Pared Bacteriana

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    08-Nov-2015

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Generalidades Pared Bacteriana

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<ul><li><p>1 INTRODUCCIN </p><p> En el captulo anterior estudiamos la composicin qumica, estructura y funciones de los principales tipos de paredes celulares </p><p>procariticas. En este captulo trataremos un aspecto dinmico del tema de las paredes: cmo se sintetiza el peptidoglucano de las </p><p>eubacterias, y cmo se produce el proceso general de crecimiento de la pared, incluyendo el evento particular de formacin del septo </p><p>transversal que marca el nacimiento de dos clulas hijas. Nos concentraremos en la biosntesis del peptidoglucano, debido a su inters intrnseco y aplicado (sobre este proceso actan diversos antibiticos, algunos de gran importancia clnica). </p><p>Desde el punto de vista topolgico, todas las capas de las envueltas bacterianas (membranas, pared celular) son superficies cerradas sobre s mismas, fsicamente continuas para mantener la integridad y viabilidad de la clula. </p><p>Pero por otro lado, deben de ser susceptibles de expandirse durante el crecimiento por incorporacin de nuevos materiales. Adems, todos los constituyentes deben crecer coordinadamente e incorporarse en los lugares precisos. Por ejemplo, en el caso de las bacterias Gram-negativas, distintos componentes deben de ir a parar a diferentes localizaciones: periplasma, PG, membrana externa, e incluso medio exterior. </p><p>Durante cada ciclo celular, hay una fase en la que los materiales de las envueltas (y concretamente, de la pared celular que nos ocupa ahora) deben de facilitar la divisin de la clula en una descendencia de dos clulas hijas. </p><p>Finalmente, queda el problema de la energa. Los procesos biosintticos requieren aporte de energa qumica, pero el ATP y compuestos similares no pueden salir del protoplasto. </p><p>Precisamente en este captulo vamos a ver algunas de las estrategias bioqumicas y moleculares que las bacterias han evolucionado </p><p>para solventar estos puntos para el caso del peptidoglucano. Veremos que la estrategia implica varias fases: </p><p>Sntesis de precursores en el citoplasma </p><p>Ensamblaje parcial en membrana </p><p>Transporte a la cara externa externa de la membrana </p><p>Ensamblaje final en el exterior, mediante reacciones que no precisan energa </p></li><li><p>2 BIOSNTESIS DEL PEPTIDOGLUCANO DE MURENA </p><p>Consta de 4 etapas: </p><p>1. Sntesis de precursores solubles en el citoplasma. </p><p>2. Estos precursores son transferidos a un transportador lipdico situado en la membrana citoplsmica (un poliisoprenol fosfatado </p><p>llamado undecaprenil-fosfato), donde se forman las unidades disacardicas con el pentapptido. </p><p>3. Las unidades disacardicas se polimerizan en cadenas lineales fuera de la membrana, pero an unidas al undecaprenil-fosfato de la </p><p>membrana. </p><p>4. Unin del polmero lineal as formado al peptidoglucano preexistente en la pared celular, por entrecruzamiento de (al menos) parte </p><p>de sus pptidos respectivos. </p><p>A estas etapas hay que aadir una fase adicional de regeneracin del transportador lipdico, una vez que ha cumplido su misin, para </p><p>que pueda ser operativo en un nuevo ciclo de sntesis. </p><p>Veamos, pues, en ms detalle, cmo ocurre este interesante proceso: </p></li><li><p> Fase 1:. Los monosacridos que luego van a constituir la unidad disacardica repetitiva del esqueleto del peptidoglucano (NAM y </p><p>NAG) se activan al unirse a uridn difosfato (UDP). (En general, los monosacridos que han de incorporarse a polmeros de pared </p><p>celular bacteriana se activan mediante su unin con nuclesidos-fosfato.) </p></li><li><p>Por lo tanto, en esta fase se sintetizan por separado: </p><p>NAG-UDP </p><p>NAM-UDP </p><p>Luego se va produciendo la adicin secuencial y ordenada de los distintos aminocidos al NAM (en reacciones que requieren </p><p>energa