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Esporulación http://diverge.hunter.cuny.edu/ ~weigang/Lecture-syllabus.html
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Esporulación
http://diverge.hunter.cuny.edu/
~weigang/Lecture-syllabus.html
Esporulación
Algunas especies de bacterias Gram
positivas (principalmente de los géneros
Bacillus, Clostridium, Sporosarcina y
Thermoactinomyces), disponen de una
serie de estrategias adaptativas cuando se ven sometidas a privación
de nutrientes en su medio ambiente.
•Alcanzar un ambiente más propicio:
síntesis de flagelos, quiomitaxis, inducción de enzimas intracelulares y
extracelulares, producción de
antibióticos.
•Esporulación (estado criptobiótico).
Partes de la endospora
•Protoplasto o núcleo, con la
membrana citoplásmica de la
espora (membrana esporal interna).
•Pared de la espora (Germen de la
pared de la futura célula
vegetativa).
•Corteza o córtex, rodeado
externamente de la membrana
esporal externa.
•Cubiertas.
•Exosporio (no universal, las esporas de algunas especies carecen de él).
Nota: revisar notas de Microbiología General
•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.
•Deshidratación. Refrigencia al microscopio
óptico.
•Resistencia a los rayos UV.
•Resistencia a los agentes químicos.
Propiedades biológicas
de las endosporas
Esporulación
Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)
Fase I. Formación del filamento.
Fase II. Formación del septo
acéntrico.
Fase III. Formación de la forespora.
Fase IV. Formación de la
corteza.
Fase V. Síntesis de las cubiertas.
Fase VI. Maduración de la
preespora a endospora.
Fase VII. Liberación de la espora.
Genes de la esporulación•Participan más de 113 genes en el
proceso de esporulación. Bacillus
subtilis esporula cuando se
expresan los genes spo.
•Los genes se clasifican de
acuerdo a la fase de esporulación
(O, I, II, etc.) y se diferencian por
una letra.
-Mutantes de spo0A fallan en el
inicio de la esporulación y no
procede la fase I.-Mutantes de spoIIA completan la
fase II (septación) pero fallan
para proceder a la fase III
(formación de la doble membrana).
http://www.invitrogen.com/site/us/en/
home/References/Molecular-Probes-
The-Handbook/Technical-Notes-and-
Product-Highlights/Fluorescent-Probes-
for-Use-with-GFP.html
Genes de la esporulación y
factores que regulan su expresión
•Factores sigma. Factor de
inicio de la transcripción en
procariontes que permite la
unión específica de la ARN
polimerasa al promotor de un gen.
sH
sE
sF
sG
sK
Sistema de dos componentes
El estímulo es detectado
por un sensor a nivel de
membrana (o a nivel citoplasmático), el cual
transduce el estímulo hacia
una proteína citoplásmica
produciendo un cambio (–P) que inicia una cascada
de señales, que provoca la
interacción con secuencias
determinadas de ADN,
generando así la respuesta
adaptativa
correspondiente a la señal
ambiental.
Ciclo de vida en Bacillus subtilis
Nature Reviews Microbiology 3, 214-224 (March 2005)
Inicio de la esporulación
Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)
Estímulos:•Carencia de nutrientes
•Alta densidad celular
Proteínas involucradasFtsZ. Polimeriza y forman una anillo en el centro de la célula durante
la división celular. Durante el estado II de la esporulación las células
forman dos anillos en los polos para la formación del septo
asimétrico.
Spo0J. Reconoce el origen de la replicación OriC en el cromosoma
de la célula vegetativa y en la esporulación se une a los polos de la
célula.
RacA. Remodeling and Anchorinin of Chromosome A. Participan en
la formación del filamento durante la esporulación.
DivIVA. Proteína de anclaje en los polos de la bacteria, une directa o
indirectamente a Spo0J y a RacA. Se ha propuesto que une a MinCD durante la división celular.
SpoIIIE. ADN translocasa de pendiente de ATP. Transloca la copia del
ADN en la forespora después de la formación del septo.
Segregación del cromosoma
(fase I y II)
DivIVA. (OriC MinCD) Spo0J. RacA. SpoIIIE.
Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)
Factor sF
Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)
sF activa la presencia de SpoIIE,
una fosfatasa en la preespora,
necesaria para la unión del septo.
SpoIIAB es una proteína inestable
y funciona como anti-sF. spoIIAB
está localizado en la parte distal de OriC.
SpoIIAA-P es un anti-anti-sF que
inactiva a SpoIIAB. SpoIIE activa al
anti-anti-sF por medio de una desfosforilación a SpoIIAA (forma
activa). Esto ocurre en la
preespora, pero no en la célula
madre.
Durante el periodo inmediato a la
formación del septo solo bajas concentraciones de SpoIIAB se
encuentran en la preespora lo que permite la expresión de
spoIIE.
Fases II y III. Envoltura de la
preespora
Nature Reviews Microbiology 1, 117-126 (November 2003)
SpoIID, SpoIIM SpoIIP (también probablemente SpoIIQ) son
necesarias en las fases 2 y 3. SpoIID, SpoIIM y SpoIIP (sE) conducen
la regresión del segundo tabique polar, así como para la
envoltura. SpoIIIE es implicado en el paso final de fusión de la membrana. SpoIIB probablemente regulen este proceso.
Factores sG y sK
La síntesis sG es regulada por sF, el
producto del gen spoIIIG es
inactivado por el anti-s SpoIIAB (u
otro anti-s) y activado por sE. Esta
asociado con la activación de proteínas de formación de la
forespora.
La síntesis de SpoIVFB es estimulada
por sG y tiene actividad de proteasa y junto con otras SpoIV
activan de pro-sK a sK, que
estimula la transcripción de genes
importantes para la síntesis de la corteza y las cubiertas, así como
para la maduración y liberación de
la espora.
sE
Localización de los Factores σ
•Inicio de la esporulación
/Célula vegetativa.
•Formación del septo
/Preespora.
•Envoltura de la preespora
/Célula vegetativa.
•Formación de la
preespora /Preespora.
•Síntesis de las cubiertas y
maduración de la espora
/Célula vegetativa.http://bchs.uh.edu/~mfujita/index.php/research
Nature Reviews Microbiology 3, 969-978 (December 2005)
The
sp
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strid
ia.
Protoplasto o núcleo
Pared
Corteza
Partes de la endospora
Cubiertas
Protoplasto
(núcleo de la endospora)
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.
DPA
DPC
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
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
Corteza o 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
Córtex
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 murámicopresenta gran resistencia a la
lisozima.
Cubiertas
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
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.
Estructura insoluble e impermeable que
impide la entrada de
numerosos agentes
químicos agresivos,
incluyendo tóxicos.
• Estructura membranosa
transparente, a modo de
saco delgado y flojo a base de proteínas,
polisacáridos complejos y
lípidos
• Muy resistente a enzimas
proteolíticas
Exosporio
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.).
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.
