Citología y morfología bacteriana Cátedra de Microbiología

Bibliografía Brock, Madigan, Martinko, Parker. 2000 Biología de los microorganismos, 8 ed, Prentice Hall Prescott, Harley, Klein 1999 Microbiología, McGraw-Hill Interamericana. Página web de la Cátedra. www.fq.edu.uy Página de la Universidad de Wisconsin: www.bact.wsic.edu

Esquema Microorganismos, qué son?. Tamaño y forma Diferentes formas de organización celular Pared (gram +, gram-, Archaea) Membrana. Citoplasma y genoma. Estructuras típicas: Fimbrias, pili, flagelo, endoesporas, inclusiones citoplasmáticas, cápsula. Diferencias entre Bacteria, Archaea y Eucarya.

Qué son los microorganismos? Organismos que no pueden verse a simple vista, al menos en parte de su ciclo Organismos que viven como células aisladas o entidades que contienen acidos nucleicos capaz de replicarse, por lo menos en parte de su ciclo. Incluye algas, hongos, protozoarios, bacterias y virus.

Historia Microbiología 1664, Robert Hooke, células vegetales. 1673, Anton van Leeuwenhoek, mercader de telas, describe los microorganismos. 1877, Robert Koch, método de tinción, desarrollo de medios de cultivo sólido.

Microscopios Ojo humano 0.2mm. Microscopio óptico , resolución máxima 0.2 micras (1 micra). Microscopio electrónico, resolución máxima 0.5nm

PROCARIOTAS

CLASIFICACIÓN DE LOS SERES VIVOS TIPOS CELULARES DOMINIOS* (Woese et al.,1990) TIPOS ORGANISMOS REINOS (Whittaker, 1969) PROCARIOTA 1. BACTERIA :BACTERIAS COMUNES (EUBACTERIAS)1. CIANOBACTERIAS (algas verde-azules) 2. ARCHAEAMICROBIOS EXTREMÓFILOS** (ARQUEOBACTERIAS): hipertermófilos, psicrófilos, halófilos, acidófilos, alcalinófilos, termoacidófilos, metanógenos MONERA

3. EUCARIOTA EUCARYA PROTOZOOS2 3. EUCARIOTA EUCARYA PROTOZOOS2. PROTISTACRISOFITAS (algas diatomeas)EUGLENOIDESPROTISTAS ALGALES (algas verdes, pardas y rojas)MOHOS,HONGOS3. HONGOSBRIOFITAS Y TRAQUEOFITAS4. PLANTASVERTEBRADOS E INVERTEBRADOS5. ANIMALES

MODELO DE WOESE ET AL Basado en las secuencias en los nucleotidos en los Ribosomas y RNAs de transferencia de la célulala, la estructura de los lípidos de la membrana y la sensibilidad a los antibióticos. Los tres dominios son Archaea (archaebacterias), Bacteria (bacterias), y Eukarya (eucariotas).

Archaea (Archaebacteria Células Prokariotas. Al contrario de Bacteria y Eukarya, tienen membranas compuestas de cadenas de carbono ramificadas unidas al glicerol por uniones de éter y tienen una pared celular que no contiene peptidoglicano. Mientras que no son sensibles a algunos antibióticos que afectan a las Bacterias, son sensibles a algunos antibióticos que afectan a los Eukarya. Los Archae tienen rRNA y regiones del tRNA claramente diferentes de Bacterias y Eukarya. Viven a menudo en ambientes extremos e incluyen a los metanógenos, halófilos extremos, y termoacidófilos.

Bacteria (Eubacteria) Las Bacterias son células Prokariotas. Como los Eukarya, tienen membranas compuestas de cadenas de carbono rectas unidas al glicerol por uniones éster. Tienen una pared celular conteniendo peptidoglicano, son sensibles a los antibióticos antibacterianos tradicionales, y tienen rRNA y regiones del tRNA claramente diferentes de Archaea y Eukarya. Incluyen a mycoplasmas, cyanobacteria, bacterias Gram-positivas, y bacterias Gram-negativas.

Eukarya (Eukaryota) Los Eukarya (escrito también Eucaria) son Eukariotas. Como las Bacterias, tienen membranas compuestas de cadenas de carbono rectas unidas al glicerol por uniones éster. Si tienen pared celular, no contiene ningún peptidoglicano. No son sensibles a los antibióticos antibacterianos tradicionales y tienen rRNA y regiones del tRNA claramente diferente de Bacterias y Archaea. Incluyen a protistas, hongos, plantas, y animales.

TAMAÑO: célula eucariota versus célula procariota

Tamaños

Formas

FORMA DE LAS BACTERIAS cocos bacilos espirilos

Area de superficie vs. volumen Tamaño pequeño intercambio más eficiente, permite mayor velocidad metabólica

Estructura celular

Pared celular Bacteria: Archaea: Gram positivo Gram negativo Sin pared Diversas estructuras

Funciones de la pared Rigidez (mantener la forma, evitar la lisis). Comunicación con el medio exterior. Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Barrera para algunas moléculas. Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)

Formación de Protoplastos Baja concentración de solutos Alta concentración de solutos Lisozima -- proteína que rompe el enlace glicosídico 1-4 en el peptidoglicano

Gram- Bacteria Gram +

MUREÍNA O PÉPTIDO-GLICANO Compuesto químico característico de bacterias.