e iones Mn++): </p><p>1. L-ala </p><p>2. D-glu </p><p>3. m-DAP (u otro diaminocido; p. ej. L-lys en Staphylococcus aureus) </p><p>4. D-ala-D-ala </p><p> Observar que no se produce un tetrapptido, sino un pentaptido. El ltimo paso de adicin de aminocidos es la unin del </p><p>dipptido D-alanil-D-alanina, que se ha sintetizado en dos fases: </p><p>una racemasa convierte la L-ala a D-ala; </p><p>creacin de enlace peptdico entre dos D-ala. </p><p>Fase 2: El UDP-NAM-pentapptido se transfiere ahora a un transportador de membrana, llamado undecaprenil-fosfato (que </p><p>abreviaremos como Lip-P), en una reaccin catalizada por una translocasa especfica. </p><p> El undecaprenil-fosfato es un poliisoprenoide de 55 tomos de C (C55, derivado de la repeticin 11 veces de la unidad </p><p>isoprenoide, con un fosfato terminal). Se le conoce tambin con el nombre de bactoprenol, pero hoy se sabe que no es exclusivo de </p><p>bacterias. El bactoprenol permite el transporte y ensamblaje de sustancias que, como los azcares, son hidroflicas, y no podran pasar </p><p>por s mismas la barrera hidrofbica de la membrana. </p></li><li><p> Una vez que el NAM-pentaptido est unido al undecaprenil (por medio de pirofosfato), una transferasa transfiere a ste la </p><p>NAG desde el UDP-NAG. Se genera pues el enlace (14) entre NAG y NAM. Por lo tanto, se obtiene: Lip-P-P-NAM(pentapptido)-NAG. </p><p>En esta situacin es cuando se producen la modificaciones que ya estudiamos en la estructura bsica del PG. Por ejemplo: en Staphylococcus aureus el grupo -COOH del D-glutmico en posicin (2) es amidado (pasa a --CO-NH2. Por otro lado, se introducen los puentes peptdicos, que en el caso de esta bacteria consisten en una pentaglicina, que se une al grupo amino terminal de la L-Lys en posicin (3). </p><p>Tanto la traslocasa como la transferasa est localizadas en el lado citoplsmico de la membrana, de modo que el precursor Lip-P-P-NAM(pentapptido)-NAG, en este momento est colgando hacia el citoplasma, anclado a la lmina interna de la membrana a travs de bactoprenol. </p><p>Fase 3: Polimerizacin de varias unidades disacardicas: Ahora el bactoprenol se da la vuelta en la membrana (una especie de flip-flop desde la capa interna hasta la externa), de modo que logra que el precursor resultante de la fase 2 quede expuesto hacia el medio acuoso exterior a la membrana. Entonces tiene lugar la polimerizacin de varias unidades disacardicas: ello se logra en una reaccin de transglucosidacin. Consiste en la unin de cada unidad disacardica (con su pentapptido) unida a su respectivo Lip-P-P, con el extremo libre (reductor) de una cadena preexistente que a su vez est unida a otra molcula de Lip-P-P. </p><p> En el proceso se libera uno de los Lip-P-P (o sea, el undecaprenil, pero en forma pirofosforilada). Sobre este Lip-P-P acta una </p><p>fosfatasa especfica, que elimina el fosfato terminal, regenerndose el undecaprenil-fosfato, que queda dispuesto para otro ciclo como </p><p>el descrito. </p><p>Fase 4: El polmero surgido de la fase anterior es una cadena lineal de PG sin entrecruzar, y unido an al transportador lipdico de </p><p>membrana. Ahora este polmero naciente (con sus pentapptidos) reacciona, por transpeptidacin, con un PG aceptor preexistente. En </p><p>esta reaccin se ven implicados el grupo C=O de la D-ala (4) del PG naciente y el grupo -NH2 libre del diaminocido (3) del PG </p><p>aceptor (o del ltimo aminocido del puente peptdico). </p><p>Esto es lo mismo que decir que el enlace peptdico entre D-ala (4) y D-ala (5) del PG naciente se ve sustituido por otro enlace peptdico, entre dicha D-ala (4) y el diaminocido del PG naciente. </p></li><li><p> La energa para esta reaccin la suministra la hidrlisis concomitante del enlace peptdico entre las dos D-ala terminales. Es </p><p>decir, en cada reaccin de transpeptidacin se libera una D-ala, correspondiente a la que ocupaba la posicin (5). </p><p>Ya dijimos en el captulo anterior que no todos los tetrapptidos participan en entrecruzamientos. Las