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.

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

Son producidas por algunos miembros del grupo Bacteria especialmentepor los miembros de los géneros: Bacillus, Clostridium, Sporosarcina, Thermoactinomycetes, Sporolactobacillus y Desulfotomaculum que son bacterias Gram positivas.

Producidas por microorganismos del sueloProducidas en el interior de las célulasMetabolismo muy reducido óausenteResistentes al calorResistentes a las radiacionesResistentes a la desecaciónResistentes a los ácidosResistentes a los desinfectantes químicosResistentes a la tinción, refráctiles

ENDOSPORAS BACTERIANAS

Clostridium botulinum

•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 surge una célula vegetativa.

Endosporas bacterianas

EsporulaciónAlgunas especies de bacterias Grampositivas (principalmente de los géneros Bacillus, Clostridium, Sporosarcina y Thermoactinomyces), disponen de una serie de estrategias adaptativas cuando se ven sometidas a privación de nutrientes en su medio ambiente:

•Alcanzar un ambiente más propicio mediante la síntesis de flagelos, la quiomiotaxis, la inducción de enzimas intracelulares y extracelulares o la producción de antibióticos.

•Esporulación (estado criptobiótico).

http://ilovebacteria.com/spore.htm

Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)

EsporogénesisEs un proceso de diferenciación que apareció evolutivamente en bacterias para lograr supervivencia en ausencia de nutrientes.

•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

Membrana

Protoplasto(núcleo de la endospora)

Sus componentes están inmovilizados en una matriz de quelatosde 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 cereushttp://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 el 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 coloredtransmission electron micrograph, 92,000X, as shown on the cover of the Jan. 1, 2004 issue of theJournal of Bacteriology)

Pared de la endospora

•Estructura muy delgada.

•A base de un Péptidoglucanosimilar al de la célula vegetativa.

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

•Se sintetiza a partir de la preespora

Corteza o córtex

•Al microscopio electrónico: gruesa, transparente a electrones, láminas concéntricas, formado de un Péptidoglucano 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 escapaz de expandirse o contraerse.

¬ Rápida autolisis durante la germinación.

• La lactama del murámicopresenta gran resistencia a la lisozima.

Cubiertas

Bacterial endospores. Panel A shows endospores from B. subtilisone 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 knownas the spore coat and is comprised of as many as 25 differentprotomeric components assembled into discrete layers. Panel B shows a typical SDS-PAGE (12.5%) fractionation of solubilisedspore coat proteins revealing predominant species. Ricca andCutting 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

Múltiples eventos bioquímicos que ocurren durante la esporulación, producto de aprox. 50 operones (esporulones): 150 genes involucrados en ella (5% del genoma de B. subtilis). Genes spoLas mutaciones en ciertos genes derivan en cepas no-esporulantes. Las mutaciones en cierta fase, también evita los cambios BQ que ocurren después de ella.

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.

•Se degradan proteínas viejas y los aminoácidos se emplean en fabricar proteínas específicas de la esporulación.

•Se sintetizan y liberan al medio: antibióticos y exoenzimas(proteasas, amilasas, ribonucleasas, etc.).

Fase II (t1-t2)

•Se termina el septo acéntricoen uno de los polos (el otro septo no se completa, aborta).

•Cada nucleoide queda en un: ¬Compartimiento pequeño, la preespora. ¬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 preespora.

•Resultado: preespora posee dos membranas, con polaridad opuesta.

•La síntesis de proteínas sigue en la célula madre, pero se detiene en la preespora.

Fase IV (t3-t4)•Formación de la corteza:

deposición de PG de la célula madre entre las dos membranas de la preespora. 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 preespora 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 yliberación de la espora.

•El exosporiopierde 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. Refringencia al microscopio óptico:¬ 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 ofthe Endospores of Bacillus anthracis

• Resistencia a los rayos UV: ¬ Absorción de UV por cubiertas. ¬ Presencia del DPC. ¬ Las proteínas SASP forman complejos con el ADN. ¬ Por la deshidratación del protoplasto no se generan

dímeros de pirimidina.¬ Por la presencia de las SASP 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 Mercaptoetanol

Electron 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 thuringiensisy B. popiliae.

•Cristales proteicos octaédricos (bipiramidales) formados en el esporangio durante la esporulación.

•Agregación regular de subunidades de una glucoproteína de 120 kD(proteínas Cry).

•Son insecticidas ecológicos, específicos frente a larvas de: coleópteros y dípteros.

Toxinas Cry

Toxinas Cry

•Actúa como insecticida.•La oruga ingiere materia vegetal con bacterias esporuladas que

producen Cry. •La proteína Cry se disuelve en el tracto digestivo. El pH alcalino

provoca la proteólisis 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

Botox

Clostridium perfringens

•Intoxicación alimentaria (Diarrea, enterotoxina)

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

Geobacillus stearothermophilus•Bioindicadores de esterilización en autoclave

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