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1- Morfología de las células procariotas (forma, tamaño, agrupaciones) 2- Estructura de la célula procariota 3- Cubiertas celulares 4- Estructuras externas 5- Citoplasma 6- Formas de resistencia 7- Diferencias con Eucariotas
Tema 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Cocos
Bacilos
Espirilos
Espiroquetas
Hifa Tallo
Bacterias con yemas y apéndices
Filamentosos
1- Morfología de las células procariotas ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
1- Morfología de las células procariotas
1)Agrup. en empalizada
2)Agrup. en roseta
3)Streptobacilos
Agrupaciones de bacilos
Agrupaciones de cocos
1) Diplococos
2)Streptococos
3)Tetracocos
4)Staphilococos
5)Sarcinas
Tamaño de las células procariotas
Epulopiscium fishelsoni (600µm)
superficie
volumen
superficie volumen
•Metabolismo activo y versátil •Alta tasa de replicación •Muy activos y competitivos
Tamaño de las células procariotas
La ventaja de ser pequeño: Relación superficie/volumen alta
Tamaño de las células procariotas
La ventaja de ser pequeño: Relación superficie/volumen alta
Epulopiscium fishelsoni,
Thiomargarita namibienus
Procariota
Eucariota
Cloroplasto Mitocondria Citoplasma
Membrana nuclear
Nucleolo Núcleo Ribosomas
Retículo endoplásmico
Membrana citoplasmática
Pared celular Membrana citoplasmática
Citoplasma Ribosomas Nucleoide
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
2- Estructura de las células procariotas
Flagelo
Cuerpos de inclusión
Ribosomas
Fimbrias Nucleoide
Cápsula
Pared celular
Membrana celular
Plásmido
-Envoltura celular -(membrana, pared)
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA 3- Cubiertas celulares: 1-La membrana plasmática
Región hidrofóbica
Región hidrofílica Fosfolípidos
Molécula de fosfolípido
Proteínas integrales de membrana
3- Cubiertas celulares: 1-La membrana plasmática ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
a)-Modelo estructural: Mosaico Fluido (bicapa lipídica + proteínas) b)-Composición Química: Lípidos (Fosfolípidos de Glicerol + Ac grasos) Proteínas (50-80%) (Integrales o periféricas)
Barrera 8 nm delimita del exterior. Esencial para la supervivencia Barrera semipermeable y muy selectiva Formada por fosfolípidos
• glicerol-P: parte hidrofílica • ácidos grasos: parte hidrofóbica
Se estabiliza con puentes de H, interacciones hidrofóbicas y cationes Mg+2 y Ca+2
3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática
Región Hidrofílica (polar)
Región Hidrofóbica (no polar)
Ácidos grasos
Fosfato Glicerol
Estructura de la bicapa lipídica
c)-Diferencias con eucariotas: 5-25% de los lípidos son esteroles Excepciones procariotas- Existe esteroles en Mycoplasma y hopanoides (30C) en Bacterias
Isopreno
3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática c)-Diferencias en Archaea:
1-Lípidos con enlace eter
BACTERIA EUKARYA
éter
éster
ARCHAEA
3- Pueden formar monocapas
2-Carecen de Ac. grasos
Fitano
Diéter de glicerol Bifitano
Tetraéter de glicerol
1.- Barrera de permeabilidad: permite el transporte de nutrientes y deshechos. Impide la pérdida de solutos. Permeabilidad selectiva
2.- Papel estructural: Anclaje de proteínas de transporte, quimiotaxis, etc
3.- Conservación de energía: generación de fuerza protónmotriz
Distribución desigual de H+ exterior/interior Diferencia en la [H+] potencial químico Distribución desigual de cargas potencial eléctrico Energización de la membrana fuerza protónmotriz
3- Cubiertas celulares: 1-la membrana plasmática d) Funciones:
¡el H+ no la atraviesa!