D-ala terminales (en 5) </p><p>de los pptidos no implicados en tales entrecruzamientos son eliminadas por una enzima llamada D-D-carboxipeptidasa. Esta enzima </p><p>explica no slo que en el PG maduro existan tetrapptidos (y no los pentapptidos originales), sino tambin la existencia de tripptidos. </p><p> Muchas bacterias controlan el grado de entrecruzamiento de su PG maduro. Incluso algunas pueden eliminar totalmente </p><p>muchos de los pptidos originalmente unidos al NAM, mediante enzimas conocidas genricamente con el nombre de autolisinas. As </p></li><li><p>por ejemplo, Micrococcus luteus -un coco Gram-positivo- merced a su actividad NAM-L-ala-amidasa, presenta un PG que no est </p><p>entrecruzado en un 50-70%. </p><p>Antibiticos que actan a nivel de la biosntesis de peptidoglucano: </p><p> Estos antibiticos tienen un efecto bactericida sobre bacterias en crecimiento. Ello se debe a que, al inhibir determinados pasos </p><p>del ciclo de sntesis y ensamblaje del PG, provocan la acumulacin de precursores de dicho PG, lo que a su vez desencadena la </p><p>activacin de las autolisinas de la bacteria, que degradan el PG y que finalmente provoca la lisis celular (en medios hipotnicos), por </p><p>entrada masiva de agua a la clula. </p><p>1. Fosfomicina: acta inhibiendo la formacin del 3-O-D-lactil-ter de la NAG (o sea, del NAM). Parece ser que la base molecular </p><p>estriba en la semejanza estructural entre el este antibitico y el PEP (es decir, la fosfomicina es anlogo estructural del PEP, lo que </p><p>lleva a la inactivacin de la enzima correspondiente a esta reaccin). </p><p>2. Cicloserina: Se comporta como anlogo estructural de la D-alanina, por lo que inhibe la actuacin de la racemasa que convierte la </p><p>L-ala a D-ala, as como de la reaccin de unin de dos D-ala. </p><p>3. Tunicamicina: inhibe la traslocasa que cede el NAM unido hasta entonces al UDP y lo pasa al bactoprenol (fase 2). </p><p>4. Vancomicina y ristocetina: inhiben la segunda transglucosidacin (fase 3), es decir, la unin de diversas unidades disacardicas. </p><p>5. Bacitracina: se une al undecaprenol-pirofosfato, bloqueando su desfosforilacin, e impidiendo por lo tanto, la regeneracin del </p><p>transportador de membrana. </p><p>6. Antibiticos -lactmicos (p. ej.: penicilinas, cefalosporinas): inhiben la reaccin de entrecruzamiento por transpeptidacin. </p><p>(Estudiaremos su mecanismo de accin en ms detalle en el captulo 20 sobre Quimioterpicos y Antibiticos). </p></li><li><p>3 CRECIMIENTO DE LA PARED CELULAR </p><p> Como ya dijimos al comienzo de este tema, aunque la pared celular es una estructura cerrada y sin solucin de continuidad, </p><p>debe permitir su expansin (crecimiento), y esto supone que se han de romper ciertos enlaces si se quiere que el nuevo material se </p><p>ensamble con el preexistente mediante nuevas uniones, es decir, debe existir una accin concertada de muren-hidrolasas y de muren-</p><p>sintasas. Por otro lado, hay que tener en cuenta que en el crecimiento de la pared celular se producen dos tipos de procesos: la </p><p>expansin (aumento de tamao) de esa pared, y la formacin del tabique transversal en el centro de la clula. </p><p> El crecimiento y septacin del peptidoglucano estn basados en la actividad controlada y localizada en puntos determinados, de </p><p>una gama de autolisinas, especialmente las dotadas de actividad transglucosidasa y/o transpeptidasa. Debido a que estas enzimas son </p><p>los sitios de accin de las penicilinas (y otros antibiticos -lactmicos), se les conoce tambin con el nombre de PBP (de penicillin-</p><p>binding proteins; vase la tabla 1). </p><p>TABLA 1 </p><p>Propiedades de las PBPs de Escherichia coli </p><p>PBP N molculas/ clula </p><p>Actividad enzimtica </p><p>conocida Posibles funciones </p><p>PBP 1, 1B 100 cada una Transglucosilasa/transpeptidasa Sntesis de PG durante la elongacin celular </p><p>PBP 2 20 Transpeptidasa Crecimiento de la forma bacilar </p><p>PBP 3 50 Transglucosidasa/transpeptidasa </p><p>Sntesis de PG durante la septacin </p><p>(tabique) </p><p>PBP 4 110 D-D-endopeptidasa/ </p><p>D-Dcarboxipeptidasa </p><p>Hidrlisis de los entrecruzamientos </p><p>durante la elongacin </p></li><li><p>PBP 5 1800 D-D-carboxipeptidasa Destruccin del pentapptido no entrecruzado </p><p> 3.1 CRECIMIENTO DE LA PARED EN UNA BACTERIA GRAM-NEGATIVA: Escherichia coli </p><p>El crecimiento de la pared en E. coli se puede considerar dividido en dos fases: </p><p>1. Crecimiento en longitud (elongacin), mientras la clula crece en tamao. </p><p>2. Produccin del tabique transversal (septacin), que conduce a la formacin de dos clulas hijas. </p><p>Elongacin </p><p>Las PBPs 1 son las encargadas de la elongacin de las cadenas de PG naciente (por transglucosidacin de las unidades disacardicas) y simultneamente, por transpeptidacin, logran el entrecruzamiento. </p><p>Las cadenas nacientes del PG se intercalan en la parte cilndrica del sculo de PG gracias a que las PBP4 y PBP5 cortan enlaces del PG preexistente. La PBP2 interviene aqu tambin para transpeptidacin. La cadena de PG se va elongando unidireccionalmente alrededor de la circunferencia de la clula. Se calcula que existen unos 200 sitios de insercin de nuevo material en cada clula, dispersos de forma ms o menos uniforme por toda la superficie de la clula. La maquinaria biosinttica tarda 8 minutos en completar cada circunferencia de elongacin. </p><p>Formacin del tabique transversal </p><p>La divisin de la bacteria por fisin binaria simtrica se logra por medio de una invaginacin circular de las envueltas (membrana </p><p>citoplsmica y peptidoglucano) en mitad de la clula madre. En el inicio de este proceso tiene un papel esencial la protena FtsZ, y ms </p><p>tarde intervienen otras protenas Fts. </p><p> FtsZ es una protena imprescindible, presente tanto en eubacterias como en arqueas, que muestra parecido con las tubulinas </p><p>eucariticas. Al parecer, al igual que las tubulinas, la FtsZ se une a GTP, con lo que se promueve su polimerizacin. Bajo control del </p></li><li><p>ciclo celular, la FtsZ se ensambla poco antes de la divisin en el centro de la clula, formando un anillo citocintico en el lado citoplsmico de la membrana celular. Existen indicios fuertes de que la formacin de este anillo de FtsZ sealiza el sitio por donde se </p><p>producir la divisin y se activar el crecimiento del peptidoglucano del tabique transversal. Una vez que FtsZ ocupa el lugar del </p><p>futuro septo, entran en accin otras protenas Fts, formando un complejo llamado divisoma. </p><p>En las fotografas a microscopio electrnico se ve cmo bajo la invaginacin de membrana que constituye la avanzadilla del septo, se localizan las molculas de FtsZ. </p><p>La hiptesis seala que los polmeros de FtsZ se van contrayendo, de modo que tiran de las envueltas hacia el interior, provocando la tpica invaginacin alrededor del centro del bacilo, y que simultneamente, la FtsZ provoca la activacin de la PBP3 (=FtsI), que es </p><p>una transglucosidasa/transpeptidasa especfica del tabique transversal. </p><p>A microscopio electrnico se observa que este tabique est formado por dos lminas de PG (densas a los electrones) separadas </p><p>entre s por otra transparente. El final de la divisin ocurre como consecuencia de la invaginacin de la membrana externa entre las dos </p><p>lminas de PG. </p><p>Cmo se ensambla la membrana externa con relacin al PG? Parece ser que esta membrana se ensambla en buena medida por </p><p>procesos espontneos guiados por interacciones entre el LPS y protenas, sirviendo el PG subyacente como andamio que facilita el </p><p>montaje de toda la estructura. Parece ser que las zonas de adhesin (junturas de Bayer) son importantes para la correcta colocacin de </p><p>LPS y protenas de la membrana externa. </p></li><li><p> 3.2 CRECIMIENTO Y SEPTACIN EN UNA BACTERIA GRAM-POSITIVA: Enterococcus faecalis </p><p> A diferencia de lo visto en E. coli, en el enterococo (Enterococcus faecalis) el crecimiento del...</p></li></ul>