endosporas bacterianas -...

Endosporas bacterianas

•Las endosporas son formas de reposo,

con el metabolismo prácticamente detenido (criptobiósis).

•Debido a su diseño, resisten

condiciones físicas y químicas muy

agresivas (radiaciones UV, calor, sequedad, disolventes, etc.).

•Son producidas por ciertas bacterias

Gram positivas: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina.

http://pro.corbis.com/search/Enlargement.aspx?CID=isg&mediauid=%7B1D5366E0-CE9E-4B38-982D-F452D1E583C0%7D

•Se producen cuando la bacteria detecta

bajos niveles de nutrientes (C, N, P).

•La espora se forma dentro de la célula vegetativa (endospora).

•Al final de la esporulación, la célula

madre se autolisa, y la espora queda libre.

•La endospora resiste periodos largos en

ausencia de nutrientes y estrés

ambientales.

• Cuando las condiciones son apropiadas, la espora germina y se surge una célula vegetativa.

Endosporas bacterianas

Esporogénesis

La esporogénesis es un proceso de diferenciación que apareció evolutivamente en bacterias para lograr supervivencia en

ausencia de nutrientes.

http://ilovebacteria.com/spore.htm

•Su diámetro relativo al de la célula madre

~Deformantes

~No deformantes

•Localización

~Subterminales

~Centrales

~Terminales

Criterios taxonómicos

Protoplasto o núcleo

Pared

Corteza

Partes de la endospora

Cubiertas

Protoplasto

(núcleo de la endospora)

Sus componentes están inmovilizados en una matriz de quelatos

de ácido dipicolínico (DPA) con iones Ca2+ (dipicolinato de calcio, DPC), que llega a representar el 15% del peso.

DPA

DPC

Protoplasto

(núcleo de la endospora)

•Citoplasma muy deshidratado (10 - 30%)

•Contiene el cromosoma, pocos ribosomas,

ARNt, ARN polimerasa, mono y di nucleótidos

pero no tri nucleótidos (no ATP).

•Carece de componentes inestables:

~No ARNm

~No enzimas biosintéticas ~No aminoácidos ni bases nitrogenadas

~No cofactores reducidos (NADH, CoA, etc.)

Espora de Bacillus cereus http://www.shef.ac.uk/mbb/staff/moir-a

Protoplasto

(núcleo de la endospora)

•Gran cantidad de pequeñas

proteínas especiales, las pequeñas,

ácidas, solubles (SASP) que

mantienen le pH más bajo que en

la célula vegetativa.

~Durante la germinación se

usarán como fuente de amino ácidos.

~Acomplejan el ADN: protegen

de las radiaciones UV.

•Fuente de energía: 3-fosfoglicerato→PEP

Membrana interna de la espora.Rodea al protoplasto, membrana citoplásmica que carece de

fluidez (estructura policristalina).

http://sitemaker.umich.edu/hanna_lab/home. A Bacillus anthracis endospore (False colored

transmission electron micrograph, 92,000X, as shown on the cover of the Jan. 1, 2004 issue of the Journal of Bacteriology)

Pared

Pared de la endospora

•A base de un Peptidoglucano similar al de la célula vegetativa.

•Estructura muy delgada.

•Constituye lo que será la pared de la futura célula vegetativa.

•Origen: se sintetiza a partir de la preespora

Corteza o córtex

•Al microscopio electrónico: gruesa, transparente a electrones,

láminas concéntricas, formado de un Peptidoglucano especial: ~30% del NAM con tetrapéptidos, pero con bajo grado de

entrecruzamiento

~15% del NAM tiene solo L-ala

~55% lactama del ácido murámico

Córtex

Corteza o córtex

• Origen: a partir de la célula

madre.

• Tiene un bajo grado de

entrecruzamiento:

~ Estructura más laxa, floja y

flexible que el PG normal es

capaz de expandirse o

contraerse.~ Rápida autolísis durante la

germinación.

• La lactama del murámico presenta gran resistencia a la

lisozima.

Cubiertas

Bacterial endospores. Panel A shows endospores from B. subtilis

one of which is still retained within the rod shaped 'mother cell'. In

B. subtilis, spores are approximately 1.2 μm in length and are

ellipsoidal. Released spores have a clear protective shell known

as the spore coat and is comprised of as many as 25 different

protomeric components assembled into discrete layers. Panel B

shows a typical SDS-PAGE (12.5%) fractionation of solubilised

spore coat proteins revealing predominant species. Ricca and

Cutting Journal of Nanobiotechnology 2003

1:6 doi:10.1186/1477-3155-1-6

Aspecto muy voluminoso, distinto

según especies.

Partes densas a los electrones.

Formada de una o más

proteínas de tipo

queratina, ricas en cisteína y amino ácidos

hidrófobos.

Estructura insoluble e impermeable que

impide la entrada de

numerosos agentes

químicos agresivos,

incluyendo tóxicos.