H2O
La membrana plasmática tiene permeabilidad selectiva
Proteínas transportadoras
Saturación del transportador por el sustrato
Transporte mediado por transportador
Difusión simple
Concentración externa de soluto
Velo
cida
d de
ent
rada
de
solu
to
-Alta especificidad -Permiten acumular nutrientes en contra de gradiente -Cambio conformacional en la proteína -Requiere energía
Flagelo
Cuerpos de inclusión
Ribosomas
Fimbrias Nucleoide
Cápsula
Pared celular
Membrana celular
Plásmido
-Envoltura celular -(membrana, pared)
3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Membrana plasmática Citoplasma
Solutos Pared celular
H2O
Solución isotónica (isosmótica) Sin movimiento neto de H2O
Solución hipotónica (hiposmótica) H2O entra en la célula y puede estallar si la pared está débil o dañada (lisis osmótica)
Solución hipertónica (hiperosmótica) H2O sale de la célula causando que se encoja el citoplasma (plasmolisis)
Células sin pared
En solución hipotónica
3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR
a) Funciones: - Da forma y rigidez a la célula -Protege del daño mecánico y rotura osmótica (Mantiene la presión de turgencia)
hipertónica
Membrana externa
Membrana citoplasmática
Peptidoglicano
Peptidoglicano Peptidoglicano
Membrana Membrana
Periplasma
Membrana externa (lipopolisacárido + proteína)
Gram-positiva Gram-negativa
90% 10%
3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR
b) Estructura:
• Polímeros del disacárido N-acetilglucosamina (NAG) y del ácido N-acetilmurámico (NAM). (enlaces β1-4)
• Unidos por tetrapéptidos. (enlaces CO-NH)cv
N-acetilglucosamina (NAG) Ácido N-acetilmurámico (NAM) Puente de pentaglicina
Puente de pentaglicina Cadena tetrapeptídica
Cadena tetrapeptídica
Cadena tetrapeptídica
Esqueleto de carbohidratos Ejemplo de Gram +
3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR
c) Composición química: El Peptidoglicano
Representación esquemática de la estructura del peptidoglicano
Conexiones entre unidades peptídicas
(G) N-acetilglucosamina (M) Ácido N-acetilmurámico
Esqueleto glucídico
Péptidos Puente intercatenario
-AA enforma D
-Se unen a los azúcares por el NAM
-Los puentes peptídicos son los que confieren rigidez
-El nº de puentes depende de cada bacteria
Características
Estructura de una unidad repetida del peptidoglicano
Uniones peptídicas
Lisozima
Penicilina
Grupo N-acetilo
L-Alanina
D-Alanina Ácido meso- diaminopimélico
N-Acetilglucosamina (G) N-Acetilmurámico (M)
Ácido D-Glutámico
G G M M M G
G G M M M G
G G M M G M
G G M M G M
Degradación del peptidoglicano • Lisozima: Destruye enlaces β(14) No actua sobre β(13) • Penicilina: Inhibe la transpeptidación • Fosfomicina: Inhibe síntesis de M
Pared
Membrana
Lisozima
Entrada H2O Entrada H2O
Entrada H2O Lisis
Solución hipotónica
Solución isotónica
Lisozima
Protoplasto
Protoplasto: célula con membrana sin pared Esferoplasto: Célula con restos de pared
Células bacterianas SIN peptidoglicano
-Mycoplasmas y Thermoplasma (Archaea) -Archaea- Pseudopeptidoglicano (No tiene NAM y enlaces β1-3) - Capa S (paracristalina, son glicoproteínas)
Membrana externa
Membrana citoplasmática
Peptidoglicano
Peptidoglicano Peptidoglicano
