Tema 8. El protoplasto bacteriano.

Está formado por la m.p y el citoplasma.

Membrana plasmática.

Es común en eucariotas y procariotas. Existe en todas las células vivas, es necesaria. Cuando se rompe, la integridad de la célula se destruye y se produce la muerte.

Desde el punto de vista funcional, la m. es el principal punto de contacto entre célula y ambiente. Es la que pone límite a la célula. Actúa como una barrera selectiva para la entrada y salida de compuestos. En bacterias, esta m. supone entre el 20-30% del peso seco y está colocada dentro de la pared celular y separada de ella por el espacio periplástico.

Una característica es que presenta una gran cantidad de proteínas que permiten que sea un centro metabólico importante. La estructura de la m.sería de bicapa lipídica (constituida por fosfolípidos formados por glicerol y ác.grasos) con las partes hidrofóbicas hacia el interior e hidrofílicas hacia el exterior.

Existen distintos tipos de proteínas, algunas de las cuales van de un lado a otro de la m. y otras que están en una sola cara. Es una m. de mosaico fluido. Esta fluidez permite todas las funciones.

Los fosfolípidos pueden presentarse de muy distintas formas químicas en función del tipo de ác.grasos que presente (saturados o insaturados) y tb la composición puede variar en los compuestos fosforilados que presenta.

El porcentaje de saturación puede variar dentro de una misma célula en función de las condiciones ambientales. Dependiendo de la Tª pueden licuarse o formar un sólido.

En Gram - existe un lípido que está en mayor concentración, que es la fosfatidiletanolamina.

Si comparamos las m.p de eucariotas y procariotas en relación a su contenido en proteínas vemos que hay una mayor concentración en procariotas. Casi el 20% de las proteínas de la célula están en la m.p. Existen dos tipos de proteínas fundamentalmente:

Proteínas transmembrana o integrales. Capaces de atravesar la bicapa lipídica. Tienen un dominio interno y otro externo. Son un 70-80% de las proteínas de m. En la zona en contacto con la bicapa lipídica tienen zonas hidrófobas. Son unas proteínas muy difíciles de retirar. Son insolubles en agua. Pueden , con la zona en contacto con la bicapa, difundir a lo largo de toda la m, pero nunca pueden girar sobre sí mismas. A menudo pueden llevar restos de carbohidratos que están unidos normalmente en la parte externa (los oligosacáridos tienen unas funciones importantes).

Proteínas periféricas de la membrana. Son el 20-30% . Al contrario de las anteriores, la unión de éstas a la m. es débil. Son prácticamente todas solubles en agua y algunas de ellas pueden tener colas , que son zonas lipídicas que le van a permitir unirse a la bicapa lipídica. Las que están en la zona externa normalmente son proteínas relacionadas con la unión y transporte de sustratos. Las que están en la cara interna suelen estar relacionadas con el metabolismo.

La estructura que forman los fosfolípidos y proteínas es una estructura suficiente de m. como para tener unas determinadas funciones.

Clasificación de las proteínas en función de su función:

1. Proteínas específicas de transporte (proteínas carrier). Responsables del transporte de la mayor parte de los nutrientes tanto orgánicos como inorgánicos desde el exterior al interior. Tb son importantes como eliminadoras de deshechos.

2. Enzimas biosintéticos. Encargados de sintetizar los componentes de la pared celular de macromoléculas.

3. Las encargadas de la formación de ATP. Son, en el caso de bacterias, procariotas, todas las que intervienen en procesos de fosforilación oxidativa, transporte de electrones que forman parte del aparato fofosintético y ATP- asas.

4. Proteínas de anclaje del genóforo (su material genético) y de plásmidos. Cuando esta unión ocurre se produce la replicación.

5. Quimiorreceptores. Detectan determinadas sustancias que existen en el medio.

Otros componentes de la m.p.

En eucariotas existen los esteroles que estaban en la m.p y parece que son los encargados de darle consistencia y estabilidad a las m. Pero en procariotas a penas existen. Sólo existen en micoplasmas. En lugar de esteroles existen otras sustancias: hopanoides. Son moléculas formadas por 5 anillos (pentacíclicas) que se sintetizan a partir de precursores similares a los de esteroles. Su función es darle estabilidad a la m.