• Estructura membranosa

transparente, a modo de

saco delgado y flojo a base de proteínas,

polisacáridos complejos y

lípidos

• Muy resistente a enzimas

proteolíticas

Exosporio

Esporulación

•Estímulo desencadenante de la

esporulación: estado de inanición (carencia de nutrientes)

•Dura 7-8 horas en Bacillus subtilis o en

B. megaterium.

•Las fases se nombran con un número romano (I, II,....VII). Se suele indicar los

límites de tiempo en los que

transcurre la fase (ej: t2-t3 significa

que la fase transcurre entre la 2ª y la 3ª hora)

Fase I (t0-t1)

•Los dos cromosomas se condensan

formando un filamento.

•Se inician dos tabiques, cada uno cerca de un polo (espículas de PC

hacia el interior).

•Se degradan proteínas viejas y los

aminoácios se emplean en fabricar

proteínas específicas de la

esporulación.

•Se sintetizan y liberan al medio:

antibióticos y exoenzimas

(proteasas, amilasas, ribonucleasas,

etc.).

http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/09esporas.htm

Fase II (t1-t2)

•Se termina el septo acéntrico en uno de los

polos (el otro septo no se completa, aborta).

•Cada nucleoide queda en un:

~Compartimiento pequeño, la prespora.

~Compartimiento grande la célula

madre.

•Sigue síntesis de antibióticos y exoenzimas

(proteasas, amilasas, ribonucleasas, etc.).

Fase III (t2-t3)

•Formación del protoplasto de la

espora debido a:

~Degradación selectiva del PG del septo

~La membrana citoplásmica

de la célula madre va

avanzando hacia el polo, envolviendo a la prespora

•Resultado: prespora posee dos

membranas, con polaridad

opuesta.

•La síntesis de proteínas sigue en la

célula madre, pero se detiene en

la prespora.

Fase IV (t3-t4)

•Formación de la corteza:

deposición de PG de la célula

madre entre las dos membranas

de la prespora. Deposición del

PG de la pared, procedente de

la prespora.

•La espora puede verse ya

refráctil en fresco.

•Comienza síntesis de DPA y

acumulación de Ca2+.

•Comienza la síntesis del

exosporio.

Fase V (t4-t5.5)

•Deposición de materiales de las

cubiertas por fuera de la membrana

externa de la espora.

•Continúa la acumulación de DPA,

que secuestra iones Ca2+ para formar

el DPC en el protoplasto.

Fase VI (t5.5-t7)

•Maduración de prespora a endospora.

•Maduración de la corteza (PG especial, más laxo, con pocos

entrecruzamientos).

•Maduración de las

cubiertas.

•Citoplasma se hace

más homogéneo y

denso a los

electrones.

•Resistencia al calor

y al cloroformo.

•Resistencia a las

radiaciones UV.

•Resistencia a la

lisozima.

Fase VII (t7-t8)

•Autolisis de la célula madre y liberación de la espora.

•El exosporio pierde agua y se pega a las cubiertas.

• Hipometabolia. La más baja tasa metabólica.

• Dormancia. Gran inercia a los sustratos exógenos, la espora sólo perderá la dormancia cuando se haya activado para la

germinación.

• Resistencia al calor. Es un subproducto de los cambios que

llevan a la deshidratación como medio de lograr la

hipometabolia y la dormancia. Algunas resisten 120ºC durante

15 minutos lo que condiciona los parámetros para esterilizar

materiales.

Propiedades biológicas de las

endosporas

• Deshidratación. Refrigencia al microscopio óptico. Mecanismo:

~ El DPA va entrando al protoplasto de la espora

~ El Ca2+ entra a la espora se forman quelatos de DPC.

~ La corteza se queda sin cationes, las cargas negativas del PG cortical se repelen, la corteza se expande, se topa con las cubiertas y hay extracción de agua del protoplasto.

~ El protoplasto queda muy deshidratado, con componentes inmovilizados.

Propiedades biológicas de las

endosporas

Scanning Electron Micrograph of the Endospores of Bacillus anthracis

• Resistencia a los rayos UV:

~ Absorción de UV por cubiertas.

~ Presencia del DPC.

~ Las proteínas SASPs forman complejos con el ADN.

~ Por la deshidratación del protoplasto no se generan dímeros de pirimidina.

~ Por la presencia de las SASPs se genera fotoproducto de la espora, que será reparado durante la germinación.

Propiedades biológicas de las

endosporas

•Resistencia a los agentes químicos.

Debida principalmente a la gran impermeabilidad de las cubiertas

(grosor, composición a base de proteínas ricas en aminoácidos

hidrófobos y con abundantes puentes disulfuro.

¿?

