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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: Bacillus, Clostridium,
Sporosarcina.
http://pro.corbis.com/search/Enlargement.aspx?CID=isg&med
iauid=%7B1D5366E0-CE9E-4B38-982D-F452D1E583C0%7D
Endosporas bacterianas
•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 se surge
una célula vegetativa.
Esporogénesis
La esporogénesis es un proceso de diferenciación que apareció
evolutivamente en bacterias para lograr supervivencia en
ausencia de nutrientes.
http://ilovebacteria.com/spore.htm
Criterios taxonómicos
•Su diámetro relativo al de la célula madre
~Deformantes
~No deformantes
•Localización
~Subterminales
~Centrales
~Terminales
Partes de la endospora
Pared
Corteza
Protoplasto o núcleo
Cubiertas
Protoplasto
(núcleo de la endospora)
DPA
DPC
Sus componentes están inmovilizados en una matriz de quelatos
de ácido dipicolínico (DPA) con iones Ca2+ (dipicolinato de
calcio, DPC), que llega a representar el 15% del peso.
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 cereus
http://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 le 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 colored
transmission electron micrograph, 92,000X, as shown on the cover of the Jan. 1, 2004 issue of the
Journal of Bacteriology)
Pared de la endospora
•A base de un Peptidoglucano similar al de la célula vegetativa.
•Estructura muy delgada.
•Constituye lo que será la pared de la futura célula vegetativa.
•Origen: se sintetiza a partir de la preespora
Pared
Corteza o córtex
Córtex
• Al microscopio electrónico: gruesa, transparente a electrones,
láminas concéntricas, formado de un Peptidoglucano especial:
~ 30% del NAM con tetrapéptidos, pero con bajo grado de
entrecruzamiento
~ 15% del NAM tiene solo L-ala
~ 55% lactama del ácido murámico
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 es
capaz de expandirse o
contraerse.
~ Rápida autolísis durante la
germinación.
• La lactama del murámico
presenta gran resistencia a la
lisozima.
Cubiertas
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.
Bacterial endospores. Panel A shows endospores from B. subtilis
one 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 known
as the spore coat and is comprised of as many as 25 different
protomeric components assembled into discrete layers. Panel B
shows a typical SDS-PAGE (12.5%) fractionation of solubilised
spore coat proteins revealing predominant species. Ricca and
Cutting Journal of Nanobiotechnology 2003
1:6 doi:10.1186/1477-3155-1-6
Estructura insoluble e
impermeable que
impide la entrada de
numerosos agentes
químicos agresivos,
incluyendo tóxicos.
Exosporio
• Estructura membranosa
transparente, a modo de
saco delgado y flojo a
base de proteínas,
polisacáridos complejos y
lípidos
• Muy resistente a enzimas
proteolíticas
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 (espículas de PC
hacia el interior).
•Se degradan proteínas viejas y los
aminoácios se emplean en fabricar
proteínas específicas de la
esporulación.
•Se sintetizan y liberan al medio:
antibióticos y exoenzimas
(proteasas, amilasas, ribonucleasas,
etc.).
http://www.ugr.es/~eianez/Microbiologia/09esporas.htm
Fase II (t1-t2)
•Se termina el septo acéntrico en uno de los
polos (el otro septo no se completa, aborta).
•Cada nucleoide queda en un:
~Compartimiento pequeño, la prespora.
~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 prespora
•Resultado: prespora posee dos
membranas, con polaridad
opuesta.
•La síntesis de proteínas sigue en la
célula madre, pero se detiene en
la prespora.
Fase IV (t3-t4)
• Formación de la corteza:
deposición de PG de la célula
madre entre las dos membranas
de la prespora. 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 prespora 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 y liberación de la espora.
•El exosporio pierde agua y se pega a las cubiertas.
Propiedades biológicas de las
endosporas
• 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. Refrigencia al microscopio óptico. Mecanismo:
~ 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.
Scanning Electron Micrograph of
the Endospores of Bacillus anthracis
Propiedades biológicas de las
endosporas
• Resistencia a los rayos UV:
~ Absorción de UV por cubiertas.
~ Presencia del DPC.
~ Las proteínas SASPs forman complejos con el ADN.
~ Por la deshidratación del protoplasto no se generan
dímeros de pirimidina.
~ Por la presencia de las SASPs se genera fotoproducto de la
espora, que será reparado durante la germinación.
• 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.
¿?
Germinación
de la
endospora
Fases:
• Preactivación
• Activación
• Germinación
• Crecimiento ulterior (entrada
en fase vegetativa)
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 → 2fosfoglicerato → PEP → ATP
~ SASPs se hidrolizan por una
proteasa activa y los
aminoácidos 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 thuringiensis
y B. popiliae.
• Cristales proteicos octaédricos
(bipiramidales) formados en el
esporangio durante la
esporulación.
• Agregación regular de
subunidades de una
glucoproteína de 120 kD en
fase IV (proteínas Cry).
• Son insecticidas ecológicos,
específicos frente a larvas de:
coleópteros y dípteros.
Toxinas Cry
Toxinas Cry
• Actúa como insecticida.
• Oruga ingiere materia vegetal con bacterias esporuladas que
producen Cry.
• La proteína Cry se disuelve en el tracto digestivo. El pH alcalino
provoca la proteolísis 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
Clostridium perfringens
• Intoxicación alimentaria
(Diarrea, enterotoxina)
• Gangrena gaseosa
(hemolisinas, proteasas,
lipasas, colagenasas,
hialuronidasas, etc.)
Geobacillus stearothermophilus
•Bioindicadores de
esterilización en autocalve
Negativo Positivo
Esporas bacterianas
Esporas fúngicas
Reproducción Sexual en
hongos filamentosos y
levaduriformes
Zigosporas
Ascosporas
Basidiosporas
Quistes o Cistos bacterianos
Quistes de Azotobacter
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
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