En la cara interna de la m, a veces, puede aparecer ADN, ARNm y ribosomas asociados. Debido a que una de las funciones de la m.p. es participar en la síntesis de ADN.

Las m. de las Arqueobacterias nunca llevan ác.grasos, en su lugar aparece un alcohol que es el fitanol. Éste se une al glicerol por enlaces éter y pueden aparecer en forma de diéter o tetraéter. En función de que aparezcan tendremos una monocapa o una capa más ancha. Estas monocapas son muy estables frente al calor, p.e siempre aparecen en arqueobacterias termofílicas.

Funciones.

Dentro de éstas, la 1ª y más importante es que retiene el citoplasma y lo separa del medio externo.

La 2ª más importante sería su función como barrera selectiva para la entrada y salida de determinados compuestos. Asociados a estos mecanismos de selectividad van asociados muchos sistemas de transporte.

Otra función: Generación de energía.

Biosíntesis: Aparecen enzimas encargados de la síntesis de lípidos y de constituyentes de la pared celular. A parte de estas proteínas de m. puede haber anclados ribosomas, por lo tanto tb tiene una función el la síntesis de proteínas.

División celular: Parece que vienen dada por el hecho de que si se impide la unión de ADN a la m., esa célula no se va a poder dividir.

Detección de señales ambientales. Pueden tener proteínas quimiorreceptoras.

Transporte a través de la membrana.

Generalemente, las células viven en medios donde la concentración de solutos es distinta a la que tienen en el interior. Casi nunca viven en medios isotónicos. No sólo la concentración sino la composición tb es distinta. La principal barrera para el paso de solutos es la m.

Existen distintos tipos de mecanismos de transporte dependiendo de las sustancias:

- Difusión pasiva: Es el paso de solutos a favor de un gradiente de concentración y, como resultado a esto, las diferencias entre ambos compartimentos van disminuyendo. Es difícil que se produzca una difusión pasiva simple. Suele ocurrir en regiones de m. muy restringidas. La velocidad depende del gradiente de concetración. Cuanto mayor es la diferencia la velocidad será tb mayor. Es un sistema de transporte que no necesita energía. El paso de las moléculas se produce por que van en la dirección termodinámica más favorable. El transporte finaliza en el momento en que las concentraciones son iguales a ambos lados y en este momento llegamos al equilibrio.

• No es un transporte específico.

• Tampoco se puede inhibir ni saturar.

• No participa ningún tipo de proteína transportadora.

• No es un mecanismo muy usado por los microorganismos, sólo se usa para moléculas pequeñas como agua, oxígeno, dióxido de carbono...

Para que exista un transporte , normalmente es necesaria la presencia de proteínas transportadoras, que pueden ser de dos tipos:

- Uniportadoras, que sólo transportan un tipo de moléculas.

- Proteínas de cotransporte: Las sustancias se mueven de un lado a otro de la m. pero siempre conjuntamente con otra sustancia. Se transporta una pero se decesitan dos. Dentro de estas proteínas hay dos grupos:

1. Sintransportadoras: Encargadas del simporte (transporta las dos moléculas en la misma dirección).

2. Antiportadoras: Transportan una molécula en un sentido y la otra en el opuesto.

Las proteínas de transporte serían proteínas integrales de m. y que poseen, por lo tanto, dominios en la parte externa e interna. Normalmente este transporte se produce porque una vez que se liga la molécula, cambia de conformación y liberan la molécula al otro lado. Cuando la libera vuelve a la conformación inicial y está preparada para coger otra.

Difusión facilitada. También es un paso de sustancias a través de la m. a favor de gradiente de concentración pero las sustancias pasan unidas a una proteína transportadora. No existe gasto de energía por que es a favor de gradiente, pero a diferencia de la simple es específica y la velocidad está regulada de forma similar a la de una cinética enzimática. Este transporte cesa cuando se igualan las concentraciones. este sistema se puede inhibir y tb es saturable. Si todas las proteínas transportadoras están ocupadas. Esta difusión es frecuente en eucariotas y más rara en procariotas.

Transporte activo. Es el que se realiza contra gradiente de concentración y tb es mediado por proteínas transportadoras específicas. La velocidad tb es alta. Sigue una cinética enzimática. Al ser contra gradiente consume energía por que va en contra de la dirección termodinémicamente favorable. La energía se suele obtener del potencial de m. aunque a veces tb del ATP. Nunca se alcanza el equilibrio. CAda vez la diferencia es mayor puede haber una diferencia del orden de 10. Es el sistema más frecuente en procariotas, así lo hacen azúcares, iones...