Membrana Membrana
Periplasma
Membrana externa (lipopolisacárido + proteína)
Gram-positiva Gram-negativa
90% 10%
3- Cubiertas celulares: 2-LA PARED CELULAR
b) Estructura:
Pared celular de Gram +
Proteína asociada a la pared
Acido lipoteicoico
Peptidoglicano
Membrana citoplasmática
Acido teicoico
- Gruesa capa de peptidoglicano (mureína) - Presencia de ácidos teicoicos:
Características de los Ac Teicoicos
-Estructura: - Son poli-alcoholes de Glicerol (3C) o de Ribitol (5C) - Uniones ésteres de Fosfato -Se les unen azúcares y D-Alanina
-Función: - Interviene en el paso de iones a través de la pared - Estabilidad estructural de la pared c - Determinante antigénico del organismo
Pared celular de Gram +
-Estrecha capa de peptidoglicano -Membrana externa formada por proteínas, fosfolípidos y lipopolisacárido (LPS) -Periplasma: espacio entre la membrana externa y la membrana citoplasmática
Polisacárido O Núcleo del polisacárido
Lipopolisacárido (LPS)
Membrana externa
Membrana citoplasmática
Fosfolípidos
Peptidoglicano Lipoproteína
Proteína Lípido A
Porina
Porinas (canales que permiten transporte de sustancias hidrofílicas de bajo PM) Periplasma (contiene enzimas hidrolíticos,
proteínas de unión y quimiorreceptores)
La Pared Celular de Gram (-) Estructura:
Periplasma
Estructura y Composición
Polisacárido O específico Núcleo del polisacárido Lípido A Tóxico para
animales -variabilidad antigénica (Antígeno O) -sitio de adherencia bacteriana -resistencia a fagocitosis
Características del Lipopolisacárido
La Pared Celular de Gram (-)
-Disacárido NAG-P -Enlace éster con Ac Grasos
Lípido Polisacárido -Núcleo: KDO (ceto-desoxioctonato) heptosas, hexosas -Polisacárido O (secuencias de 4-5 unidades ramificadas)
Funciones del Lipopolisacárido
La Pared Celular de Gram (-)
-Tamiz molecular -Permite el paso de moléculas pequeñas hidrosolubles PORINAS-Inespecíficas (canales rellenos de agua) -Específicas (sitios de unión a sustancias específicas) -Impide el paso de moléculas de alto PM e hidrofóbicas
(protección frente a agentes antibacterianos: antibióticos, enzimas, ácidos biliares…).ZONA PERIPLÁSMICA
-Tóxico para animales (Lípido A)- Endotoxinas -Altamente antigénico (polisacárido O) -Sitio de adherencia con otras células y adsorción de fagos
Membrana externa
Periplasma
Membrana citoplasmática
Propiedades Gram-positiva Gram-negativa
Espesor de la pared gruesa (20-80 nm) delgada (10 nm)
Número de capas 1 2 Contenido peptidoglicano (mureína) >50% 10-20%
Ácidos teicoicos presencia ausencia Contenido lípidos y lipoproteínas 0-3% 58%
Contenido proteínas 0 9%
Contenido lipopolisacáridos 0 13%
Sensibilidad a penicilina Si No (con excepciones)
Sensibilidad a lisozima Si No
Diferencias en la pared celular de bacterias
Flagelo
Cuerpos de inclusión
Ribosomas
Fimbrias Nucleoide
Cápsula
Pared celular
Membrana celular
Plásmido
-Envoltura celular (membrana, pared) -Estructuras externas (cápsula, fimbrias, pili, flagelo)
4- Estructuras externas:
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Composición: Capas de polisacáridos viscosos localizados fuera pared celular , (exopolisacáridos extracelular EPS)
