INCLUSIONES CITOPLASMATICAS.pdf

Curso de Microbiología General de Enrique Iáñez CITOPLASMA.INCLUSIONES CITOPLÁSMICAS CONTENIDOS CITOPLASMA BACTERIANO (VISIÓN DE CONJUNTO) | INCLUSIONES DE RESERVA: INCLUSIONES POLISACARÍDICAS, GRÁNULOS DE POLI-ß-HIDROXIALCANOATOS, INCLUSIONES DE HIDROCARBUROS, GRÁNULOS DE CIANOFICINA, GRÁNULOS DE POLIFOSFATO, GLÓBULOS DE AZUFRE | OTRAS INCLUSIONES: SALES MINERALES, FICOBILISOMAS | ORGÁNULOS PROCARIÓTICOS: CARBOXISOMAS, VACUOLAS DE GAS, CLOROSOMAS, MAGNETOSOMAS 1. CITOPLASMA BACTERIANO: VISIÓN DE CONJUNTO El citoplasma bacteriano es la masa de materia viva delimitada por la membrana citoplásmica. En su interior se albergan: • • • • • cuerpos nucleares (nucleoide); plásmidos (no en todas las cepas bacterianas); ribosomas; inclusiones (no en todas); orgánulos (no en todas). Al igual que en los demás seres vivos, el citoplasma es un sistema coloidal cuya fase dispersante es agua junto con diversas sustancias en solución (citosol), y cuya fase dispersa está constituida por macromoléculas y conjuntos supramoleculares (partículas submicroscópicas). La viscosidad es mayor que la del citoplasma eucariótico, estando desprovisto de corrientes citoplásmicas. Observación: A microscopía óptica, obviamente es poco lo que se puede distinguir en él. En las células jóvenes se suele teñir de modo uniforme, teniendo un carácter basófilo (debido a la abundancia de ARN). En las células viejas se tiñe irregularmente, debido a la aparición de inclusiones y a la acumulación de inclusiones de hidrocarburos d.sustancias de desecho. con ramificaciones en α (1--> 6). En los intersticios entre las partículas granuladas existe una sustancia amorfa en la que no se pueden distinguir más detalles. más transparente a los electrones. 9). y la mayor parte del C asimilado se convierte . Comenzaremos con las inclusiones y orgánulos especiales que presentan algunas bacterias (este cap. Estudiaremos: 1. y un rápido repaso al proceso de expresión de la información genética contenida en éste (cap. A microscopía electrónica destaca el carácter granulado. En esta situación.1 INCLUSIONES POLISACARÍDICAS Son acumulaciones de α (1-->4) glucanos. se detiene prácticamente la síntesis de proteínas y de ácidos nucleicos. INCLUSIONES DE RESERVA Son acúmulos de sustancias orgánicas o inorgánicas. 10. gránulos de poli-ß-hidroxibutírico (o. inclusiones polisacarídicas b. que se debe a los cuerpos nucleares (nucleoide). producido por los numerosos ribosomas (que a los aumentos habituales aparecen como partículas esféricas). para abordar después la organización a gran escala del material genético bacteriano (cap. rodeadas o no de una envuelta limitante de naturaleza proteínica. con estudio de los ribosomas bacterianos). principalmente almidón o glucógeno (según especies). y que corresponde a la fase dispersante acuosa de la que hablábamos más arriba. que se originan dentro del citoplasma bajo determinadas condiciones de crecimiento. que se depositan de modo más o menos uniforme por todo el citoplasma cuando determinadas bacterias crecen en medios con limitación de fuente de N. gránulos de cianoficina 2. Constituyen reservas de fuentes de C o N (inclusiones orgánicas) y de P o S (inclusiones inorgánicas). En este capítulo y en los próximos nos dedicaremos al estudio de las principales estructuras y macromoléculas que alberga el citoplasma. pero donde aún sean abundantes las fuentes de C y energía. Inclusiones orgánicas: a. Inclusiones inorgánicas: gránulos de polifosfato a. glóbulos de azufre 2. 