En Gram - es freceunte dado que en esta pared es frecuente una proteína periplasmática que lleva el sustrato hasta en trasportador de m. Es inhibible y saturable. Es muy importante por que las bacterias suelen vivir en medios hipotónicos. Si no tuvieran esta sistema no podrían transportar sustancias.

Translocación de grupo. Es exclusivo de procariotas. El soluto, al atravesar la m. se modifica. Esta modificación no es al azar, suele ser el 1er paso para su metabolismo. Uno de los sistemas más estudiados es el sist. fosfotransferasa. Es una manera de incorporar azúcares en bacterias. La glucosa, cuando atraviesa la m.p sufre una fosforilación y pasa como G6P recibiendo el grupo fosfato del fosfoenolpiruvato que pasa a piruvato . Hay un gasto energético, la energía tb se gasta en el 1er paso del metabolismo. El transporte se puede considerar neutro. En este caso no podemos establecer un gradiente por que no hay la misma sustancia dentro que fuera.

En procariotas es freceunte que una misma bacteria tenga varios sistemas de transporte para el mismo nutriente, lo que supone una ventaja ecológica para adaptarse a las condiciones ambientales.

En lagunos grupos de bacterias existen sist. de m. en conexión con la m.p. Estos repliegues se relacionan con una actividad metabólica concreta. La superficie de m. está relaconada con la actividad metabólica, a mayor actividad más repliegues.

La única estructura con m. unitaria que existe en procariotas son los tilacoides que existen exclusivamente en cianobacterias. Son sacos aplanados que se apilan y se colocan próximos a la m.p pero nunca están en conexión con ella. Allí es donde se sitúan los pigmenteos y enzimas fotosintéticos. No existe ninguna otra estructura de m en procariotas.

El citoplasma.

Está constituido en un 80% de agua. Es un lugar donde hay una composición compleja y donde tienen lugar las reacciones metabólicas. En procariotas no existe citoesqueleto, microtúbulos ni movimientos intracitoplasmáticos. Tp hay ningún tipo de orgánulo de m. unitaria. En el citoplasma de procariotas encontramos ribosomas, un nucleoide e inclusiones. Tb hay vesículas de gas, lisosomas, peroxisomas...

Los ribosomas están siempre presentes, es donde tiene lugar la síntesis de proteínas, su número es variable. Además de los que están libres en el citoplasma pueden aparecer ligados a la cara interna de la m. Los ribosomas libres sintetizan proteínas que quedan en el interior de la célula. Los anclados proteínas que van a ser secretadas al exterior.

Las inclusiones no siempre están presentes pero sí son frecuentes. Son estructuras sólidas que no tienen forma definida y que están constituidas por materiales de reserva de distintos tipos. Normalmente aunque no siempre la presencia de inclusiones es mayor en estados de no crecimiento o crecimiento menos activo. Constituyen una reserva ya sea de energía o de distintos elementos. En casi todos los casos están limitados por una m. que nunca es unitaria. A parte de la ventaja ecológica de tener material de reserva el hecho de que se acumule en los gránulos, permite un almacén osmóticamente inerte. Si las sustancias de reserva aparecen disueltas aumentan la concentración de solutos del citoplasma y, por lo tanto, incrementa la P.O y los enzimas dejan de funcionar.

Tipos de inclusiones.

Orgánicas:

- No nitrogenadas.

1. En forma de polisacáridos (glucanos a(1=>4))

2. PHB.

- Nitrogenadas.

1. Ficobiliproteínas.

2.Cianoficina.

Inorgánicas:

- Gránulos de fosfato.

- Gránulos de azufre.

Las inclusiones no nitrogenadas son reservas de C y energía. Están presentes en pequeñas cantidades o ausentes durante el crecimiento activo y aparecen en mayor cantidad cuando el crecimiento se detiene. Se forman cuando hay una limitación de nutrientes que no sea el C. El exceso de C se mantiene en forma de estas inclusiones. No se pueden formar cuando hay déficit de ATP.

Los polisacáridos de glucosa son moléculas de Glc a (1=>4). Pueden ser glucógeno o almidón. Se ven con una tinción con lugol tanto en eucariotas como procariotas.