• Cápsulas: mas densas, rígidas e impermeables (glicoproteínas) • Capas mucilaginosas: más diluidas, flexibles
Funciones: • Participan en la adherencia a superficies: formación de biopelículas Ej: Biofilm dental, en materiales, en alimentos • Mecanismo de defensa bacteriano (frente a fagocitosis y antimicrobianos) • Mejoran la resistencia a desecación, uv, •Altamente antigénica (antígeno K)
4- Estructuras externas:1-Cápsula o Glicocalix
B- ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Biopelícula formada en superficie de un catéter
Biopelícula formada sobre una hoja
Ejemplos de biopelículas
Exopolisacárido bacteriano
Biopelículas microbianas “Comunidades de microorganismos que crecen adheridos a superficies y rodeados de una matriz polimérica secretada por ellos”
Superficie de acero
Impacto de las biopelículas… Extracción y conducción de
petróleo y aceites Sistemas de refrigeración
Elaboración de alimentos
Agua de bebida
Tratamiento aguas residuales
Implantes médicos
Boca
Biocorrosión o biodeterioro
Fimbrias en Neisseria gonorrhoea
4- Estructuras externas:2-Fimbrias o Pili
-Fimbrias -Filamentos proteícos -Son hereditarios -Son apéndice cortos y finos (3-10 nm diámetro)
Función: Adhesión a superficies (patógenos) y formación de películas en líquidos Factores de virulencia
-Pili -Similar fimbrias, más largos (1ó2 por cel) -Son más anchos que fimbrias (9-10 nm diámetro) -Función: Adhesión Determinados genéticamente por plásmidos Conjugativos, CONJUGACION BACTERIANA (transferencia de ADN) Receptores de virus bacterianos
Lofótricos
Anfítricos
Perítricos
- Polares (monótricos, anfítricos, lofótricos) - Perítricos (alrededor de la célula)
4- Estructuras externas:3-Flagelos
a) Función: Movilidad (respuesta a estímulos, factor de virulencia) b) Distribución: Son filamento largos, finos (20nm Ø) y flexibles
Monótricos
Filamento
Flagelina
Gancho
Anillo L
Anillo P
Proteína Mot
Memb citopl
Periplasma Peptidoglicano
Membrana externa (LPS)
Anillo MS
Proteínas Fli Proteína Mot
1.- Filamento Forma helicoidal Paso cte Subunidades de flagelina 2.- Gancho Une el filamento a la base motora Formado por un solo tipo de proteína 3.- Cuerpo basal -Anclaje del flagelo: (anillos/varillas centrales)
• Anillo L: En LPS solo en G(-) •Anillo P •Anillo MS
-Motor: Proteínas Mot: Alrededor anillo MS
• Canaliza flujo de protones • Provocan la rotación flagelar -Proteínas Fli responden a señales intracelulares
4- Estructuras externas:3-Flagelos
c) Estructura
4- Estructuras externas:3-Flagelos
Estructura del Flagelo procariota
Gram (-) Gram (+)
Carrera
Tumbo
d) Movimiento flagelar
4- Estructuras externas:3-Flagelos
-Filamento semirígido -Movimiento helicoidal (motor=cuerpo basal) -Energía FPM (1000H+/v) -Desplazamiento: .carrera-giro contario a las agujas del reloj .tumbo-giro en sentido horario
d) Movimiento flagelar
4- Estructuras externas:3-Flagelos
-Filamento semirígido -Movimiento helicoidal (motor=cuerpo basal) -Energía FPM (1000H+/v) -Desplazamiento: .carrera-giro contario a las agujas del reloj .tumbo-giro en sentido horario
Diferencias con eucariotas: -Estructura del filamento: microtúbulos -Movimiento serpenteante -Energía: ATP
¿Quién es más rápido, un guepardo o Escherichia coli?
