Curso de
Microbiología General
de Enrique Iáñez
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CITOPLASMA. INCLUSIONES CITOPLÁSMICAS
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de exploración
1. CITOPLASMA BACTERIANO:
VISIÓN DE CONJUNTO | a Contenidos
El citoplasma bacteriano es la masa de materia viva delimitada por
la membrana citoplásmica. En su interior se albergan:
Al igual que en los demás seres vivos, el citoplasma es un sistema
coloidal cuya fase dispersante es agua junto con diversas sustancias
en solución (citosol), y cuya fase dispersa está constituida por
macromoléculas y conjuntos supramoleculares (partículas submicroscópicas).
La viscosidad es mayor que la del citoplasma eucariótico, estando
desprovisto de corrientes citoplásmicas.
Observación:
A microscopía óptica, obviamente es poco lo que se puede
distinguir en él. En las células jóvenes se suele teñir de modo
uniforme, teniendo un carácter basófilo (debido a la abundancia de
ARN). En las células viejas se tiñe irregularmente, debido a la
aparición de inclusiones y a la acumulación de sustancias de
desecho.
A microscopía electrónica destaca el carácter granulado,
producido por los numerosos ribosomas (que a los aumentos habituales
aparecen como partículas esféricas), aunque se observa una zona
irregular hacia el centro, más transparente a los electrones, que se
debe a los cuerpos nucleares (nucleoide). En los intersticios entre
las partículas granuladas existe una sustancia amorfa en la que no se
pueden distinguir más detalles, y que corresponde a la fase
dispersante acuosa de la que hablábamos más arriba.
En este capítulo y en los próximos nos dedicaremos al estudio de
las principales estructuras y macromoléculas que alberga el
citoplasma. Comenzaremos con las inclusiones y orgánulos especiales
que presentan algunas bacterias (este cap. 8), para abordar después
la organización a gran escala del material genético bacteriano (cap.
9), y un rápido repaso al proceso de expresión de la información
genética contenida en éste (cap.
10, con estudio de los ribosomas bacterianos).
2. INCLUSIONES DE RESERVA | a
Contenidos
Son acúmulos de sustancias orgánicas o inorgánicas, rodeadas o
no de una envuelta limitante de naturaleza proteínica, que se
originan dentro del citoplasma bajo determinadas condiciones de
crecimiento. Constituyen reservas de fuentes de C o N (inclusiones orgánicas)
y de P o S (inclusiones inorgánicas).
Estudiaremos:
- Inclusiones orgánicas:
- inclusiones polisacarídicas
- gránulos de poli-ß-hidroxibutírico (o, en
general de poli-ß-hidroxialcanoatos)
- inclusiones de hidrocarburos
- gránulos de cianoficina
Inclusiones inorgánicas:
gránulos de polifosfato
- glóbulos de azufre
2.1
INCLUSIONES POLISACARÍDICAS
Son acumulaciones de a (1-->4)
glucanos, con ramificaciones en a (1-->
6), principalmente almidón o glucógeno (según especies), que se
depositan de modo más o menos uniforme por todo el citoplasma cuando
determinadas bacterias crecen en medios con limitación de fuente
de N, pero donde aún sean abundantes las fuentes de C y energía.
En esta situación, se detiene prácticamente la síntesis de proteínas
y de ácidos nucleicos, y la mayor parte del C asimilado se convierte
rápidamente en estos materiales de reserva. Cuando a estas células
las pasamos a un medio rico en N, pero carente de fuente de C, estas
inclusiones se usan como fuente interna de C para la síntesis de ácidos
nucleicos y proteínas.
Estas inclusiones actúan, pues, como sistemas de almacenamiento de
carbono osmóticamente inertes (la célula puede albergar
grandes cantidades de glucosa que, si estuvieran como moléculas
libres dentro del citoplasma, podrían tener efectos osmóticos muy
negativos).
Síntesis (veamos el ejemplo del glucógeno):
fosfoglucomutasa
Glucosa-6-P -------------------------------->
Glucosa-1-P
ADP-glucosa-pirofosforilasa
Glucosa-1-P + ATP
---------------------------------------> ADP-glucosa + PP
glucógeno sintetasa
ADP-glucosa + {a
,1-->4 glucano aceptor}n
-----------------------------------------> {a
,1-->4 glucano}n+1
Sobre este polímero lineal actúa la enzima ramificadora (que
introduce enlaces a (1-->6) con
glucosa), de modo que se forma el glucógeno maduro.
