Integrantes:Mónica Martínez MontielAntonio Salazar García José Pablo Velázquez Valtierra

-Aspectos generales e Historia de las baterías anammox

-Biología celular de las bacterias anammox

Organelo-Compartimento cerrado rodeado por membranas y con una función celular específica.

-Se pensaba y se limitaba exclusivamente a los eucariotas.

Algunas bacterias tienen complicadas estructuras internas.(Membranas intracitoplasmáticas)

Ejemplos de sistemas de membranas intracitoplasmáticas:

• Fotosistemas de bacterias fototróficas: • Enzimas de bacterias nitrificantes

(nitrosoma):• Enzimas metano monooxigenasas de

bacterias metanotróficas:

-Enzimas del metabolismo de la célula

Micrografía de Bacteria purpura Rodospirillum rubrum

En Beggiatoaceae y Thiomargarita, las células cuentan con una extensa vacuola rodeada de membrana.

Sobre la membrana vacuolar se encuentra una cadena de transporte de electrones acoplada a una ATP sintasa.

Magnetosomas-Vesículas de membranas que proporcionan condiciones óptimas para la formación de cristales.

Ambas vesículas de membrana cerrada tienen una composición y función específica

Beggiatoaceae

2012, Martin Beutler at et all, Environmental Microbiology, Vacuolar respiration of nitrate coupled to energy conservation in filamentous Beggiatoaceae

Gemmata

Contienen una estructura fina condensada delimitada por una doble membrana.

Compartimiento llamado “cuerpo nuclear”, podría ser análogo al núcleo eucariota.

Gemmata obscuriglobus

Otro microorganismo con una organización celular interna compleja son:

PlanctomicetosTienen compartimentos celulares delimitados por membrana

Bacterias Anammox

Candidatus Kuenenia stuttgartiensis

Convierten el amonio y el nitrito en nitrógeno, bajo condiciones anaerobias -Previsto mediante

cálculos termodinámicos que era posible que ciertos microorganismos llevaran a cabo esta reacción.

-Se encontraron las primeras evidencias.

Bacterias responsables An amm ox

anaerobic

ammonium

axidation

Planctomicetos

Tienen compartimentos celulares delimitados por membrana

-Se creía imposible por falta de evidencia.-Ciclo del nitrógeno incompleto

1977 1990 1995

-Se completo el ciclo del nitrógeno.

No ha sido posible crecer bacterias en cultivos puros

-Anammoxoglobus-Brocardia-Jettenia-Kuenia-Scalindua

Se identificaron pertenecientes al Phylum de Planctomycetes

Anammoxoglobus

Jettenia

Scalindua

16S rRNA

2011, John A. Fuerst and Evgeny Sagulenko, NATURE REVIEWS | MICROBIOLOGY, Beyond the bacterium: Planctomycetes challenge our concepts of microbial structure and function.

Los métodos de detección podría identificar bacterias anammox en ambientes naturales

Se encontraron bacterias anammox:

-Plantas de tratamiento de aguas residuales.

-Ambientes marinos (zonas oceánicas de mínimo oxígeno).

-Presentes en el suelo.

Pertenecen al género Scalindua

-Principales contribuyentes del ciclo del nitrógeno.

-Se ha estimado que el 50% de las moléculas de nitrógeno en la atmósfera se han generado por estos organismos.

Aplicaciones: a nivel industrial para la eliminación de nitrógeno en el agua en plantas de tratamiento de agua residual

Características de las bacterias anammox

Morfología:-Cocoides-Diámetro 800-1100nm

- -2 a 43ºC- PH 6.7-8.3

-Crecimiento lento:Se dividen solo una vez por semana en condiciones óptimas.

Tienen compartimentos celulares delimitados por membrana

Candidatus Kuenenia stuttgartiensis

dividen por fisión binaria constrictiva

-Biología celular de las bacterias anammox

Pared Celular, División Celular y Apéndices Celulares

Organización de bacterias de acuerdo a su pared celular.

Gram -

Gram +

Membrana citoplasmática

Capa gruesa de Peptidoglicano (30-100nm)

Capa delgada de peptidoglicano (12nm)

Placntomicetos

Carecen de peptidoglicano

• Microscopía• Colapso

osmótico

Indican la ausencia de peptidoglicano (integridad a la célula)

• Bioinformáticamente -En el genoma de KeuneniaK.stuttgartiensis, la ruta parcial para biosíntesis de peptidoglicano (19 de 21) y proteínas de membrana (porinas).

