4.1.2 los apendices microbianos
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Este documento describe la estructura y función de los flagelos en los procariotas. Los flagelos son apéndices filamentosos que permiten el movimiento de las bacterias a través de la rotación. Están compuestos de un filamento, gancho y cuerpo basal. El motor flagelar ubicado en el cuerpo basal usa la energía de gradientes iónicos para rotar el flagelo y generar movimiento. Los flagelos permiten la quimiotaxis, permitiendo a las bacterias responder a señales químicas en su entorno.
4.1.2 los apendices microbianos
- 1. 4. Biología Celular de Procariotes 4.1.2 Los Apéndices Q. B. P. Elizabeth Hinojosa Rebollar Departamento de Microbiología Escuela Nacional de Ciencias Biológicas IPN
- 2. Formas de movimientos en los procariotes 1. Nado Se genera a través de la rotación de un aparato especializado llamado flagelo procariote y se presenta en la mayoría de los procariotes móviles. 2. Deslizamiento Se han descrito varios mecanismos responsables de la movilidad, pero no han sido bien caracterizados. Se presenta en algunas cianobacterias y en mixobacterias.
- 4. 4.1.2.1 Los flagelos en los procariotes Son apéndices extracelulares filamentosos, largos, helicoidales y rígidos, responsables del desplazamiento en medios líquidos. Salmonella typhi
- 5. Características de los flagelos Se originan en la membrana citoplasmática y miden de 3-20 µm de largo por 14-20 nm de grosor. Están codificados por unos 50 genes denominados fla, fli, flg, Mot, entre otros. Origen del flagelo flagelo Escherichia coli Pueden rotan en el sentido o en contra de las manecillas del reloj, dirigidos por un motor rotatorio localizado en la base del mismo. Conservan la misma estructura general en bacterias Gram positivas, Gram negativas y espiroquetas. No son vitales para la célula pero representa una ventaja evolutiva para la superviviencia en un ambiente natural, ya que le permite moverse y responder a los estímulos ambientales.
- 6. Demostración directa de la presencia del flagelo DIRECTA. Microscopía de luz visible. Tinción de Leifson e impregnación argéntica. Microscopía electrónica de transmisión y barrido. Flagelos peritricos Microscopía electrónica de transmisión. Técnica de sombreado. Microscopía de luz visible. Tinción de Leifson
- 7. Demostración indirecta de la presencia del flagelo INDIRECTA. Preparaciones en fresco. Observación del crecimiento colonial en forma de "swarming“. Movilidad en agar semisólido. + - T Crecimiento colonial de Proteus sp. en agar sangre “swarming” Prueba de movilidad
- 8. Clasificación de los flagelos por su localización Existen varios patrones flagelares tanto en número como en localización de los flagelos. localización tipo de flagelo monotrico lofotrico anfitrico peritrico ejemplo Pseudomonas aeruginosa, Vibrio sp Spirillum volutans, Spirillum serpens Proteus sp. Escherichia coli
- 9. Observación de los flagelos al microscopio óptico monotrica Pseudomonas aeruginosa lofotrica Spirillum volutans anfitrica Spirillum serpens peritrica Proteus vulgaris
- 11. El filamento Estructura cilíndrica helicoidal, rígida y hueca de localización extracelular. Mide 5- 15 µm de largo y 14-20 nm de diámetro. Está constituido de subunidades de un sólo tipo de proteína llamada flagelina. filamento Vibrio cholerae
- 12. Características del filamento La longitud y amplitud de la onda es constante en cada especie. Se sintetiza por autoensamble y las subunidades de flagelina se van incorporando al extremo distal, dando una hélice izquierda. Constituye el antígeno “H”, y es específico de especie (p.e. Salmonella). Se aíslan fácilmente por agitación mecánica. La relación entre la estructura y forma de hélice izquierda del filamento, permite que la fuerza rotacional se convierta en una fuerza de traslación que genera un “empuje mecánico”. flagelina
- 13. El gancho Estructura curvada, flexible y hueca de unos 50 a 80 nm de longitud, y de 5-20 nm de diámetro de localización extracelular. Constituido de una proteína diferente a la flagelina, similar en todas los flagelos. Actúa como un acoplante flexible que permite que se transmita la fuerza de rotación al filamento. gancho
- 14. El cuerpo basal Es un complejo multiproteico embebido en la membrana citoplásmica y en la pared celular, que ancla el flagelo a la célula, y en él se localiza el motor flagelar. anillo S anillo M anillo L anillo P anillo C proteinas Mot membrana externa membrana citoplasmática peptidoglicana barra citoplasma
- 15. Componentes del cuerpo basal Todos los componentes son de naturaleza proteica. Los anillos SM de localización membranal, constituyen parte del “rotor” del motor flagelar. Los anillos P y L, se localizan en la peptidoglicana y en el lipolisacarido de la membrana externa respectivamente, forman un cilindro que permite al eje central rotar libremente. El eje central o barra, funciona como una flecha conductora unida a los anillos MS y se encarga de transmitir la rotación al gancho y al filamento. Las proteínas MotA y Mot B, se localizan rodeando a los anillos MS. Constituyen el canal de protones que permite el acoplamiento entre el gradiente electroquímico y el rotor. MotB o “estator” también sirve de anclaje del motor flagelar El anillo C, se localiza en el citoplasma (proteínas FliG, FliM y FliN entre otras). Constituye el interruptor o “switch” y controla el cambio de dirección de rotación del motor.