8). en general de poli-ß-hidroxialcanoatos) c. aunque se observa una zona irregular hacia el centro. 2. pero carente de fuente de C. pues. como sistemas de almacenamiento de carbono osmóticamente inertes (la célula puede albergar grandes cantidades de glucosa que.1-->4 glucano aceptor}n -----------------------------------------> {α . de modo que se forma el glucógeno maduro. Degradación: glucógeno fosforilasa Glucógeno --------------------------------> n {glucosa-1-P} Para la total degradación del glucógeno se requieren también enzimas desramificadoras. estas inclusiones se usan como fuente interna de C para la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas. Observación: Para observarlas se recurre a la tinción con una solución de I2 + IK: • glucógeno: aparece de color pardo-rojizo. si estuvieran como moléculas libres dentro del citoplasma. Síntesis (veamos el ejemplo del glucógeno): fosfoglucomutasa Glucosa-6-P --------------------------------> Glucosa-1-P ADP-glucosa-pirofosforilasa Glucosa-1-P + ATP ---------------------------------------> ADP-glucosa + PP glucógeno sintetasa ADP-glucosa + {α .rápidamente en estos materiales de reserva. .1-->4 glucano}n+1 Sobre este polímero lineal actúa la enzima ramificadora (que introduce enlaces α (1-->6) con glucosa). capaces de romper los enlaces α (1-->6). podrían tener efectos osmóticos muy negativos). Cuando a estas células las pasamos a un medio rico en N. Estas inclusiones actúan. La degradación comienza con la actuación de un enzima proteolítico que desorganiza la envuelta proteica de los gránulos. que genera ß-hidroxibutírico a partir de los ésteres diméricos.7 µm de diámetro. Degradación: 1. En los gránulos. y que al igual que en el caso anterior. En las especies de Bacillus constituye la fuente de carbono y energía al inicio de la esporulación. el polímero queda asociado a un sistema complejo que será utilizado en la degradación. Pueden llegar a representar el 80% en peso de la célula. . Se tiñen bien mediante Negro-Sudán. los gránulos de PHB son visibles a microscopio óptico en fresco. debido a su elevado índice de refringencia. con una función metabólica semejante a la del PHB. que va generando dímeros de hidroxibutírico. Los gránulos así "activados" sufren ahora la acción de una despolimerasa. 2. Por ejemplo: cuando determinadas especies de Pseudomonas crecen en n-octano como fuente de carbono. estos gránulos suponen la ventaja de neutralizar un metabolito ácido (el grupo carboxilo de cada unidad de ß-hidroxibutírico desaparece como tal. Actuación de una dimerasa específica.2 GRÁNULOS DE POLI-ß-HIDROXIBUTÍRICO (PHB) Y DE POLIHIDROXIALCANOATOS (PHA) Los gránulos de poli-β -hidroxibutírico son acúmulos del poliéster del ácido ß-hidroxibutírico (= 3hidroxibutírico). se producen en ciertas bacterias como reserva osmóticamente inerte de C en condiciones de hambre de N. rodeados de una envuelta proteínica. Una función semejante parece implicada a la hora del enquistamiento de Azotobacter. que miden unos 0. 3. se acumula un polímero de ésteres del ácido ß-hidroxi-octanoico. Gránulos de poli-ß -hidroxialcanoatos (PHA): En los últimos años está quedando patente que los gránulos descritos de PHB son un ejemplo de una clase más amplia de gránulos de poli-ß-hidroxi-alcanoatos. Observación: A diferencia de los acúmulos de polisacáridos.2-0.• almidón (amilopectina): color azul. Además de la protección osmótica. 