Estructura del Peptidoglicano

Pared Celular Gram Positiva

Acidos Teicoicos Polisacáridos ácidos de paredes de Gram positivos Unidos covalentemente al peptidoglicano(OH del C6 de NAM) Atraviesan la pared y alcanzan la superficie de la bacteria Unión hidrofóbica a la membrana celular

Otros compuestos químicos característicos de la pared de Gram+ Ácidos teicurónicos Ácidos micólicos

Membrana Externa de Gram Negativos Porinas - proteinas que permiten el pasaje de moléculas pequeñas a través de la membrana -- específicas e inespecíficas

Lipopolisacárido (LPS) Solo en bacterias Gram negativas Parte de la membrana externa

Lipopolisacárido (LPS) Lípido A (NAG-P + grupos acilos) Núcleo del polisacárido contiene KDO (cetodesoxioctonato) otros carbohidratos (ramnosa, ácido galacturónico) usualmente específico de especies O-antigeno número de repeticiones variables también contiene carbohidratos específico de cepa A menudo tóxico para animales - endotoxina Crea superficies densamente hidrofílicas

Periplasma de E. coli Proteínas de peiplasma de E.coli. Proteínas de unión para amino acidos (e.g. histadina, arginina) para azúcares (ej. glucosa, maltosa) para vitaminas (ej. thiamina, vitamina B12) Para iones (ej. fosfato, sulfato) Enzimas de biosíntesis Ensamblado de mureína formación de fimbrias Enzimas de degradaciónde polímeros fosfatasas proteasas Enzimas detoxificantes Beta-lactamasas (e.g. penicillinasa) Fosforilación de aminoglicósidos

Algunas bacterias no poseen pared Mycoplasma Membrana celular mas gruesa pueden tener esteroles y lipoglicanos. Pleiomórficos

Pared celular de Archaea No contiene peptidoglicano Puede ser de pseudopeptidoglicano (pseudomureina) tiñe G+ pseudomureina cubierta de proteina,tiñe G+ monocapa superficial de proteina o glicoproteina, sin pseudomureina (alg halófilos, alg.metanogénicos y termoacidófilos) tiñe G- Existen Archaea sin pared

Pseudopeptidoglicano de Archaea

Funciones de la pared Rigidez y resistencia osmótica (mantener la forma, evitar la lisis). Comunicación con el medio exterior. Puede estar involucrada en patogenicidad (LPS) Barrera para algunas moléculas (porinas en gram negativos). Espacio periplásmico (enzimas de transporte, hidrolíticas, etc.)

Cómo se sintetiza la pared?

Síntesis de Peptidoglicano Bactoprenol (C55 alcohol isoprenoide) -- carrier lipídico que transporta el disacáride pentapeptido del citoplasma al periplasma y lo inserta en la pared celular en crecimiento La transpeptidación, es inhibida por penicilina

Transpeptidación Inhibido por la penicilina G.

Síntesis de peptidoglicano: transpeptidación Inhibido por la penicilina G.

Síntesis de la pared celular La pared celular se abre por autolisinas y se deposita nuevo péptidoglicano

La membrana celular Estructura: Bicapa fosfolipídica con proteínas embebidas; puede contener también hopanoides de estructura similar al colesterol. En Archaea, éteres de alcohol isoprenoide, algunas forman monocapas.

Estructura de la Membrana Citoplasmática

Los lípidos en Bacteria y Archaea tienen diferentes enlaces químicos Ester - Bacteria Eter - Archea

Funciones de Membrana Citoplasmática Barrera de Permeabilidad sólo moléculas pequeñas, sin carga, hidrofóbicas, pueden atravesar la membrana por difusión. Ancla de Proteínas transporte, generación de energía, quimiotaxis Generación de fuerza proton motriz En fototrofas: Intracitoplasmáticas, soportan el aparato fotosintético (Vesículas, túbulos, tipo tilacoides) Síntesis de pared, y estructuras extracelulares.

Membrana citoplasmática de E. coli

Estructura celular procariota - DNA No tiene núcleo. El DNA está en el citoplasma: “nucleoide” : zona que ocupa el DNA. Es haploide. Genoma: una única molécula de DNA de doble cadena, circular. El genoma contiene 1 - 6 x 106 pares de bases (bp) en procariotas de vida libre; 1000-5000 genes No contiene histonas. Puede contener otros elementos genéticos no indispensables para la vida: plásmidos y genomas fágicos.

Procariotas No tienen membrana nuclear. No hay porcesamiento del ARNm La transcripción está ligada a la traducción.

