¡Descarga MICROBIOLOGIA-TEMA 5 y más Apuntes en PDF de Microbiología solo en Docsity!
Tema 5. Paret cel·lular en Bacteria i Archaea
Els citoplasmes de les cèl·lules procariotes mantenen una alta concentració de soluts dissolts, i en una cèl·lula tipus això genera una pressió osmòtica significativa (unes 2 atmosferes). Per suportar aquesta pressió i impedir l’explosió de la cèl·lula (lisi cel·lular) la majoria de les cèl·lules de Bacteria i Archaea consten d’una paret.
A més d’impedir la lisi osmòtica, la paret cel·lular confereix forma i rigidesa a la cèl·lula. El coneixement de la seva estructura i funció és important per entendre el funcionament dels organismes procariotes i té àmplies aplicacions farmacèutiques, ja que representen una diana ideal per a fàrmacs en tant que les cèl·lules eucariotes no consten de paret.
1.- El peptidoglicà
Les espècies del domini Bacteria es poden dividir en grampositives i gramnegatives en funció de la reacció que presentin a la tinció de gram (S. XIX), i les diferències a nivell de paret cel·lular són el fonament d’aquesta reacció.
La paret cel·lular dels bacteris gramnegatius consta almenys de dues capes membranoses (membrana interna + peptidoglicà + membrana externa), metre que els bacteris grampositius consten d’una paret amb un peptidoglicà més gruixut i amb una única membrana.
QUÍMICA DEL
PEPTIDOGLICÀ
Figura 1. Tinció de gram
Figura 2. Bacteri grampositiu i gramnegatiu
QUÍMICA DEL PEPTIDOGLICÀ
Les parets dels bacteris tenen una capa rígida, el peptidoglicà, que és la responsable principal de la resistència de la cèl·lula. El peptidoglicà és un polisacàrid composat per dos sucres: N-acetilglucosamina (NAG) i àcid N-acetilmuràmic (NAM) i uns pocs aminoàcids. Es tracta d’un polímer amb residus peptídics, el monòmer que constitueix el peptidoglicà és una estructura del tetrapèptid de glicà. Els sucres NAG i NAM es troben units per un enllaç β(1 4) , el lisozim té capacitat d’atacar cèl·lules bacterianes perquè trenca aquest enllaç.
La part proteica del monòmer és un tetrapèptid unit a la subunitat de NAM. En el cas dels bacteris gramnegatius els aminoàcids dels tetrapèptid són L-Alanina, D-Glutàmic, diaminopimèlic i D-Alanina, en el cas dels grampositius aquests aminoàcids són els mateixos tot i que en comptes de diaminopimèlic trobem L-Lisina. És destacable que els bacteris alternen aminoàcids D i L, mentre que en eucariotes només trobem L-aminoàcids.
En la biosíntesi les cadenes llargues de peptidoglicà es col·loquen adjacents entre sí per formar una làmina que envolta a la cèl·lula. Les cadenes individuals es troben connectades per entrecreuaments entre aminoàcids. Els entrecreuament es produeixen en diferents graus en diferents espècies de bacteris, contra més entrecreuaments hi ham, més rígida és la paret.
El fenomen pel qual es dóna l’encreuament de les dues cadenes lineals d’un peptidoglicà s’anomena transpeptidació. En bacteris gramnegatius la transpeptidació és directe i en bacteris grampositius existeix un pont d’aminoàcids (pont de pentaglicina) entre les dues cadenes. En bacteris gramnegatius la transpeptidació es dóna per un enllaç peptídic entre el grup amino del diaminopimèlic d’una cadena i el grup carboxil de la cadena terminal de la D-Alanina terminal de la cadena adjacent. En bacteris grampositius la transpeptidació es produeix per mitjà d’un pont peptídic, la longitud del qual i els aminoàcids que el conformen varien segons l’espècie, en Staphylococcus aureus el pont és un pont de pentaglicina (cinc unitats de glicina). El lisozim , amb la seva capacitat per trencar l’enllaç β(14) entre els sucres del monòmer, permet que l’aigua entri al bacteri i produeixi la lisi cel·lular. El lisozim està present en algunes secrecions animals com les llàgrimes, la saliva i altres líquids corporals i funciona com a línia de defensa principal front a infeccions bacterianes. La penicil·lina també ataca l’estructura de la paret cel·lular com a mètode de defensa front a infeccions d’aquest tipus.