- 16. Diferencias en el cuerpo basal de las bacterias Gram positivas y Gram negativas Las bacterias Gram positivas sólo presentan los anillos MS Anillo S Anill o M Bacteria Gram negativa Bacteria Gram positiva
- 17. Motor rotatorio flagelar “rotor” “estator” Eje central o barra interruptor o “switch”
- 18. Composición del motor rotatorio flagelar interruptor o “switch” Recibe la información del sistema traductor quimiotáctico para indicar el giro en un sentido o en otro. “rotor” Rota en un sentido o en otro, la energía deriva de la fuerza protomotriz. “estator” Es el anclaje que mantiene fijo al motor en una sola región transmembranal y forman un canal de transporte para los protones (H+) ó Na+. Eje central o barra Al estar unido a los anillos MS, rota junto con ellos y transmite el movimiento a los anillos P y L y al gancho. “rotor” H+ ó Na+ barra Proteínas Mot A y B Anillo C Sistema sensor anillos MS “estator” “interruptor o “switch” “rotor” anillo L anillo P
- 20. Características del movimiento flagelar El motor es bidireccional, esto es, rota en el sentido o en contra de las manecillas del reloj. La energía que propulsa al motor deriva de un gradiente iónico transmembranal, ya sea de protones ó de iones sodio (en el caso de bacterias alcalofílicas). El motor convierte el gradiente electroquímico o f.p.m. en un trabajo mecánico. Por cada rotación se translocan aproximadamente 256 protones. El motor puede llegar a rotar hasta a 1100 r.p.s. (Vibrio algynoliticus). La bacterias pueden nadar de 20-100 um/seg.
- 21. El motor es bidireccional Si gira en sentido contrario a las manecillas del reloj, provoca que los distintos filamentos se organicen formando un haz paralelo al eje longitudinal de la célula, donde cada uno gira independientemente. Se genera una fuerza de propulsión y se produce en nado en una trayectoria relativamente linear. Si gira en sentido de las manecillas del reloj, provoca que los filamentos se desorganizen adquiriendo un aspecto "rizado“ y que no estén coordinados entre sí, lo que ocasiona que la célula de movimientos al azar en los que se reorienta sin que exista desplazamiento.
- 22. “Taxis” Es la capacidad de los organismos para responder a diversos estímulos ambientales como luz, oxígeno, pH, temperatura, presión, osmolaridad y diferentes compuestos químicos. Los tactismos más comunes en bacterias son: quimiotaxis, magnetotaxis, aerotaxis y fototaxis.
- 23. “Quimiotaxis” Es el movimiento de un organismo en respuesta a un gradientes químico de concentración. La respuesta dependerá de si es gradiente está dado por un atrayente o un repelente. La presencia de proteínas “sensoras” y un sistema traductor que lleva la señal a la base del flagelo, es la base de la respuesta quimiotáctica.