Tamaño del Genoma

DNA Cromosomal

Citoplasma Proteínas (enzimas, complejos enzimáticos, estructurales) Ribosomas (70S: 55 proteínas, rRNA 5S, 16S, 23S)- polisomas mRNA, tRNA Otras macromoléculas, solutos Sin estructura visible al microscopio No tienen citoesqueleto.

Estructuras características Estructuras con funciones específicas. No todos los microorganismos las tienen. Son características de género y especie (taxonomía) Ejemplos: fimbrias, flagelo, pili, endoespora, cápsula, inclusiones citoplasmáticas

Fimbrias - Pili Fimbria - filamento proteico corto, involucrado en funciones de adhesión a superficies. Pelo sexual - unión a célula receptora durante la conjugación.

Flagelos

Flagelo 1000 H+ / revolución > 40 genes involucrados

Flagelos Sólo detectados por técnicas de tinción específicas

Anaerobaculum mobile sp. nov. Flagelo insertado lateralmente Barra 0,5 micras

Endosporas Resistencia al calor, radiación, desecación. Producidas principalmente por los géneros Bacillus y Clostridium Permite la supervivencia en ambientes desfavorables DNA protegido por ácido dipicolínico y proteínas Luego de la activación por stress, la disponibilidad de nutrientes dispara la germinación y el crecimiento La localización de la espora en la célula puede ser usada para la identificación

Estructura de la espora

Acido Dipicolinico Característico de endosporas

Fromación de esporas A- el ADN se duplica y enrolla alrededor del eje central (filamento axial) B- Uno de los cromosamas se rodea de membrana plasmática. C- el protoplasto es rodeado por la célula madre D- se sintetizan las cubiertas de la espora. E- se elimina agua, se forma estructura resistente al calor. F- se libera la espora por lisis de la célula madre. En B. subtilis 6-7 horas, 50 genes.

Inclusiones citoplasmáticas Algunas bacterias tienen estructuras internas gránulos de almacenamiento - polifosfato,azufre, polihidroxibutirato (PHBs) vesículas de gas – flotación Carboxisomas, clorosomas.

Inclusiones citoplasmáticas Organismos donde se encuentran Composición Función Glicógeno Varias bacterias (E. coli) poliglucosa Reserva de C y energía Polihidroxi Butirato Varias bacterias (Pseudomonas) Polímero de dihidroxibutirato Polifosfato Varias bacterias (Corinebacterium) Polímeros de fosfato Reserva de fosfato Gránulos de S Fotótrofas del S Litótrofas del S S elemental Reserva de S Vesículas de gas Bacterias acuáticas Estructura proteica flotación Magnetosomas Algunas bacteris acuáticas Magnetita Fe3O4 Orientación en campo magnético Carboxysomas Bacterias autotróficas Enzimas fijación de CO2 Fijación de CO2 Chlorosomas Bacterias verdes Lípidos, proteínas bacterioclorofila Captura de la luz

Poly-ß-hydroxybutyrate (PHB)

Poly-ß-hydroxybutyrate (PHB)

Otros polisacáridos extracelulares Glicocalix: Material externo a la pared celular Cápsulas - Material en la superficie celular Capas mucilaginosas - Material adherido, menos fuertemente Capa S: Subunidades proteicas o glicoproteicas. G+, G- y Archaea. Pueden constituir la pared Funciones Protección contra defensas del huésped (fagocitosis) Protección contra desecación Protección contra virus, toxinas Adhesión a superficies (células, objetos inanimados) formación de biofilms.

Glicocalix Tinción negativa Microscoía electrónica

Tinción negativa

Diferencia entre la estructura celular de Bacteria, Archaea y Eucarya Propiedad Bacteria Eucarya Archaea Membrana nuclear NO SI Organelos Tamaño ribosoma 70S 80S Peptidoglicano en la pared Esteroles en membrana (hopanoides) Lípidos de membrana Ester unidos a glicerol Ester unido a glicerol Eter, ramificados

METABOLISMO Y CRECIMIENTO BACTERIANO Multiplicación por fisión binaria trnasversal proceso asexual con intercambio de inf. Genética (conjugación) Curva de desarrollo bacteriano: se duplica cada 20 min. Y continua durante 48 horas

FASES DEL CRECIMIENTO Fase de retraso : trasferencia al nuevo medio ,adaptación ( T°, nutrientes, metales trazas, productos de desecho. Producción de enzimas, inicialmente no se multiplican.

FASE LOGARITMICA Lamada fase exponencial:Iniciada la multiplicación el número de bacterias se incrementa logaritmicamente, alcanzan forma, tamaño bastante uniformes. Cada bacteria es independiente en # y tiempo en esta fase

FASE ESTACIONARIA Agotados los nutrientes los productos tóxicos del metabolismo se acumulan, la fase de multiplicación se equilibra. Se altera la suseptibilidad a los A/B

FASE DE MUERTE La fase final por falta de nutrientes esenciales y la acumulación de residuos tóxicos ocasinan una muerte rápida.Algunos activan amidasas y otras que agilisan la lisis de la pared celular