Degradación:
glucógeno fosforilasa
Glucógeno --------------------------------> n
{glucosa-1-P}
Para la total degradación del glucógeno se requieren también
enzimas desramificadoras, capaces de romper los enlaces a
(1-->6).
Observación:
Para observarlas se recurre a la tinción con una solución de I2
+ IK:
- glucógeno: aparece de color pardo-rojizo;
- almidón (amilopectina): color azul.
2.2 GRÁNULOS
DE POLI-ß-HIDROXIBUTÍRICO (PHB) Y DE POLI-HIDROXIALCANOATOS (PHA)
Los gránulos de poli-b-hidroxibutírico
son acúmulos del poliéster del ácido ß-hidroxibutírico (=
3-hidroxibutírico), rodeados de una envuelta proteínica, y que al
igual que en el caso anterior, se producen en ciertas bacterias como reserva
osmóticamente inerte de C en condiciones de hambre de N. Además
de la protección osmótica, estos gránulos suponen la ventaja de
neutralizar un metabolito ácido (el grupo carboxilo de cada unidad de
ß-hidroxibutírico desaparece como tal, al intervenir en el enlace éster
con la siguiente unidad). En las especies de Bacillus
constituye la fuente de carbono y energía al inicio de la esporulación.
Una función semejante parece implicada a la hora del enquistamiento
de Azotobacter.
Una célula puede contener de 8 a 12 de estos gránulos, que miden
unos 0.2-0.7 mm de diámetro, y que van
provistos de una envuelta proteica de unos 3-4 nm de grosor. Pueden
llegar a representar el 80% en peso de la célula.
Síntesis:
Se produce por una rama lateral de la ruta de síntesis de los ácidos
grasos, a través de ß-hidroxibutiril-CoA. En los gránulos, el polímero
queda asociado a un sistema complejo que será utilizado en la
degradación, pero este sistema habrá de activarse antes.
Degradación:
- La degradación comienza con la actuación de un enzima proteolítico
que desorganiza la envuelta proteica de los gránulos;
- Los gránulos así "activados" sufren ahora la acción
de una despolimerasa, que va generando dímeros de hidroxibutírico.
- Actuación de una dimerasa específica, que genera ß-hidroxibutírico
a partir de los ésteres diméricos.
Observación:
A diferencia de los acúmulos de polisacáridos, los gránulos de
PHB son visibles a microscopio óptico en fresco, debido a su elevado
índice de refringencia. Se tiñen bien mediante Negro-Sudán.
Gránulos de poli-ß-hidroxialcanoatos (PHA):
En los últimos años está quedando patente que los gránulos
descritos de PHB son un ejemplo de una clase más amplia de gránulos
de poli-ß-hidroxi-alcanoatos.
Por ejemplo: cuando determinadas especies de Pseudomonas
crecen en n-octano como fuente de carbono, se acumula un polímero
de ésteres del ácido ß-hidroxi-octanoico, con una función
metabólica semejante a la del PHB.
Ciertas cepas de Alcaligenes eutrophus,
cuando crecen en glucosa y propiónico producen copolímeros
aleatorios de unidades de b-hidroxibutírico
y b-hidroxivalérico
(=3-hidroxipentanoico).
Existen interesantes perspectivas de
aprovechamiento económico de estos polímeros, ya que los PHA se
comportan como excelentes termoplásticos biodegradables. Por
ejemplo, la empresa británica ICI tiene patentados procesos
industriales para fabricar PHA donde casi el 90% de las unidades
son de hidroxivalérico, que da un polímero flexible
comercializado con el nombre de Biopol ®.