Fases:

• Preactivación

• Activación

• Germinación

• Crecimiento ulterior (entrada en fase vegetativa)

Germinación

de la

endospora

Preactivación

•Las cubiertas deben

erosionarse, de modo natural

por envejecimiento

progresivo y de modo

artificial se puede lograr:

~100ºC durante unos minutos

~Radiaciones ionizantes

~pH bajo~Tratamiento con sustancias

que posean grupos –SH libres

como MercaptoetanolElectron micrograph of Bacillus anthracis endospores (a) Viable and

(b) following lethal plasma exposure.

Activación

•Etapa aún reversible.

•Metabolismo aún latente.

•Desencadenada por un agente

germinante (iones inorgánicos [Mg2+,

Mn2+], L-ala, glucosa u otros azúcares,

adenina u otras bases nitrogenadas).

~El germinante es detectado por un receptor alostérico en la MI

de la espora.

~El receptor activado adquiere capacidad proteolítica.

~Rompe la proenzima unida covalentemente al PG de la corteza.~La enzima reconoce al anillo del NAM e hidroliza el PG de la

corteza.

•Empieza a entrar agua al protoplasto espora pierde la

refringencia y comienza a perder resistencia al calor.

Germinación•El proceso se hace ya irreversible,

se rompe la dormancia, hay

metabolismo, pero es endógeno:

~ Se pierde DPA y se supone la

pérdida de Ca2+.~ Ca2+ pasa a corteza y neutraliza

cargas negativas del PG hay

rehidratación e hinchamiento

del protoplasto y más

contracción de la corteza.

~ El 3-fosfoglicerato → 2-fosfoglicerato → PEP → ATP

~ SASPs se hidrolizan por una

proteasa activa y losaminoácidos se reutilizan en

fabricar nuevas proteínas.

~ Comienza la transcripción de

genes vegetativos.

Terminación

•El metabolismo ya se hace exógeno.

•Se sintetiza ADN.

•Protoplasto crece.

•La pared de la espora sirve como germen para la pared de la célula vegetativa La célula vegetativa “sale” rompiendo las

cubiertas.

Cuerpos parasporales

•Producidos en algunas especies: Bacillus thuringiensis

y B. popiliae.

•Cristales proteicos octaédricos

(bipiramidales) formados en el esporangio durante la

esporulación.

•Agregación regular de

subunidades de una glucoproteína de 120 kD en

fase IV (proteínas Cry).

•Son insecticidas ecológicos,

específicos frente a larvas de:

coleópteros y dípteros.

Toxinas Cry

Toxinas Cry

•Actúa como insecticida.

•Oruga ingiere materia vegetal con bacterias esporuladas que producen Cry.

•La proteína Cry se disuelve en el tracto digestivo. El pH alcalino provoca la proteolísis que activa a la toxina.

•La toxina altera la permeabilidad del epitelio intestinal, pasa a la hemolinfa lo que provoca la parálisis y muerte de la larva.

Bacillus anthacis

•Bacilo Gram positivo.

•Esporulado.

•Causa el carbunco o ántrax en

animales herbívoros.

•Es de origen geofílico.

http://srs.dl.ac.uk/Annual_Reports/AnRep01_02/anthrax.htm

Clostridium tetani

•Causante de tétanos

•Toxina (Tetanospamina)

•Afinidad por sistema nervioso (neurotoxina)

•Bloquea neurotransmisores

•Provoca espasmo muscular

Clostridium botulinum•Botulismo

• Intoxicación alimentaria

•Alimentos enlatados pH ácidos (vegetales)

•Toxina resistente al calor

•Parálisis flacida

• Inhibe a la acetilcolina

Clostridium perfringens

• Intoxicación alimentaria (Diarrea, enterotoxina)

•Gangrena gaseosa (hemolisinas, proteasas, lipasas, colagenasas, hialuronidasas, etc.)

Geobacillus stearothermophilus

•Bioindicadores de

esterilización en autocalve

PositivoNegativo

Esporas bacterianas

Esporas fúngicas

Reproducción Sexual en hongos filamentosos y

levaduriformes

Zigosporas

Ascosporas Basidiosporas

Quistes o Cistos bacterianos

Se producen en algunas especies por engrosamiento de la pared

celular de la célula vegetativa, por deposición de nuevos

materiales sobre la membrana citoplásmica (alginatos), al mismo

tiempo que se acumulan materiales de reserva en el citoplasma (PHA). Poseen metabolismo endógeno y resisten el calor, la

desecación y los agentes químicos más que la célula vegetativa

(pero menos que las endosporas

Quistes de Azotobacter

Mixobacterias•Microquistes de Mixobacterias,

llamados mixosporas.

•Sus envolturas constan de una

corteza, rodeada de cubiertas

(interna y externa).

•Estas cubiertas se componen de

una glucoproteína muy rica en

polisacáridos.

http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/microbiology/myxobacteria.jpg

Mixobacterias

Nature Reviews Microbiology 1, 45-54 (October 2003)

Quistes de Eucariotes

Entamoeba histolytica