Membrana externa

-Oxidación anaerobia de amonio en Nitrógeno (N2), usando nitrito como un aceptor de electrones.

-Hidracina como un intermediario (compuesto tóxico)

-Presencia de enzimas (que convierten la hidracina Nitrógeno (N2) por hidracina oxidorreductasa.

• Paryphoplasma

• Riboplasma -DNA y Ribosomas

• Anammoxosoma -Libre de DNA y ribosomas

-Rodeado de una Bicapa lipídica

-Producción de energía (homólogo en función a las mitocondrias en eucariotas)

fosfolípidos únicos los ‘ladderanos’.

• Protección celularDelimitando la membrana para evitar que se escapen los subproductos formados en el anammoxosoma (tóxicos).

Bacterias anammox tienen 3 membranas, dando lugar a 3 compartimentos celulares independientes.

• Contribuyen a la densidad de esta membrana

División celular

-Bioinformáticamente Análisis de secuencias

Kustd1438 sitio de unión ATP / GTP

La actividad GTPasa polimerización de monómeros kustd1438 estructura de anilloanáloga con FtsZ que también se ensambla en un anillo impulsado por la hidrólisis de GTP

-En la gran mayoría de las especies bacterianas, en algunas Archaea y mitocondrias, los centros de división de la célula, son llevados a cabo por la proteína FtsZ que forma el anillo de la división celular En bacterias anammox, el anillo de la división

celular no se basa en FtsZ.-asociado a proteína kustd1438inmuno localización

-El anillo de división celular es claramente visible en el paryphoplasm

2009, Laura van Niftrik at et all, Molecular Microbiology, Cell division ring, a new cell division protein and vertical inheritance of a bacterial organelle in anammox Planctomycetes.

Riboplasma

Por lo tanto el reto es clasificar las proteínas de los diferentes compartimentos y las membranas de la célula.Riboplasma = Citoplasma (bacterias)

Vías de transporte de proteínas sobre la membrana citoplasmática

Tat (Twin arginine translocation)

Membrana anammoxosoma

anammoxoma

Sec

Membrana anammoxoma

Anammoxoma

Membrana introciroplasmatica

Perifoplasma

GenomaKuenenia stuttgartiensis

Tat Sec

Sec

Representación esquemática de un péptido señal

• Ni el amino ni el carboxilo terminal de las proteínas juega un papel en la designación de la proteína a una ubicación intracelular

• Chaperones estas dirigirían específicamente a las proteínas hacia su destino correcto

• Estos chaperones pueden reconocer otras propiedades de las proteínas

• ADN- Riboplasma

• Nucleoide fibrilar

• Micrografía- se ve en las proximidades de la membrana anammoxoma

Glucógeno

gránulos de almacenamiento

Falta de ciertos nutrientes en el medio (especialmente nitrógeno)

Micrografía electrónica de transmisión

Exceso de carbono

Estructura molecular del glucógeno

Fuente de carbono y energía

Momentos de tensión

Biofilm

Enzimas codificadas por los genes glgABC

Genoma de K. stuttgartiensis

Vía de la gluconeogénesisEstá codificado en el genoma

2

Vía Oriental Vía Occidental

Monóxido de carbono deshidrogenasa

Reducción de dióxido de carbono

Formiato

Formiato deshidrogenasa

Monóxido de carbono

Reducción del dióxido de carbono

K. stuttgartiensis

AcetilCoA Wood-Ljungdal

Candidatus Brocadia fulgida Candidatus Anammoxoglobus propionicus

Estructura adicional se ha observado en la riboplasma

Esférica o tubulares con una tamaño medio de 55 nm

Polihidroxialcanoatos o almacenamiento de polifosfato

Anammoxosoma

• Compartimiento que se encuentra en el centro y es el más grande( volumen celular total 51-66% )

• Presente en todos los miembros del orden Brocadiales conocidos hasta la fecha(bacterias capaces de oxidar anaeróbicamente amonio)

• Una estructura comparable no se ha observado en cualquier otro organismo procariota• Compartimiento independiente

• No se forma por invaginación de la membrana

• Fisión binaria

• Se alarga junto con el resto de la célula

• Divide por la constricción de las dos células hijas por el anillo de la división celular

Definir características:Membrana curva , Estructuras tipo túbulo y Partículas de hierro

Membrana anammoxosome

Curvada

Invaginaciones profundas en el anammoxoma

✔

Aumenta la superficie disponible para la membrana asociada reacciones enzimáticas con el fin de mejorar la tasa metabólica del organismo