Los polímeros a base de 4- o 5-hidroxibutírico y 3-hidroxibutírico
son más largos, más elásticos y más biodegradables (se han
empleado en la fabricación de envases)
2.3 INCLUSIONES DE
HIDROCARBUROS
2.4 GRÁNULOS DE CIANOFICINA
Muchas cianobacterias (Oxifotobacterias) acumulan grandes gránulos
refringentes de reservas nitrogenadas cuando se acercan a la fase
estacionaria de crecimiento. Estos gránulos de cianoficina son acúmulos
de un copolímero de arginina y aspártico: consta de un núcleo de
poliaspártico, en el que todos los carboxilos de las cadenas
laterales están unidos con L-arginina. Su síntesis no está basada
en el mecanismo habitual en ribosomas, ya que no se ve inhibida por el
cloramfenicol.
2.5 GRÁNULOS DE
POLIFOSFATOS (= GRÁNULOS DE VOLUTINA, O GRÁNULOS METACROMÁTICOS
El nombre de "metacromáticos" alude al efecto metacromático
(cambio de color): cuando se tiñen con los colorantes básicos azul
de toluidina o azul de metileno envejecido, se colorean de rojo. A
microscopio electrónico aparecen muy densos a los electrones.
Son acúmulos de polifosfato, polímeros lineales del ortofosfato,
de longitud variable (por término medio, unas 500 unidades), que
representan un modo osmóticamente inerte de almacenar fosfato. Parece
ser que la parte central de estos gránulos constituye un núcleo
formado por lípidos y proteínas. En algunos casos pueden constituir
una fuente de energía, en sustitución del ATP (¿se trata en este
caso de una especie de "fósil bioquímico?").
Se acumulan cuando algún otro nutriente distinto del fosfato se
hace escaso (sobre todo cuando va desapareciendo el sulfato). En estas
condiciones se detiene la síntesis de los ácidos nucleicos, y la
volutina se acumula a la espera de su utilización para esta síntesis
de nucleicos, cuando aparezca el nutriente originalmente limitante.
Su síntesis se produce por adición secuencial de restos de P a
PP, actuando el ATP como donador:
P-P + ATP ------> P-P-P + ADP;
(-P-)n + ATP -----> (-P-)n+1
+ ADP.
Los gránulos de polifosfatos tienen un interesante aspecto
aplicado, en la eliminación de fosfatos en las aguas residuales.
En los lodos activados de las plantas de procesamiento de aguas y
residuos es muy abundante la bacteria Acinetobacter, que
puede llegar a acumular el 24% de su biomasa bajo la forma de
polifosfatos. Durante los periodos de aerobiosis, esta bacteria se
asegura la energía a partir de sustratros extracelulares, y
mientras tanto acumula gránulos de polifosfatos; en anaerobiosis,
los niveles de ATP los mantienen a expensas de usar esos gránulos
de polifosfato, por lo que el lodo libera fosfatos. Esto se
aprovecha para eliminar concentraciones problemáticas de fosfatos
en aguas residuales, derivadas del uso de fertilizantes y
detergentes (proceso "Renpho").
2.6 GLÓBULOS DE AZUFRE
Las inclusiones de S aparecen en dos grupos de bacterias que usan
sulfuro de hidrógeno (SH2):
- las bacterias purpúreas del azufre (que usan el SH2
como donador de electrones para la fotosíntesis);
- bacterias filamentosas no fotosintéticas como Beggiatoa
o Thiothrix, que lo usan como donador de electrones para
sus oxidaciones.
En ambos casos, el sulfuro de hidrógeno es oxidado a azufre
elemental (S0), que en el citoplasma se acumula como glóbulos
muy refringentes y rodeados de envuelta proteínica. Estos glóbulos
son transitorios, ya que el S0 se reutiliza por oxidación
hasta sulfato, cuando en el medio se agota el sulfuro.
3.1 INCLUSIONES DE SALES MINERALES
Acúmulos grandes, densos y refringentes de sales insolubles de
calcio (sobre todo carbonatos) que aparecen en algunas bacterias (como
Achromatium), cuyo papel parece consistir en mantenerlas en el
fondo de los lagos y ríos.
3.2 FICOBILISOMAS
Son estructuras supramacromoleculares, en forma de cilindros o
bastones, adosadas a la superficie de la membrana tilacoidal de las
Oxifotobacterias, confiriendo a ésta un típico aspecto
"granuloso" en las micrografías electrónicas.
