Endosporas bacterianas: resistencia y enfermedades, UNAM Biología

Endosporas Bacterianas

Endosporas bacterianas Spores are bacillus subtils

• Spore cout
• Cortex: Exceporium Core wat
• Ribosomas

Debido a su estructura y composición, son capaces de resistir periodos largos en ausencia de nutrientes y bajo condiciones de estrés ambiental; físicas y químicas muy agresivas, como radiaciones UV, calor, sequedad, disolventes, etc.

Las endosporas son formas de reposo, con muy bajo metabolismo (criptobiósis, ¡¡ viabilidad de hasta 5000 años !! O hasta millones de años).

Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Géneros Bacterianos Productores de Endosporas

Géneros bacterianos que producen endospora TABLE 9.1 Spore-Forming Bacteria Genus Characteristics Gram-positive Bacillus Aerobic/facultative anaerobes, rods Sporolactobacillus Microaerophilic, rods Clostridium Anaerobic, rods, major human and animal pathogens Desulfotomaculum Sulphate-reducing, rods Thermoanaerobacter Thermophilic (65-70℃), anaerobic, rods Thermoactinomyces Thermophilic, rods, filamentous Oscillospira Anaerobic, rods Sporohalobacter Halophilic, anaerobic, rod Anaerobacter Anaerobic, rod, fixes N2, produces up to five endospores per cell Alicyclobacillus Anaerobic, acidophilic, rods Amphibacillus Anaerobic, alkaliphilic, rods Heliobacterium Anaerobic, phototrophic, rods Heliophilum Anaerobic, phototrophic, rods Syntrophospora Anaerobic, degrades fatty acids, rods Desulfitobacterium Anaerobic, dechlorinates chlorophenols, rods Sporosarcina Aerobic, cocci, arranged in tetrads Gram-negative Sporomusa Anaerobic, rod Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM Molecular Medical Microbiology. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-397169-2.00009-3

Criterios Taxonómicos de Endosporas

Criterios taxonómicos 0 6 1 2 3 4 5 6

• Su diámetro relativo al de la célula madre ~Deformantes ~No deformantes
• Localización ~Subterminales ~Centrales ~Terminales en.citizendium.org 0 0 O O O Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Partes de la Endospora

Partes de la endospora Pared Corteza Protoplasto o núcleo Cubiertas Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Protoplasto o Núcleo de la Endospora

Composición del Protoplasto

• Su citoplasma se encuentra deshidratado (10 - 30% de agua)
• 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 coenzimas reducidos (NADH, CoA, etc.) Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Quelatos de Ácido Dipicolínico

Protoplasto o núcleo de la endospora OOC N COO (a) DPA +Ca+ OOC N COO +Ca+ OOC N COO +Ca+- 1 / (b) DPC Carboxylic acid groups 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. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Proteínas Solubles en Ácido (SASP)

Protoplasto o núcleo de la endospora

• Contiene pequeñas proteínas solubles en ácido (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 Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Membrana Interna de la Espora

Membrana interna de la espora. Rodea al protoplasto, membrana citoplásmica que carece de fluidez (estructura policristalina). Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Pared de la Endospora

• Esta constituida por un péptidoglucano similar al de la célula vegetativa.
• Estructura muy delgada.
• Constituye lo que será la pared de la futura célula vegetativa.
• Se sintetiza a partir de la pre-espora Pared Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Corteza o Córtex

Características de la Corteza

• Se origina a partir de la célula madre.
• De una especie de peptidoglucano con un bajo grado de entrecruzamiento, por ello su estructura es más laxa, floja y flexible que el péptidoglucano normal, lo que le permite expandirse o contraerse. Durante la germinación de autolisa rápidamente.
• La lactama del murámico presenta gran resistencia a la lisozima. Outer membrane Inner membrane Exosporium Cortex Core K Coat Germ cell wall TRENDS in Microbiology NAG MAL NAG NAM NAG MAL NAG NAM CHYOH -0 CH-OH CH-OH CH OH CHỊOH CH-OH CH:OH CHỊOH OH OH OH HO NH CH's NH HC-CH1 NH NH CH3 NH NH SH HỌC-CO HC-CO COCH; HyC-CO HJC-CO COCH; L-ala CO L-ala Diglu Dom Dala Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM O OH NH HC-CH: 1 1 CO

Composición Microscópica del Córtex

Corteza o córtex CH2OH CH2.O.CO.CH, HO -0 0 OH -NH HỌC CH3 (1) (11) -- Córtex

• Al microscopio electrónico: gruesa, transparente a electrones, en láminas concéntricas, formado de un péptidoglucano con características diferentes: ~ 30% del NAM con tetrapéptidos, pero con bajo grado de entrecruzamiento ~ 15% del NAM tiene solamente L-Ala ~ 55% lactama del ácido murámico Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM CH, CO.010, VO CH,.CH.COOH N_

Cubiertas de la Endospora

Cubiertas A Spore coats Core Outer Coat Cytoplasm Hereditary Material Endospore

• Compuestas principalmente de proteínas (30%).
• Formada de una o más proteínas de tipo queratina, ricas en cisteína y amino ácidos hidrofóbicos.
• Estructura insoluble e impermeable que impide la entrada de numerosos agentes químicos agresivos, incluyendo tóxicos.
• Tiene lacasa, SOD. Por eso es resistente a H2O2, ozono, etc. Tiene melanina para combatir a la R-UV.
• Su aspecto es voluminoso, distinto según especies. Tiene partes densas a los electrones. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Exosporio