Guepardo, el mamífero más rápido de la Tierra, alcanza los 110 Km/h (aproximadamente 25 longitudes corporales/seg)
La velocidad que alcanza una bacteria es de aproximadamente 0.00017 Km/h (unas 60 longitudes corporales/seg)
Quimiotaxis: Respuesta bacteriana a señales químicas que dirige la función flagelar
Carrera
Carrera
Tumbo
Tumbo
Carrera
Atrayente
carreras más largas hacia sustancias atrayentes o en contra sustancias repelentes
proteínas de membrana detectan [sustancia]/tiempo activan y modulan la rotación del flagelo
Movimiento dirigido o TAXIA
a)Movimiento al azar b)Quimiorreceptores:
Otras Taxias:
Aerotaxis: movimiento en respuesta al O2 Fototaxis: movimiento en respuesta hacia la luz Proteínas comunes con la quimiotaxis Fotorreceptores detectar gradientes de luz LUZ
t = 0
t = 2h
Flagelo
Cuerpos de inclusión
Ribosomas
Fimbrias Nucleoide
Cápsula
Pared celular
Membrana celular
Plásmido
-Envoltura celular (membrana, pared) -Estructuras externas (cápsula, fimbrias, pili, flagelo) -Citoplasma (Nucleoide, ribosomas, inclusiones)
5- Citoplasma
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
5- Citoplasma: 1-Nucleoide
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Neisseria gonorrhoeae
Cromosoma bacteriano o genóforo -Conjunto de genes necesarios para las funciones celulares básicas -1 molécula de DNA circular desnudo -Sin membrana nuclear -Superenrrollamiento por DNA girasas
Proteínas Dominio superenrollado
Región del citoplasma donde se encuentra el material genético
Tamaños, formas y número de cromosomas de microorganismos
Cromosoma
Nucleoide
Cromosoma de E. coli
(4,7x106 bases 1300µm, L=2-3µm) 4.500 genes
(Hombre:2,9x109bases 40.000 genes)
Replicación del cromosoma bacteriano -Relajación del DNA Apertura de las hebras -Origen de replicación único -Síntesis de DNA bidireccional y semiconservativa -No existen intrones
Horquilla de
replicación
ADN sintetizado de novo
Origen de replicación
-Circulares de tamaño y número de copias variable -Existen grupos de incompatibilidad -Transferibles entre bacterias -Aportan propiedades o adaptaciones selectivas
Resistencia a antibióticos Producción de antibióticos Mecanismos de patogénesis (toxinas) Capacidades metabólicas Capacidad de nodulación Degradación de compuestos xenobióticos Resistencia a metales pesados Producción de pigmentos
Plásmido Elementos genéticos de replicación independiente del cromosoma
Diferencia entre cromosoma y plásmido: los plásmidos no llevan genes que sean requeridos en todas las condiciones de crecimiento !!
Reserva de carbono y energía Poli-β-hidroxibutirato(PHB): Polímero dehidroxi-butírico Se agregan formando gránulos
Glucógeno: polímero de subunidades de glucosa
Rhodospirillum sodomense
5- Citoplasma: 2-Inclusiones
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
-Inclusiones rodeadas de membranas de lípidos -Contienen sustancias que almacenan energía (Pi, polisacáridos, azufre..)
1-Gránulos de reserva
1a-Polímeros carbonados
Polímero linear de ortofosfatos unidos por enlaces ester. Reserva de energía
Acumulación de S0
En bacterias del azufre
1b- Gránulos de Azufre
5- Citoplasma: 2-Inclusiones
1-Gránulos de reserva
1c- Gránulos de Polifosfato
-Partículas cristalinas de magnetita Fe3O4 -Monocapa lipídica -Dipolo magnético sometido a campos magnéticos -Presente en bacterias acuáticas
5- Citoplasma: 2-Inclusiones
2- Magnetosomas
3- Vesículas de gas
-Permiten la flotación -Mecanismo de movilidad a diferentes alturas en respuesta a factores ambientales -Formas de haz (huecas y rígidas) -Rodeadas de membranas proteícas impermeables a líquidos pero no a gas -Presentes en cianobacterias, bacterias fototrofas púrpuras y verdes, arqueas
Formas de reposo de la bacteria • Metabolismo detenido • Resistentes condiciones ambientales adversas