El polihidroxibutirato es exclusivo de procariotas. Sólo se da en bacterias. Normalmente una bacteria tienen un tipo específico de inclusiones no nitrogenadas. El PHB es una forma de almacenar C en forma de moléculas largas de ác. hidroxibutírico, dando lugar a PHB. Vienen a ser equivalentes a las grasas neutras de eucariotas que no existen en procariotas. La ventaja es que es osmóticamente inerte. Si se acumulan moléculas de ác. HB disminuye el pH pero, al almacenarse en polímeros no quedan libres los grupos carboxilo, por lo tanto no baja el pH.

Aparecen tb otros hidroxiácidos. Actualmente se suele hablar de gránulos PHA (alcanoatos). El ácido no tiene por que ser el butírico. Además de la ventaja para la bacteria de tener una reserva de energía, los PHA tienen importancia ambiental por que a partir de ellos se obtienen plásticos termoresistentes que son totalmente biodegradables.

En cuanto a las reservas nitrogenadas sólo se encuentran en cianobacterias y pueden usar las ficobiliproteínas. La ficobilicianina es un pigmento fotosintético de estas bacterias y tb sirve como almacén de N. En condiciones de escasez de N la usan de las inclusiones y pasan a ser verdes a partir de ser verdeazuladas. La cianoficina es otra de las formas de almacén de N. Es una inclusión de reserva que no tiene otra función . Se sitúa cerca de la m. y almacena el exceso de N en forma de polímeros: aspartato y arginina. Es típica su aparición en el caso de cianobacterias capaces de usar el N atmosférico como fuente de N. No sólo es una fuente de energía sino que cuando se hidroliza la cianoficina puede generar ATP.

Los gránulos de polifosfato aparecen en eucariotas y procariotas. Se denominan gránulos de volutina o metacromáticos. Se debe a que cuando los teñimos con un colorante azul se ven rojos. Son polímeros lineales de Pi que se acumulan formando gránulos grandes y que no se vio que tengan m. Para su formación se requiere que haya un defecto nutritivo siempre que no sea P. La síntesis de éstos requiere ATP, por lo tanto, para que se produzcan tb tiene que mantenerse la energía de la célula. Como se requiere ATP, tb se sugirió que pudieran ser una fuente de energía. Durante años se mantuvo esta idea pero actualmente se sabe que aunque puede ocurrir a veces no tienen un papel fundamental para la generación de ATP. Sí que pueden ser fuente de energía (en algunas bacterias) por una reacción por la cual pueden cederles los grupos fosfato y fosforilarlas. Evitan usar la energía de la célula.

Los gránulos de azufre sólo aparecen en procariotas. En pocos grupos de bacterias. En la oxidación de sulfuro suele haber un paso intermedio a S y luego a sulfato. Se produce una acumulación de S por que la 1ª reacción es más rápida. Cuando desaparece la fuente de sulfuro usa el S para seguir obteniendo energía. Lo más importante es el papel ecológico. A las bacterias que tienen inclusiones se les permite la supervivencia y, por lo tanto, les supone una ventaja.

Estructuras menos frecuentes y exclusivas de procariotas.

- Vesículas de gas: Aparecen en bacterias inmóviles (sin flagelos) de medios acuáticos tanto dulces como marinos pero en aguas no corrientes. Aparecen en bacterias fotosintéticas, en quimioautótrofas y quimioheterótrofas tb en algunas arqueobacterias. La función se relaciona con la flotabilidad que les permite un movimiento hacia arriba o abajo, lo que les permite buscar el lugar idóneo dentro de la columna de agua. Son estructuras huecas, proteicas, que pueden aparecer en nº variable. Son impermeables a los solutos y permeables a los gases. La presión dentro de estas vesículas está en torno a 1 atm. mientras que la que hace el citoplasma es de 5 atm. Esto explica que la m sea proteica, rígida y dura para aguantar. Estas vesículas, al estar cargadsa de gas consiguen bajar en un porcentaje notable la densidad de la célula, por lo tanto ésta se eleva. Si las vesículas suben, la célula baja. Las vesículas ni se hinchan ni se deshinchan. Hay o no hay. Son sensibles a la P. hidrostática. No se regeneran. En algunos casos pueden suponer un problema de contaminación ya que en ciertas aguas puede haber una presencia masiva de estas bacterias y por lo tanto no permiten el paso de la luz.