• Estructura membranosa transparente, a modo de saco delgado y flojo constituido de proteínas, polisacáridos complejos y lípidos.
• Muy resistente a enzimas proteolíticas
• En B. anthracis esta formada por una proteína semejante a colágeno (BclA).
• También tiene enzimas como inosina hidrolasa y Fe/Mn SOD. EXOSPORIUM SPORE COAT CORTEX DNA CORE WALL E Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Esporulación

Proceso de Esporulación

Esporulación 00 C 8 0

• Estímulo desencadenante de la esporulación: estado de inanición (carencia de alguno de los nutrientes ya sea C, N o P)
• 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: 12-t3 significa que la fase transcurre entre la 2ª y la 3ª hora) St (đ) (e) (b) (E) (e) Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Fase I de Esporulación

Fase I (t 0 - t 1 )

• Los dos cromosomas se condensan formando un filamento.
• Se inicia la generación de dos tabiques, cada uno cerca de un polo.
• Hay degradación de proteínas y los aminoácidos obtenidos se emplean en sintetizar proteínas específicas de la esporulación.
• Existe síntesis y liberación al medio de antibióticos y exoenzimas (proteasas, amilasas, ribonucleasas, etc.). (a) (b) (c) (d) (e) Current Opinion in Microbiology Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Resistencia y Ciclo de Esporulación

Presenta resistencia al calor, al cloroformo, a las radiaciones UV y a la lisozima. O Coat Spore coat, Ca2+ uptake, SASPs, dipicolinic acid Maturation, cell lysis Stage VI, VII Stage V Growth Germination Sporulation stages Cortex Cell wall Cytoplasmic membrane Cell division Asymmetric cell division; commitment to sporulation, Stage I Stage IV Cortex formation Prespore Septum Engulfment Mother cell Stage II Stage III La síntesis de proteínas continúa en la célula madre, pero se detiene en la pre-espora. @ 2015 Pearson Education, Inc. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM Free endospore Vegetative cycle 0

Propiedades Biológicas de las Endosporas

Hipometabolia y Dormancia

Propiedades biológicas de las endosporas

• Hipometabolia. Presenta una tasa metabólica muy baja.
• Dormancia. Es inerte a la presencia de sustratos externos, la espora dejará la dormancia cuando se haya activado para la germinación.
• Resistencia al calor. Es una consecuencia de la hipometabolia y la dormancia. Algunas resisten 120ºC durante 15 minutos lo que condiciona los parámetros para esterilizar materiales. d Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Deshidratación y Resistencia UV

Propiedades biológicas de las endosporas

• Deshidratación. Se observa por la refrigencia al microscopio óptico. d -Cx -Ic Oc Cr H & th Micrografía electrónica de endosporas de Bacillus anthracis
• Resistencia a los rayos UV. Se debe a: ~ La absorción de R-UV por las cubiertas (melanina). ~ La presencia del DPC. ~ La protección del ADN por las proteínas SASPs . Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Resistencia Química y Contaminación en Marte

Propiedades biológicas de las endosporas

• Resistencia a los agentes químicos. Debida principalmente a la gran impermeabilidad de las cubiertas. Mars please JON DRAPER ¿ Es posible una contaminación del suelo de Marte por endosporas terrestres? Las endosporas piden "aventón" a Marte. Astrobiology, 2006 Aug;6(4):592-605. Survival and germinability of Bacillus subtilis spores exposed to simulated Mars solar radiation: implications for life detection and planetary protection. Tauscher C, Schuerger AC, Nicholson WL. Department of Microbiology, University of Florida, Space Life Sciences Laboratory, Kennedy Space Center, Florida 32899, USA. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Germinación de la Endospora

Fases de Germinación

Germinación de la endospora Fases:

• Pre-activación
• Activación
• Germinación
• Crecimiento ulterior (entrada en fase vegetativa) Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Pre-activación de Endosporas

Pre-activación

• Las cubiertas deben erosionarse, de modo natural por envejecimiento progresivo. Artificialmente se puede lograr: Calentando a100℃ durante unos minutos Aplicando radiaciones ionizantes Con tratamiento a pH bajo Tratamiento con sustancias con grupos -SH libres como mercaptoetanol a b Electron micrograph of Bacillus anthracis endospores (a) Viable and (b) following lethal plasma exposure. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM

Activación y Metabolismo

Activación

• Etapa aún reversible.
• Metabolismo aún latente.
• Desencadenada por un agente germinante (iones inorgánicos como Mg2+o Mn2+, L-ala, glucosa u otros azúcares, bases nitrogenadas y componentes de la pared celular). vegetative cell sporulation endospore germination and outgrowth lysis of veg.cell ( Free endospore) El germinante es detectado por un receptor alostérico en la membrana interna de la espora. El receptor activado adquiere capacidad proteolítica. Rompe la pro-enzima unida covalentemente al peptidoglucano de la corteza. La enzima reconoce al anillo del NAM e hidroliza el peptidoglucano de la corteza. Empieza a entrar agua al protoplasto, la espora pierde la refringencia y comienza a perder resistencia al calor. Departamento de Biología, Facultad de Química, UNAM