2. y que van provistos de una envuelta proteica de unos 3-4 nm de grosor. Síntesis: Se produce por una rama lateral de la ruta de síntesis de los ácidos grasos. a través de ßhidroxibutiril-CoA. pero este sistema habrá de activarse antes. al intervenir en el enlace éster con la siguiente unidad). Una célula puede contener de 8 a 12 de estos gránulos. cuando crecen en glucosa y propiónico producen copolímeros aleatorios de unidades de β -hidroxibutírico y β -hidroxivalérico (=3hidroxipentanoico). más elásticos y más biodegradables (se han empleado en la fabricación de envases) 2. Existen interesantes perspectivas de aprovechamiento económico de estos polímeros.Ciertas cepas de Alcaligenes eutrophus.o 5-hidroxibutírico y 3-hidroxibutírico son más largos. unas 500 unidades). A microscopio electrónico aparecen muy densos a los electrones. Su síntesis no está basada en el mecanismo habitual en ribosomas. que da un polímero flexible comercializado con el nombre de Biopol ®. 2. en sustitución del ATP (¿se trata en este caso de una especie de "fósil bioquímico?"). cuando aparezca el . Parece ser que la parte central de estos gránulos constituye un núcleo formado por lípidos y proteínas.5 GRÁNULOS DE POLIFOSFATOS (= GRÁNULOS DE VOLUTINA. polímeros lineales del ortofosfato. Son acúmulos de polifosfato.4 GRÁNULOS DE CIANOFICINA Muchas cianobacterias (Oxifotobacterias) acumulan grandes gránulos refringentes de reservas nitrogenadas cuando se acercan a la fase estacionaria de crecimiento. 2. en el que todos los carboxilos de las cadenas laterales están unidos con L-arginina. Se acumulan cuando algún otro nutriente distinto del fosfato se hace escaso (sobre todo cuando va desapareciendo el sulfato). de longitud variable (por término medio. Estos gránulos de cianoficina son acúmulos de un copolímero de arginina y aspártico: consta de un núcleo de poliaspártico. y la volutina se acumula a la espera de su utilización para esta síntesis de nucleicos. ya que los PHA se comportan como excelentes termoplásticos biodegradables. Los polímeros a base de 4. En algunos casos pueden constituir una fuente de energía. Por ejemplo. O GRÁNULOS METACROMÁTICOS El nombre de "metacromáticos" alude al efecto metacromático (cambio de color): cuando se tiñen con los colorantes básicos azul de toluidina o azul de metileno envejecido. ya que no se ve inhibida por el cloramfenicol. se colorean de rojo. que representan un modo osmóticamente inerte de almacenar fosfato.3 INCLUSIONES DE HIDROCARBUROS Son acúmulos de reserva (con envuelta proteinica) de los hidrocarburos que determinadas bacterias (especialmente Actinomicetos y relacionados) usan como fuente de C. En estas condiciones se detiene la síntesis de los ácidos nucleicos. la empresa británica ICI tiene patentados procesos industriales para fabricar PHA donde casi el 90% de las unidades son de hidroxivalérico. en la eliminación de fosfatos en las aguas residuales.1 INCLUSIONES DE SALES MINERALES Acúmulos grandes.6 GLÓBULOS DE AZUFRE Las inclusiones de S aparecen en dos grupos de bacterias que usan sulfuro de hidrógeno (SH2): • • las bacterias purpúreas del azufre (que usan el SH2 como donador de electrones para la fotosíntesis). OTRAS INCLUSIONES 3. esta bacteria se asegura la energía a partir de sustratros extracelulares. y mientras tanto acumula gránulos de polifosfatos. que lo usan como donador de electrones para sus oxidaciones. Los gránulos de polifosfatos tienen un interesante aspecto aplicado. 