- 24. Tipos de Quimiotaxis Si el gradiente está dado por un atrayente, la respuesta está dada por movimientos direccionales de acercamiento al gradiente y se conoce como quimiotaxis positiva. Ejemplo de de atrayentes: aminoácidos, azúcares, péptidos y ácidos carboxílicos. Si el gradiente está dado por un repelente, la respuesta está dada por movimientos direccionales de alejamiento del gradiente y se conoce como quimiotaxis negativa. Ejemplo de repelentes: alcoholes, ácidos etc. atrayente repelente
- 25. Movimiento del flagelo en ausencia y presencia de un gradiente. En un medio ambiente uniforme, las bacterias se mueven a través de una serie de nados, interrumpidos por periodos de reorientación. Esto da como resultante un movimiento al azar en su entorno. ausencia de gradiente movimiento recto (carrera) movimiento al azar (corridas) En presencia de un gradiente, las bacterias responden con un movimiento neto hacia una situación favorable en relación al gradiente. El motor recibe la señal de disminuir la frecuencia de la rotación en el sentido de las manecillas del reloj, aumentándose con esto los periodos de natación en línea recta o carrera. La resultante es avance. presencia de un gradiente de atrayente movimiento recto (carrera) movimiento al azar (corridas)
- 26. Características del sistema traductor de la quimiotaxis Se encarga de convertir los estímulos extracelulares en una señal intracelular dirigida a producir una respuesta. Permite a la célula responder a un cambio de concentración más que a una concentración absoluta, esto es, integrar la información temporalmente, comparan los estímulos sensoriales pasados con los actuales. Permite a la célula “desensiblizarse” y regresar al comportamiento de nado-voltereta. Es muy complejo, en el participan muchas proteínas y al menos dos formas de regulación que son: la fosforilación de Che A y la metilación MCP.
- 27. Componentes del sistema traductor de la quimiotaxis Proteína quimiotácticas aceptoras de metilo (MCP). Son las proteínas sensoras, de localización transmembranal, se pueden unir directamente a los atrayentes y repelentes o a través de proteínas periplásmicas. Cada MCP puede detectar varios compuesto. No influye directamente sobre la rotación del flagelo, sino a través de una serie de seis proteínas citoplasmáticas. Proteínas citoplasmáticas solubles: CheA, CheW, CheY, CheZ, CheR y CheB, traducen la señal desde el quimioreceptor hasta el interruptor de motor flagelar. CheA, CheW y CheZ regulan el nivel de fosforilación de CheY. CheY es la proteína reguladora que interacciona con la proteína FliM del interruptor, y modula la dirección de la rotación, por lo tanto la frecuencia del nado y de la reorientación. CheR y CheB, modulan el grado de metilación de MCP, son parte del circuito de retroalimentación que detienen las respuestas motoras cierto tiempo después de iniciarse.
- 28. El sistema transductor de las señales Los bajos niveles de atrayente, provoca una disminución en la ocupación en la proteina MCP, y su unión a CheW promueve la fosforilación de CheA (CheA~P), quien a su vez fosforila CheY (regulador de la respuesta). CheY~P, transmite la señal a la proteína FliM, y provoca el disparo del interruptor como un giro en el sentido de las manecillas del reloj, el resultado es una reorientación celular o volteretas. CheZ rápidamente desfosforila a CheY. La vida corta de CheY~P hace a la bacteria muy sensible a los cambios de concentración del atrayente. El complejo MCP-atrayente, provoca cambios en su conformación y junto con CheW, disminuyen los niveles de fosforilación de CheA, por lo que disminuyen los de CheY~P. Ahora la señal a la proteína FliM es la de girar en contra de las manecillas del reloj, el resultado es un nado hacia la concentración favorable. Este sistema regulador parece ser incapaz de notar los cambios a través del tiempo. Por otro lado, CheA~P puede también fosforilar a CheB, que es el otro regulador de la respuesta quimiotáctica.
- 29. Sistema transductor de adaptación El grado de metilación y desmetilación de MCP afecta su conformación y controla la adaptación a una señal química. Permite reiniciar el nivel de sensibilidad de los receptores aunque los compuestos químicos permanezcan sin cambio. CheR añade continuamente grupos metilo a MCP y CheB elimina los restos de metilo de MCP. Si el nivel del atrayente es alto, los niveles de fosforilación de CheA (y por lo tanto de CheY y de CheB) permanecerán bajos y la célula nada. El nivel de MPC~Met aumentará porque CheB~P no está presente para desmetilar. Cuando MPC es metilado totalmente, no responde a los atrayentes, por lo que los niveles de CheA~P y por consiguiente de CheY~P se incrementan, el resultado es que la célula da volteretas. MPC~Met puede ser desmetilada por CheB, ahora MCP desmetilado responde a los atrayentes y la respuesta vuelve a ser de nado.