El mecanismo responsable de la curvatura de la membrana anammoxosome

Condición hipotónica

H2O

equilibrio osmótico

Flexión por las proteínas integrales de membrana

Grupos formados por varias proteínas diferentes pueden tener un efecto significativo sobre la curvatura de la membrana

Dímeros mitocondriales F1F0 ATPasa inducen curvaturas en las membranas debido a las diferencias de tamaño de las subunidades de la proteína en el interior y el exterior de la membrana

Dímeros(inmuno)

propiedad de ATPasas

curvatura de esta membrana

ATPasas de diferentes especies

En qué grado ATPasas

Grupos de cabeza de lípidos

Cadenas de acilo

Influir en su curvatura

Citoesqueleto u otras proteínas estructurales

Andamio por el que la membrana es forzado

micrografías electrónicas

Presencia de estructuras que se asemeja túbulos

Las estructuras tubulares presentes

en el anammoxosome

Tres unidades idénticas que forman:• Una estructura hexagonal en

secciones transversales• Ancho de 9.4 nm

Formar grupos paralelosEstirar sobre toda la longitud del anammoxosoma

Función

Citoesqueleto

Mantenimiento de la curvatura de la membrana anammoxosoma

Asistencia en la división de todo el orgánelo

Las estructuras también pueden consistir en otras proteína abundantes, ordenadas, que participan en los procesos metabólicos de la célula.

Estructuras tubulares, se encuentran generalmente en el interior de la anammoxosoma son partículas densas con un diámetro de 16-25 nm

Partículas de almacenamiento de hierro.

Bacterias requieren hierro para la síntesis de la multitud de enzimas

Reservas de hierro Especies anammox utilizar el hierro

Aceptor de electrones alternativo

Fuente de energía

Ricas en hierro ---- bacterioferritinas• K. stuttgartiensis contiene dos posibles

genes candidatos con 32-48% de identidad de secuencia a la proteína bacterioferritina

organismos aeróbicos

Proteínas contienen:

Almacenamiento para el hierro

Bacterioferritinas

Bacterias anaeróbicas

Sistema de defensa contra el estrés de oxígeno

especies reactivas de oxígeno

Queda por investigar si las partículas ricas de hierro dentro de la anammoxosoma son bacterioferritinas o no, y si es así, si tienen una función de desintoxicación de oxígeno.

Membranas Especializadas

MembranasLípidos

inusualesÚnicos para bacterias

anammox

Estructura ladderano simple

Lípido

5 ciclobutanos 3 ciclobutanos

Sistemas de anillos

Ciclohexano

Grupos polares se unen través de un esqueleto de glicerol Extremadamente rara

Fosfoglicerol

Cabeza polares de los lípidos ladderano

Fosfocolina Fosfoetanolamina

Composición lipídica de cuatro géneros de bacterias anammox

La estructura de las colas de ácidos grasos ladderano era esencialmente igual en estos géneros

A. propionicus, que poseía dos ácidos grasos ladderano novedosos.

Síntesis de los ácidos grasos ladderano.

Estructura ladderano simple

ácidos grasos poliinsaturados

vía policiclisacion o SAM

K. stuttgartiensis

Sintetizar ladderanos a través de una novedosa via

Bacterias anammox

vía desconocido codificado en un grupo de genes de la biosíntesis de

lípidos

Bacterias anammox Hopanoides Presente en todas las membranas de la célula

Corroborada por los datos genómicos de K. stuttgartiensis

Escualeno ciclasa enzima clave

Biosíntesis de hopanoide

Equilibrio entre la rigidez y la fluidez de las membranas

Esto podría ser necesario por lípidos ladderane

El modelo molecular Estructura de las colas de hidrocarburos restringe la libertad de rotación de los lípidos

Que confiere una membrana con una densidad mayor que las biomembranas convencionales

Evidencia experimental

Usando mezclas de lípidos ladderano

aislados

Impermeabilidad a fluoróforos

Compuestos polares pequeñas

Pasan fácilmente biomembranas convencionales

✕

La función de la Anammoxosome

Anammoxosoma alberga el metabolismo energético Análogo a las mitocondrias

Las reacciones catabólicas que conducen a la producción de gas de dinitrógeno de amonio y nitrito tienen lugar dentro del anammoxosoma

La presencia de una cadena de transporte de electrones en la membrana anammoxosoma se cree que conducen a la creación de una fuerza motriz de protones a través de esta membrana, que puede ser utilizado para la generación de ATP por ATPasa

La presencia de lípidos ladderano en la membrana ✔

La tasa de difusión pasiva de protones a través de una biomembrana es relativamente constante.

