidoglicano donde se incluyen nuevas moléculas que intervienen en la elongación del peptidoglicano

BIOSÍNTESIS DEL PEPTIDOGLICANO

Las autolisinas hidrolizan enlaces puntuales. En los huecos que quedan se incluyen peptidoglicanos que elongan la pared. En la biosíntesis del peptidoglicano intervienen dos moléculas: UDP y bacterioprenol que es un alcohol isoprenoide de 55 carbonos.

Etapas en la biosíntesis en gram - (es similar en gram +):

Citoplasma:

• Formación de UDP y unión de NAM ! UDP-NAM

• Unión de aminoácidos: L-Ala D-Glu

UDP-NAM UDP-NAM

mDAP D-Ala D-Ala L-Ala

D-Glu

mDAP

D-Ala

D-Ala

Membrana plasmática:

En la cara interna hay bacoprenol fosfato, que es un transportador.

NAM - P - P - Bactoprenol NAG - NAM - P - P Bactoprenol

L-Ala L-Ala

D-Glu UDP-NAG D-Glu

M DAP + UMP m DAP + UDP

D-Ala UDP D-Ala

D-Ala D-Ala

El bactoprenol va a transportar la molécula desde la cara interna de la membrana hasta el punto de crecimiento del peptidoglicano, en la pared celular. Su función es hacer hidrofóbica esta molécula, para que atraviese la membrana. Cuando es transportada, la molécula libera el bactoprenol, generándose bactoprenol pirofosfato, que regresa a la cara interna. Gracias a la energía obtenida en la hidrólisis de un fosfato, adquiere su configuración normal dentro de la membrana plasmática.

NAG - NAM

L-Ala

D-Glu + Bactoprenol - P - P ! Bactoprenol - P + Pi

mDAP

D-Ala

D-Ala

Se forma un puente cruzado entre D-Ala y mDAP. La formación del puente requiere energía, y en el exterior celular no hay ATP. La célula emplea una enzima llamada transpeptidasa específica que hidroliza el enlace de la última D-Ala, y la energía liberada la acopla en la formación del puente cruzado; es una reacción de transpeptidación.

NAG - NAM

L-Ala

D-Glu

mDAP D-Ala

D-Ala ----- mDAP

D-Ala D-Glu

L-Ala

NAM - NAG

D-Ala carboxipeptidasa hidroliza el enlace D-Ala - D-Ala en las moléculas que no forman puente cruzado. Existen antibióticos que actúa a nivel de biosíntesis de pared:

- Penicilinas y cefalosporinas inhiben la transpeptidación.

- La cicloserina es un análogo de la D-Ala e inhibe las reacciones donde actúa la D-Ala.

- Vancomicina inhibe el transporte de la molécula mediado por bactoprenol a este nivel:

Bactoprenol - P - P - Bactoprenol - P + Pi

- Bacitracina inhibe el transporte mediado por bactoprenol, pero a distinto nivel.

FIMBRIAS Y PILI (PELOS)

Son apéndices que presentan distintas bacterias y que no participan en el movimiento. Las fimbrias son muy numerosas y cortas, mientras que los pili son más largos y poco abundantes. Su presencia está determinada genéticamente. Su función es actuar como factor de adherencia (participa en la adherencia de bacterias a sustratos inertes) y en la formación de películas sobre el agua.

Los pili aparecen en bacterias que llevan a cabo la conjugación. Además, actúan como factor de adherencia a distintos tejidos y sirven como receptores de determinados fagos.

Ambos se originan en la membrana plasmática y atraviesan la pared celular. Estructuralmente están formados por la asociación de la misma proteína, la pilina, de 17000 d. En E.coli. La pilina está enrollada helicoidalmente. Esta estructura está determinada genéticamente.

FLAGELO BACTERIANO

Muchas bacterias son móviles gracias a una estructura denominada flagelo. Hay una excepción; las bacterias deslizantes se mueven por un movimiento de flexión, aunque también utilizan flagelo.

Ventaja: La presencia del flagelo permite a la bacteria cambiar de hábitat y colonizar nuevas áreas con más nutrientes.

Inconveniente: El movimiento requiere energía.

El flagelo bacteriano es un apéndice largo, delgado y helicoidal (no es recto). Su diámetro es de 14-20 nm. Es observable a microscopio electrónico, aunque a óptico podemos verlos utilizando una tinción específica; fuschina + ácido tánico. Estructuralmente no tiene nada que ver con el de los eucariotas (9+2).

DISPOSICIÓN FLAGELAR

Polar: Uno o varios flagelos aparecen en uno o dos polos de la bacteria. Distinguimos dos tipos:

• Monotrica:

• Lofotrica:

Peritrica: Se distribuyen alrededor de la superficie celular.

ESTRUCTURA

GRAM -

Está formado por 3 partes:

• Cuerpo basal: Región que ancla al flagelo en la superficie celular. Es distinto en gram + y gram -. En gram - está formado por un eje central y un sistema de 4 anillos: S, M, P y L.

Los anillos S y M están a nivel de la membrana plasmática de la célula. El anillo P se localiza a nivel de la capa de peptidoglicano, y el L a nivel de la membrana externa. A ambos lados de los anillos S y M aparecen dos proteínas de transmembrana llamadas proteínas mot, responsables de la movilidad del flagelo, que es por rotación. Proporcionan la rotación al flagelo.

Bajo lo anillo S y M hay otra proteína llamada proteína fli, cuya función es cambiar el sentido de la rotación.

• Gancho: Es una estructura ancha y ligeramente curvada que conecta el cuerpo basal con el filamento del flagelo.

• Filamento: Es muy largo, y está formado por la asociación de una proteína llamada flagelina, que se asocia helicoidalmente. Su estructura es muy similar en todas las bacterias (40.000 d. en E. Coli)

GRAM +

Aparecen las 3 partes diferenciadas. El cuerpo basal es más simple. Está formado por 2 anillos, el S y el M, a nivel de la membrana plasmática. A continuación está el gancho y el filamento, igual que en gram -.

CRECIMIENTO Y MOVIMIENTO DEL FLAGELO

La flagelina se sintetiza en el citoplasma. Penetra a través del eje central del flagelo y se deposita en el extremo más distal del filamento.

La energía para el movimiento flagelar la obtiene del gradiente de H+ que hay en la membrana plasmática, que son translocados al interior celular por las proteínas mot.

Se ha calculado que cada rotación flagelar implica el gasto de 1000 H+. El movimiento del flagelo proporciona velocidades de 0.00017 km/h. Esta velocidad es la más elevada de todos los seres vivos, ya que supone 60 longitudes celulares por segundo. El guepardo se mueve a 110 km/h; 25 longitudes/segundo.

TAXIAS O TACTISMOS

Las bacterias que poseen flagelos son capaces de moverse y responder a distintos gradientes o estímulos. Estos movimientos de respuesta a estímulos se llaman taxias o tactismos. Hay 2 tipos:

• Quimiotactismos: Son movimientos del flagelo en respuesta a estímulos químicos. Hay compuestos atrayentes para bacterias (glucosa, galactosa...nutrientes) y repelentes (antibióticos).

• Fototactismos: Requieren la intervención de otras proteínas y receptores de la célula. Son movimientos de respuesta a estímulos luminosos. Se dan en bacterias fotosintéticas móviles. Se ponen de manifiesto en el siguiente experimento: En un porta se ponen estas bacterias y se incide con un rayo de luz. Las bacterias se mueven hasta que encuentran el rayo, y allí se detienen. Si descomponemos la luz, se disponen al nivel donde tienen un nivel máximo de absorción.