- 30. Esquema del sistema traductor de la señal quimiotáctica atrayente Proteína MCP motor flagelar Membrana citoplasmática
- 31. Los flagelos de las espiroquetas Las espiroquetas son bacterias helicoidales extremadamente finas, en ellas los flagelo se localizan enrollados entre el cilindro protoplasmático y la membrana externa. Reciben el nombre de endoflagelos o fibras axiales. fibras axiales protoplasma membrana externa
- 32. Características de los endoflagelos Estructuralmente son similares a los flagelos antes descritos. Están unidos al cilindro protoplasmático en uno de sus polos. Al girar los flagelos de los dos extremos en el mismo sentido, obligan a girar al cilindro rígido en un sentido, y a la membrana externa en sentido contrario, el resultado es un movimiento de tirabuzón (flexión y giro). El movimiento generado es resultado de adaptaciones evolutivas que les permiten a las espiroqueta el rápido avance en medios de alta densidad como fangos espesos, mucosas de los animales, etc. Membrana externa Cuerpo celular Filamentos axiales Membrana externa Membrana externa
- 33. El flagelo en las arqueas Lo miembros móviles de estos procariotes presentan una estructura fundamentalmente distinta a la descrita para las bacterias. El flagelo es una estructura más delgada pero que también rota utilizando un gradiente de protones. Presenta un gancho, pero no se tiene una demostración evidente de un cuerpo basal con anillos, esto debido tal vez, a las diferencias en la composición en la pared celular en las arqueas o tal vez porque la estructura es más frágil. Presentan una estructura de anclaje compuesta de proteínas específicas en las arqueas. La diferencia fundamental es que, los genes que codifican para las estructuras del flagelo en bacterias no se han descrito en las arqueas. Su flagelina carece de una secuencia similar a la flagelina de los filamentos de los flagelos de las bacterias y parece tener mayor similitud con las proteínas de las pilinas tipo IV, estructuras novedosas involucradas con la movilidad (ver más adelante). Sin embargo, a pesar de estas diferencias, presentan un sistema traductor quimiotáctico similar al de las bacterias. Se han encontrado proteínas químiotácticas homólogas a la mayoría de las presentes en las bacterias.
- 34. El movimiento deslizante Se presenta en cianobacterias y mixobacterias, el mecanismo involucra la salida de copiosas cantidades de material mucoide de una estructura llamada poro complejo de unión, el cual provee el empuje para la locomoción. Los poros mide de 14-16 nm y forman filas que rodean ambos lados de la pared celular. Las bacterias pueden deslizarse en superficies sólidas a una velocidad de 3 µm/seg, dejando un rastro mucoide. Dependiendo del organismo, otros mecanismos parecen estar involucrados en el movimiento deslizante. Capa S secreción mucoide membrana externa poro complejo membrana citoploplasmá- tica
- 35. Estructuras novedosas involucradas en el movimiento de los procariotes 1. Presencia de un pili tipo IV Se observó en Pseudomonas aeruginosa y en algunas bacterias deslizante que presentan movimiento social. El pili no presenta un canal interno y es capaz de extenderse y retraerse. El movimiento de la célula solo es visible durante la retracción del pili, donde las células parecen ser empujadas. 2. Presencia de una “estructura dentada” en bacterias deslizantes. Se observó en los géneros Cytophaga y Flavobacterium. La estructura se forma entre proteínas especiales de la membrana citoplasmática y proteínas de la membrana externa. El movimiento de las proteínas de la membrana citoplasmáticas puede se derivado de una f.p.m. que al interaccionar con las proteínas de membrana externa resulta en el movimiento de la célula hacia adelante, el mecanismo exacto aún es desconocido. 3. Presencia de un citoesqueleto contráctil en Spiroplasma. Spiroplasma es un organismo móvil no flagelado que carece de pared celular, pero tiene una membrana unida a un citoesqueleto interno formado de siete fibras que se extienden a lo largo de la célula. La movilidad se debe a las contracciones lineales del citoesqueleto y su interacción con la membrana citoplasmática. Se piensa que actúa como un motor lineal.