La ------------ tiene vesículas de gas de color rojo y se acumulan en viertos momentos en grandes cantidades en el mar rojo.

- Clorosomas: Sólo están en bacterias verdes fotosintéticas. Son estructuras generalmente alargadas que se sitúan bajo la m pero sin tocarla. Están rodeadas de una m no unitaria. En ellos se sitúa el aparato fotosintético de estas bacterias. Es el único caso en que un sistema fotosintético no están en una m. unitaria.

- Carboxisomas (cuerpos poliédricos): Aparecen en algunas bacterias autótrofas y contienen la RUBISCO (ribulosa 1-5 BP carboxilasa).

- "Vacuolas": No tienen nada que ver con las de eucariotas. No están rodeadas por ningún tipo de m. Se forman por la acumulación de líquidos y gases. El limitante es simplemente una concentración perivacuolar. Este tipo de estructuras suele aparecer en células que están próximas a la lisis. Se relacionan con fenómenos degenerativos citoplasmáticos.l

- Magnetosomas: En 1975 se descubrió que había unas bacterias que se orientaban según el campo magnético terrestre. Todas las bacteras que lo hacían tenían en su citoplasma unas estructuras llamadas Magnetosomas y a las bacterias magnetotácticas. Se mueven horizontalmente a las líneas de campo magnético. No hay un verdadero tactismo. Tienen como características comunes que todas son flageladas, acuáticas y se suelen encontrar en hábitat próximos a la interfase aerobia- anaerobia. Cuando se mueven se orientan en el campo magnético, siguen las líneas del campo pero no es un movimiento de arrastre. Esta orientación se debe a la presencia de los magnetosomas, que pueden tener distintas formas. Cada especie los tiene de forma característica. El número de magnetosomas es variable, pero generalmente está entre 5 y 40. Es muy curiosa la orientación. Forman una línea siguiendo el eje mayor de la célula. Cada magnetosoma está rodeado de una m. no unitaria y está formado por magnetita (Fe3O7) o greigita (Fe3S4). El tamaño viene determinado por la m. Miden unos 50 nm de largo y ésto no parece ser al azar ya que si un mineral tuviera un tamaño inferior al de 50 nm no podría presentar magnetismo y si fuera mayor tendría varios dominios magnéticos. La colocación no es al azar. Forman las líneas y una situación en paralelo, de esta forma hacen que el campo magnético se sume. Otra posición haría que se restase. Así tienen un campo magnético de intensidad suficiente para orientarse de esa forma. La presencia de los magnetosomas es debida a la presencia de Fe. Todo esto les sirve por qeu se sitún normalmente entre la capa aerobia y la anaerobia. La línea vertical del campo magnético lo que les permite es subir y bajar de forma que tengan una posición favorable.

- Nucleoide: El material genético está constituído por una molécula de ADN bicatenario circular que no está separado por ninguna m. Esta molécula aparece plegada y situada en la zona central de la célula y se llama nucleoide o genóforo. Este ADN se presenta dentro de la cél. de una forma superenrollada por un problema de espacio. La molécula de ADN de E.coli mide 1mm y la E.coli mide 2 micras. El enrollamiento se produce hacia la izquierda e interviene una enzima: topoisomerasa II. En el momento de dividirse tiene que desenrollarse. Existe otro enzima, la tropoisimerasa I, que relaja el ADN en determinados puntos y permite la replicación. En algunas bacterias se ha encontrado una enzima: girasa inversa que produce superenrollamiento hacia la derecha. Sólo se ha encontrado en hipertermófilos. Se considera que es un mecanismo de protección del ADN frente a las elevadas Tª.

La replicación se inicia en un punto específico que se conoce como origen de replicación. En ese origen lo que ocurre es que se abren las dos meléculas de ADN y comienza la replicación en ambos sentidos. Se forman las horquillas de replicación. Lo que se forma se denomina estructura en q. Finalmente en algunos casos es frecuente encontrar plásmidos, que son moléculas de ADN bicatenario, circular mucho más pequeño. Son independientes del nucleoide. Son frecuentes en bacterias pero no son exclusivas. Pueden estar libres en el citolasma o integradas en el nucleoide.