El peptidoglicà es troba únicament al domini Bacteria. No obstant, no tots els bacteris consten de diaminopimèlic (DAP), en el seu lloc molts tenen lisina. S’han descrit més de 100 peptidoglicans diferents pel que fa a la seva estructura química. Tot i això la porció glicà és la mateixa sempre a tots els peptidoglicans.
Figura 3. Monòmer del peptidoglicà
Figura 4. Transpeptidació
2.- Lipopolisacàrids de la membrana externa
En els bacteris gramnegatius només una petita fracció de la paret cel·lular és peptidoglicà ja que la major part la constitueix la membrana externa. Aquesta capa és com una segona bicapa lipídica que no només està formada per fosfolípids i proteïnes, sinó que també consta de polisacàrids. Els polisacàrids s’uneixen als lípids formant un complex que coneixem com a lipopolisacàrid (LPS).
Així la capa externa d’un bacteri gramnegatiu està formada per la membrana externa, que al seu torn conté porines (canals hídrics que permeten el pas de soluts), el periplasma (on trobem enzims), lipoproteïnes de Braun per l’ancoratge,...
QUÍMICA I ACTIVITATS DELS LIPOPOLISACÀRIDS
Es coneix l’estructura de LPS d’alguns bacteris. La porció polisacarídica del LPS consta de dos components: el nucli del polisacàrid i el polisacàrid O específic. El nucli del polisacàrid (en Salmonella ) està format per cetodesoxioctonat (KDO), heptoses, glucosa, galactosa i N-acetilglucosamina. El polisacàrid O específic es troben unides al nucli i és un polisacàrid específic per a cada espècie (antigen A). l’antigen A és qui estimula la producció d’anticossos per part del sistema immune.
La porció lipídica del LPS s’anomena lípid A i no és un lípid típic derivat de glicerol, sinó que els àcids grassos es troben units mitjançant grups amino d’un disacàrid. LPS substitueix a molts dels fosfolípids de la membrana externa i serveix d’ancoratge de la membrana externa amb el peptidoglicà.
Una important propietat de LPS és la toxicitat biològica per animals. Aquesta toxicitat està associada al lípid A, el terme endotoxina fe referència a aquest lípid tòxic. Algunes endotoxines causen símptomes virulents en humans i es poden transmetre per mitjà d’aliments contaminants. En bacteris patògens existeix una nomenclatura específica per a cada soca patògena ( E. coli O/57: H7), en aquest cas la O fa referència el tipus d’antigen que té i la H a que és flagel·lada.
Figura 7. Estructura externa d'un bacteri gramnegatiu
Figura 8. Estructura química del LPS
EL PERIPLASMA I LES PORINES
La membrana externa és impermeable a les proteïnes i a les molècules més grans, així s’impedeix que les proteïnes essencials per la cèl·lula escapin per difusió. Aquestes proteïnes es troben en una zona anomenada periplasma, ubicat entre les dues membranes amb uns 15 nm d’amplitud.
La majoria de proteïnes contingudes al periplasma són enzims hidrolítics que s’ocupen de la degradació inicial del aliments, proteïnes d’unió que inicien el procés de transport de substàncies o quimioreceptors que dirigeixen la resposta quimiotàctica. Aquestes proteïnes arriben al periplasma gràcies a sistemes d’exportació de proteïnes presents a la membrana citoplasmàtica.
Les porines presents a la membrana exterior esdevenen canals d’entrada i sortida de soluts. Les porines inespecífiques conformen canals plens d’aigua a través dels quals pot passar qualsevol substància petita. Contràriament les porines específiques tenen un lloc d’unió per una sola substància o per un grup de substàncies estructuralment relacionades. Les porines són proteïnes transmembrana.
TINCIÓ DE GRAM I PARET CEL·LULAR
La diferència estructural entre els bacteris grampositius i gramnegatius és la causa de la tinció de gram diferencial. En la tinció de gram es forma un complex insoluble entre el cristall violeta i el iode a l’interior de la cèl·lula. En els bacteris gramnegatius aquest complex s’extreu amb alcohol, però no en grampositives.