– Desecación – Altas temperaturas – Radiaciones UV – Compuestos químicos
. Características: g. Bacillus y Clostridium
5- ENDOSPORA: Formas de resistencia
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA CÉLULA BACTERIANA
Esporas de Bacillus cereus (color verde), CV (color rosa)
•Formación: Interior celular
Terminal Subterminal Central
Exosporio: Capa proteíca con un 20% carbohidratos Resistencia a enzimas hidrolíticos Cutícula o cubierta: 50-80% proteína de la espora, alto contenido En aminoácidos hidrofóbicos y cisteína. Absorbe radiaciones, resistencia a compuestos químicos Córtex: Variante de peptidoglicano muy laxo Contribuye a la resistencia mecánica y a la deshidratación del citoplasma Núcleo o Protoplasto: Célula en estado de reposo PC, MP, Citoplasma (Genoma completo condensado y pocos ribosomas)
Nucleoide
Ribosomas
Pared celular
Estructura de la endospora
5- ENDOSPORA: Formas de resistencia
Propiedades del núcleo de la endospora -No existe síntesis de proteínas ni de RNA -Alto contenido en Ac dipicolínico -Se combina con Ca++ -10% del peso seco -Bajo contenido en agua 10-30%
Consistencia gelatinosa Termorresistencia Resistencia productos químicos Inactivación de enzimas. -Proteínas SASPs (pequeñas prot Ac-solubles): Bajan el pH en una unidad Función: -Unión a DNA
(Protección frente a UV, desecación y calor seco) -Reserva C y energía al germinar la espora
Proceso de esporulación o esporogénesis
Célula vegetativa Endospora
Proceso complejo y altamente regulado en el que participan unos 50 genes.
(tiene lugar en unas 6-10 horas)
- Metabólicamente activa - Hidratada
- Metabólicamente inactiva - Deshidratada
Ayuno de nutrientes !!
Invaginaciones de las membranas
Síntesis de las membranas de las esporas
Deshidratación Síntesis de proteínas SASP y ácido dipicolínico
Características Célula vegetativa Endospora Estructura Célula Gram+ típica, Córtex grueso, cutícula, exosporio unas pocas Gram- Apariencia microscópica No refráctil Refráctil Dipicolínato cálcico Ausente Presente Contenido en agua Elevado, 80-90% Bajo, 10-25% Actividad enzimática Elevada Baja Síntesis macromolecular Presente Ausente Resistencia al calor Baja Alta Resistencia a agentes químicos (H2O2 y ácidos) Baja Alta Resistencia a radiaciones Baja Alta Sensibilidad a lisozima Sensible Resistente Tinción por colorantes Teñibles Sólo teñibles mediante métodos especiales pH citoplasmático alrededor de pH7 pH entre 5,5-6,0 (en el núcleo)
Diferencias entre células vegetativas y endosporas
Importancia biotecnológica de endoesporas -Guerra biológica (esporas de ántrax, 11S) -Biocontrol (Bt anti-insectos, otros anti-hongos)
-Probióticos (esporas de Bacillus subtilis a pollos para prevenir enfermedades)
-Problema en la industria alimentaria Desarrollo de métodos eficaces de control Clostriudium botulinum
Célula procariota Célula eucariota
Membrana citoplasmática Pared celular
Citoplasma Nucleiode Ribosomas
Propiedades Procariota Eucariota Estructura y función del núcleo:
Membrana nuclear Ausente Presente
DNA Circular y cerrada Lineal, formando los cromosomas
Plásmidos Si No
División No mitosis Mitosis
Reproducción sexual No meiosis Meiosis
Estructura y organización del citoplasma:
Membrana citoplasmática carece de esteroles Existen esteroles existen hopanoides ausencia de hopanoides
Membranas internas Sencillas Compleja; retículo endoplasmático
Ribosomas 70S 80S
Orgánulos membranosos Ausentes Existen varios
Endosporas Presentes, termorresistentes Ausentes
Vesículas de gas Presentes (en algunas) Ausentes
Formas de motilidad:
Movimiento flagelar Flagelos rotatorios Flagelos o cilios; no rotan.
Movimiento no flagelar Deslizamiento (vesículas de gas) Corriente citoplasmática y movimiento ameboide; motilidad por deslizamiento
Diferencias en Organización Celular