3. los niveles de ATP los mantienen a expensas de usar esos gránulos de polifosfato. ya que el S0 se reutiliza por oxidación hasta sulfato. Su síntesis se produce por adición secuencial de restos de P a PP. densos y refringentes de sales insolubles de calcio (sobre todo carbonatos) que aparecen en algunas bacterias (como Achromatium). bacterias filamentosas no fotosintéticas como Beggiatoa o Thiothrix. derivadas del uso de fertilizantes y detergentes (proceso "Renpho"). 2. (-P-)n + ATP -----> (-P-)n+1 + ADP. que en el citoplasma se acumula como glóbulos muy refringentes y rodeados de envuelta proteínica. actuando el ATP como donador: P-P + ATP ------> P-P-P + ADP. cuando en el medio se agota el sulfuro. En los lodos activados de las plantas de procesamiento de aguas y residuos es muy abundante la bacteria Acinetobacter. Estos glóbulos son transitorios. el sulfuro de hidrógeno es oxidado a azufre elemental (S0). Esto se aprovecha para eliminar concentraciones problemáticas de fosfatos en aguas residuales. que puede llegar a acumular el 24% de su biomasa bajo la forma de polifosfatos. cuyo papel parece consistir en mantenerlas en el fondo de los lagos y ríos. .nutriente originalmente limitante. Durante los periodos de aerobiosis. por lo que el lodo libera fosfatos. En ambos casos. en anaerobiosis. sin bicapa lipídica). aloficocianinas y ficoeritrina. Muchos de ellos presentan envueltas basadas en subunidades de proteínas: • • • • carboxisomas vacuolas de gas clorosomas magnetosomas. en procariotas no existen por regla general orgánulos citoplásmicos rodeados por unidad de membrana. parece más bien que se trata de reservas de dicha enzima. En algunos grupos bacterianos se pueden encontrar orgánulos citoplásmicos no rodeados por unidad de membrana (o sea. están constituidas por pilas de discos a partir de ficobiliproteínas. 4. Thiobacillus).2 VACUOLAS DE GAS . Las únicas excepciones están constituidas por los tilacoides de las Oxifotobacterias. ORGÁNULOS PROCARIÓTICOS CITOPLÁSMICOS Como ya dijimos. cromoproteínas que sirven como "antenas" para la captación de luz en la fotosíntesis de estos procariotas. 4. la disposición ordenada de los distintos pigmentos tiene un papel central en la "canalización" de la energía de la luz hacia los centros de reacción (ubicados ya en plena membrana tilacoidal) donde se localizan los complejos fotosintéticos proteínasclorofilas. confiriendo a ésta un típico aspecto "granuloso" en las micrografías electrónicas. de apariencia poliédrica con tendencia a esférica. Aunque se pensó que eran los sitos de fijación del CO2. ya estudiados en el capítulo anterior. Como se puede ver en el esquema. Como veremos oportunamente. la carboxidismutasa. adosadas a la superficie de la membrana tilacoidal de las Oxifotobacterias. Su diámetro oscila entre 50 y 500 nm.5 nm.3.2 FICOBILISOMAS Son estructuras supramacromoleculares. 4. en forma de cilindros o bastones.1 CARBOXISOMAS (= CUERPOS POLIÉDRICOS) Estructuras presentes en bacterias fotoautotrofas (Oxifotobacterias y ciertas bacterias purpúreas) y quimioautotrofas (nitrificantes. el enzima clave en el ciclo de Calvin de asimilación de CO2). El interior tiene aspecto granular. Los grupos cromóforos son: ficocianinas. y están rodeadas de envuelta monocapa proteinica de unos 3. debido a la acumulación de la enzima ribulosa-bifosfatocarboxilasa (RuBisCo. Prosthecomicrobium). Esta envuelta es impermeable al agua. hasta varias decenas. ej. por lo que la composición y concentración del gas dentro de la vesícula depende de las que existan en el medio. 