Durant la tinció de gram, la paret cel·lular grampositiva es deshidrata per l’alcohol que fa que els porus de la paret es tanquin i impedeixen així que s’escapi el complex cristall violeta i iode. En bacteris gramnegatius l’alcohol penetra ràpidament i extreu el cristall violeta de la cèl·lula. Així després del tractament amb alcohol les cèl·lules gramnegatives són completament invisible a no ser que es tractin amb un nou colorant.
Per fixar el cristall violeta a l’interior de les cèl·lules s’utilitza lugol. Després del tractament amb alcohol apliquem safranina durant 2 minuts per donar color a les cèl·lules gramnegatives (rosa).
3.- Síntesi de la paret bacteriana i aplicacions farmacològiques
SÍNTESI DE LA PARET BACTERIANA
A mesura que els monòmers de mureïna són sintetitzats s’incorporen instantàniament a la paret bacteriana tal i com s’explica en els punts anteriors. La formació de nova paret implica un increment de la pressió osmòtica interna de la cèl·lula, fet que acaba provocant que la cèl·lula s’eixampli.
En totes les cèl·lules bacterianes el peptidoglicà existent s’ha de tallar per permetre la inserció del peptidoglicà de nova síntesi. El bactopernol transporta als precursors de peptidoglicà a través de la membrana, fent-los suficientment per travessar la membrana citoplasmàtica.
Un cop al periplasma el bactopernol interacciona amb transglicosilases , uns enzims que inseten el precursor en el punt de creixement de la paret i catalitzen la formació del enllaç glicosídic. Abans d’això uns enzims anomenats autolisines hidrolitzen l’enllaç β(14) entre NAM i NAG per tal de tallar el peptidoglicà preexistent.
Figura 9. Síntesi de nova paret bacteriana
Figura 11. Extracte de la publicació del descobriment de la penicil·lina
4.- Paret cel·lular en Archaea
El peptidoglicà es troba absent en la paret cel·lular des Archaea i normalment tampoc trobem en elles una membrana externa a diferència dels bacteris.
En canvi, compten amb una gran varietat de tipus de paret cel·lular que poden contenir polisacàrids, proteïnes i glicoproteïnes.
Figura 13. Efecte de la penicil·lina Figura^12_. Altres antibiòtics que tenen efecte en diferents punts de la síntesi de nova paret_
PSEUDOMUREÏNA I ALTRES PARETS
La paret cel·lular de molts Archaea metanògens contenen una molècula de pèptid considerablement semblant al peptidoglicà anomenada pseudomureïna. L’esquelet està format per subunitats alternades de N- acetilglucosamina (també present al peptidoglicà) i N-acetiltalosaminurònic, també és diferencia del peptidoglicà en que els enllaços entre els dos sucres són β(13), en lloc de β(14) i els aminoàcids són tots l’enantiòmer L. Es pensa que el peptidoglicà i la pseudomureïna van aparèixer per evolució convergent.
Les parets cel·lulars d’altres Archaea no consten de pseudomureïna i en el seu lloc tenen altres polisacàrids. Algunes tenen parets conformades per diverses hexoses, altres parets molt sulfatades,... Cal destacar que les parets de Archaea no són sensibles al lisozim.
CAPES S
El tipus més comú de paret cel·lular en Archaea és la capa superficial paracristalina o capa S, formada per molècules entrellaçades de proteïnes o glicoproteïnes. Aquesta capa pot crear estructures amb simetries hexagonals, tetragonals o trimètriques, en funció del número i la classe de subunitats que la componen.
Algunes parets de Archaea estan formades tan sols per capa S, per tant, aquesta capa és suficientment forta com per suportar pressions osmòtiques per sí mateixa. No obstant, en molts organismes la capa S es troben acompanyades per altres components de la paret, normalment polisacàrids. Alguns bacteris també poden presentar capa S.
La seva funció principal és evitar la lisi osmòtica, però també pot realitzar altres funcions. També pot actuar com a filtre selectiu de substàncies procedents de l’exterior, pot retenir proteïnes a la superfície cel·lular,... Figura 14. Capa S al microscopi electrònic