• Se ha calculado que la translocación de protones seria incapaz de mantenerse al día con la disipación de la fuerza motriz de protones por difusión a través de una membrana convencional, por lo que la restricción de la difusión es de suma importancia para la viabilidad de las bacterias

Densidad permeabilidad de la membrana se piensa que es una adaptación

tasa de crecimiento = un metabolismo muy lento que a su vez conduce a una tasa de bombeo de protones sobre la membrana anammoxosoma.

Difusión de productos intermedios volátiles del metabolismo anammox

Hidracina Oxido nítrico

compuesto altamente reactivo y mutagénico

restringir su difusión

evitar daños en el ADN de la célula

Evidencia el papel de la anammoxosome en la conservación de energía

inmuno etiquetado utilizando un anticuerpo

Proteína purificada que se asemeja a oxidorreductasa de hidroxilamina

(HAO)

10 homólogos de proteínas HAO como están presentes en el genoma de K. stuttgartiensis

Uno de estos homólogos

Conversión de la hidracina a gas dinitrógeno

La proteína HAO-como fue localizada exclusivamente en el interior del anammoxosoma, lo

que llevó a la extensa etiquetado de toda la matriz anammoxosome

Por la misma técnica se demostró…..

ATPasa está presente en la membrana anammoxosoma y en la membrana mas externa de la célula

ATPasas en la membrana anammoxosoma : hipótesis fuerza motriz de protones

Localización de las proteínas citocromo c por tinción con peroxidasa

Datos del proteoma y transcriptoma K. stuttgartiensis

Diferentes reacciones parciales en la oxidación anaerobia de amonio se ven facilitadas por una gama de citocromo c

Citocromos restringidos al anammoxosome y especialmente concentradas en un borde de aproximadamente 150 nm a lo largo de la membrana anammoxosome

El metabolismo energético

Enzimas que participan:1. Nitrito::óxido nítrico reductasa

(NirS).2. Hidrazina sintasa (HZS).3. HAO like-HDH . (hidroxilamina

oxido reductasa. Hidrazina deshidrogenasa)

Flujo de electrones

Energía para la fijación del carbono

Fijación del carbono

El CO2 se reduce a CO que pasa a Acetil-CoA por la enzima CO

deshidrogenasa

Electrones son transportados hacia la

reducción del CO2 en el riboplasma vía quinona o

NADH

Las bacterias Anammox son generalistas

•Propionato •Acetato

K. stuttgartiensis y Scalindua spp•Hierro•Oxido de manganeso

K. stuttgartiensis , Scalindua spp

•Metilamina A. propionicus and Brocadia spp. Furthermore, B. fulgida

•Hierro ferroso K. stuttgartiensis

Aceptor de electrones en lugar del nitrito

Crecidas en formato

Donador de electrones

•Reducción disimilatoria de nitrato a amonio. (DNRA)

NrfA (amonio limitado)

Orgánelo celular procariota ¿Es el anammoxosoma un orgánelo verdadero?

Definición de orgánelo: compartimiento celular rodeado por una membrana, teniendo estructura, composición macromolecular y

función distintas.

Estructura o moléculas Función

Membrana Composición lipídica. (se ha podido aislar)

Enzimas Múltiples enzimas presentes en el orgánelo que no se encuentran en otros compartimentos. (HAO-like, HZS, proteínas citocromo c.

Tubule-like Citoesqueleto, mantenimiento de la membrana y división celular.

Reacción anammox Metabolismo energético, formación de ATP.

¿Porque necesitan el compartimiento anammoxosoma?

Lo que falta por investigar ¿?• ¿Cuál es la composición de la pared celular de las anammox

bacterias y la función del parifoplasma?• ¿Cómo se obtiene la curvatura de la membrana en el

anammoxosoma?• ¿Contribuirán las estructuras tubule-like con la curvatura o

estarán involucradas en la división celular (anammoxosoma)?• Encontrar todas la enzimas que se asocian en la reacción

anammox y cual de ellas se asocia a la membrana.• ¿ las partículas de hierro están relacionadas con la reacción

anammox o en defensa ante el estrés oxidativo?• El transporte de substratos hacia el anammoxosoma o

transporte de proteínas hacia los diferentes compartimentos.• Origen del anammoxosoma (evolución).