4. Son invisibles a microscopía óptica. Cada vesícula tiene una forma de cilindro bicónico (200-1000 nm de longitud y unos 70 nm de diámetro). o en otras agrupaciones regulares de varios unidades. que aparecen en ciertas bacterias acuáticas flageladas microaerófilas o anaerobias (p. delimitados por una envuelta proteínica. para obtener una intensidad adecuada de luz. que al electrónico muestran una estructura a base de agrupaciones regulares de vesículas de gas.Son orgánulos muy refringentes al microscopio óptico. sin estar en continuidad con ella. concentración óptima de oxígeno o de otros nutrientes). rodeado de una monocapa de unidades globulares de proteína ensambladas helicoidalmente que dan un aspecto a bandas ("costillas"). estando rodeadas de una monocapa de proteínas. de formas cubo-octaédricas o de prisma hexagonal. permitiéndoles alcanzar la profundidad adecuada para su modo de vida (según los casos. La función de estas vacuolas es mantener un grado de flotabilidad óptimo en los hábitats acuáticos a las bacterias que las poseen.3 CLOROSOMAS Son vesículas oblongas situadas por debajo de la membrana citoplásmica. miden 100-150 nm de longitud y unos 50 nm de anchura. Las vacuolas de gas son muy frecuentes en Oxifotobacterias y Anoxifotobacterias.4 MAGNETOSOMAS Son orgánulos sensores del campo magnético terrestre. Los diversos cristales suelen disponerse en filas paralelas al eje longitudinal de la bacteria. algunas metanógenas) y en bacterias prostecadas (Ancalomicrobium. 4. aunque en muchos casos aparecen conectadas a través de un pedúnculo de naturaleza no lipídica. también se dan en algunas arqueobacterias (Halobacterium. pero permeable a los gases. Se disponen por debajo de la membrana citoplásmica.. Consisten en cristales homogéneos de magnetita (Fe3O4). que contienen los pigmentos antena de las bacterias fotosintéticas verdes (antigua familia Chlorobiaceae. en Aquaspirillum magnetotacticum). el agua va siendo eliminada del interior (véase esquema). dentro de la clase Anoxyphotobacteria). Conforme se sintetizan y ensamblan las vesículas. . Se agradecen los comentarios y sugerencias. y en el sur hacia arriba. BLAKEMORE. M. En el hemisferio Norte.A.ugr.. Physiol. MANN. 36: 217-238. que es donde encuentran las concentraciones de oxígeno adecuadas para su modo de vida BIBLIOGRAFÍA ARTÍ CULOS DE DIVULGACIÓ N BLAKEMORE. Microb. ARTÍ CULOS DE REVISIÓ N ALLEN. 31: 125-181. E.C. salvo con fines educativos. Adv. R. Ann. pp. Inv.G.Fueron descubiertas en 1975.es . determinando la orientación de su natación. FRANKEL (1982): Navegación magnética en las bacterias. R.M.B. Rev. (1992): Storage polimers in prokaryotes. y Ciencia.. R. Rev. 65 (febrero): 16-24.P. En: "Prokaryotic structure and function: a new perspective". al S. WALSBY. 37: 1-25. actualizado el 17 de agosto de 1998 © 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. A. 80-122. S. Cambridge. SPARKS.H. Inv. Prohibida su reproducción. BOARD (1990): Magnetotactic bacteria: microbiology. biomineralization. DAWES. Microbiol. y se sabe que permiten la orientación magnética a las bacterias que las poseen (bacterias magnetotácticas). el campo magnético está orientado hacia abajo. R. (1982): Magnetotactic bacteria. palaeomagnetism and biotechnology. y Ciencia 13 (octubre): 6270. Society for General Microbiology & Cambridge University Press. cuando las bacterias son removidas de los fondos donde viven. (1977): Los vacuolos gasíferos de las cianofíceas. N. Microbiol. Ann. por magnetotaxia pueden volver al fondo. Por consiguiente. (1984): Cyanobacterial cell inclusions. y las del meridional.E. Las bacterias magnetotácticas del hemisferio septentrional se orientan al N. Escríbame a [email protected].