- 36. 4.1.2.2 PILIS Y FIMBRIAS fimbrias Escherichia coli
- 37. Características generales de los pilis y las fimbrias Son apéndices rectos rígidos, delgados, cortos y huecos. Miden 3 a 20 nm de longitud y 3 a 10 nm de diámetro. Sólo son visibles al microscopio electrónico. Se originan en la membrana citoplasmática. Están constituidos de una proteína llamada pilina (17 Kda.), con un arreglo helicoidal y dejando un hueco central. Están presentes principalmente en las bacterias Gram negativas. Pueden estar codificados en los plásmidos o en el cromosoma. Su síntesis es autónoma.
- 38. Fimbrias Son apéndices muy cortos de 4 a 7 nm de diámetro, que se presentan en gran número y repartidos por toda la superficie, tienen la función de adhrencia. Proteus vulgaris fimbrias
- 39. Funciones de las fimbrias adherentes Favorecen la formación de películas en la superficie (microcolonias y velos). Se pueden adherir a superficies inertes como las rocas. Se pueden adherir a tejidos animales y vegetales, pudiendo ser un factor de patogenicidad. La función de adherencia no reside en la pilina, sino en una proteína especial de la punta del pelo llamada lectina. Los genes que codifican para las adhesinas son de localización cromosómica. Escherichia coli adheridas a células epiteteliales
- 40. Pilis Son más largos y más gruesos que las fimbrias y se presentan de 1 a 10 por célula. Los pili F permiten ponerse en contacto una célula F+, dotada del pili F, y una célula F-, carente de él. pili FCélula F+ Célula F-
- 41. Características generales de los pilis F También reciben el nombre de pili sexual. Están determinados genéticamente por los plásmidos conjugativos (plásmido F) que tienen replicación autónoma. Permiten el contacto célula-célula para la transferencia de información genética, indispensable para que se lleve a cabo el proceso de conjugación. Son receptores específicos fagos.
- 43. Características de las prosteca rosetas Son prolongaciones de la membrana citoplasmática semirrígidas que se presentan en un grupo específico de bacterias. Tienen un diámetro menor que el cuerpo celular y están rodeadas por la membrana y la pared celular. Tiene forma de yema, hifa o pedúnculo. Permiten la agrupación en rosetas en la bacteria del género Caulobacter.
- 44. Funciones de la prosteca Sirven como una estructura de unión a los sustratos inertes como las rocas. Aumentan la relación superficie/volumen y permiten: 1. Tener una mayor capacidad de flotabilidad en ciertas bacterias planctónicas 2. Tener una mayor superficie para la captación de nutrientes en ambientes oligotróficos en bacterias del género Prosthecomicrobium. Tienen alguna funcionan en el proceso de reproducción en las bacterias del género Hyphomicrobium.
- 45. BIBLIOGRAFÍA 1. Atlas, R.N. 1988. Microbiology: fundamentals, and applications, 2nd edition. MacMillan. New York, N. Y. USA. p. 72-74, 77-78. 2. Bardy, S.L., S.Y.M. Ng y K.F. Jarrell. 2003. Procaryotic motility structures. Microbiology, 149, 295-304. 3. Lim, D. 1998. Microbiology. 2nd edition. WCB/McGraw Hill. Boston, Mass. USA. p. 62-65. 4. Madigan, M.T., J.M. Martinko y J. Parker. 2000 Brock Microbiology of microorganisms, 9th edition. Prentice Hall. Upper Saddle River, N.J., U.S.A. p. 79- 86, 231-233. 5. Pelczar Jr. M.J., E.C.S. Chan y N.R. Krieg. 1993. Microbiology concepts and applications. McGraw Hill. New York, N.Y. USA. p. 112-118. 6. Prescott L.M., J.P. Harley, D.A. Klein. 1999, Microbiología, 4th edition. McGraw Hill Interamericana. Madrid, España. p.60-67. 7. Tortora, G.J., B.R. Funke y C.L. Case. 2001, Microbiology: an introduction, 7th edition, Benjamin Cummings, San Francisco, USA. p.82-85.