Como se puede ver en el esquema, están constituidas por pilas de
discos a partir de ficobiliproteínas, cromoproteínas que
sirven como "antenas" para la captación de luz en la fotosíntesis
de estos procariotas. Los grupos cromóforos son: ficocianinas,
aloficocianinas y ficoeritrina. Como veremos oportunamente, la
disposición ordenada de los distintos pigmentos tiene un papel
central en la "canalización" de la energía de la luz hacia
los centros de reacción (ubicados ya en plena membrana tilacoidal)
donde se localizan los complejos fotosintéticos proteínas-clorofilas.
4. ORGÁNULOS PROCARIÓTICOS
CITOPLÁSMICOS | a Contenidos
Como ya dijimos, en procariotas no existen por regla general orgánulos
citoplásmicos rodeados por unidad de membrana. Las únicas
excepciones están constituidas por los tilacoides de las
Oxifotobacterias, ya estudiados en el capítulo anterior. En algunos
grupos bacterianos se pueden encontrar orgánulos citoplásmicos no
rodeados por unidad de membrana (o sea, sin bicapa lipídica).
Muchos de ellos presentan envueltas basadas en subunidades de proteínas:
4.1 CARBOXISOMAS (= CUERPOS
POLIÉDRICOS)
Estructuras presentes en bacterias fotoautotrofas (Oxifotobacterias
y ciertas bacterias purpúreas) y quimioautotrofas (nitrificantes, Thiobacillus),
de apariencia poliédrica con tendencia a esférica. Su diámetro
oscila entre 50 y 500 nm, y están rodeadas de envuelta monocapa
proteinica de unos 3,5 nm. El interior tiene aspecto granular, debido
a la acumulación de la enzima ribulosa-bifosfato-carboxilasa
(RuBisCo, la carboxidismutasa, el enzima clave en el ciclo de Calvin
de asimilación de CO2). Aunque se pensó que eran los
sitos de fijación del CO2, parece más bien que se trata
de reservas de dicha enzima.
Son orgánulos muy refringentes al microscopio óptico, que al
electrónico muestran una estructura a base de agrupaciones
regulares de vesículas de gas. Cada vesícula tiene una forma de
cilindro bicónico (200-1000 nm de longitud y unos 70 nm de diámetro),
rodeado de una monocapa de unidades globulares de proteína
ensambladas helicoidalmente que dan un aspecto a bandas
("costillas"). Esta envuelta es impermeable al agua, pero
permeable a los gases, por lo que la composición y concentración del
gas dentro de la vesícula depende de las que existan en el medio.
Conforme se sintetizan y ensamblan las vesículas, el agua va siendo
eliminada del interior (véase esquema).
La función de estas vacuolas es mantener un grado de
flotabilidad óptimo en los hábitats acuáticos a las bacterias
que las poseen, permitiéndoles alcanzar la profundidad adecuada para
su modo de vida (según los casos, para obtener una intensidad
adecuada de luz, concentración óptima de oxígeno o de otros
nutrientes).
Las vacuolas de gas son muy frecuentes en Oxifotobacterias y
Anoxifotobacterias; también se dan en algunas arqueobacterias (Halobacterium,
algunas metanógenas) y en bacterias prostecadas (Ancalomicrobium,
Prosthecomicrobium).
Son vesículas oblongas situadas por debajo de la membrana citoplásmica,
que contienen los pigmentos antena de las bacterias fotosintéticas
verdes (antigua familia Chlorobiaceae, dentro de la clase Anoxyphotobacteria).
Son invisibles a microscopía óptica; miden 100-150 nm de longitud y
unos 50 nm de anchura, estando rodeadas de una monocapa de proteínas.
Se disponen por debajo de la membrana citoplásmica, sin estar en
continuidad con ella, aunque en muchos casos aparecen conectadas a
través de un pedúnculo de naturaleza no lipídica.
Son orgánulos sensores del campo magnético terrestre, que
aparecen en ciertas bacterias acuáticas flageladas microaerófilas o
anaerobias (p. ej., en Aquaspirillum magnetotacticum).
Consisten en cristales homogéneos de magnetita (Fe3O4),
de formas cubo-octaédricas o de prisma hexagonal, delimitados por una
envuelta proteínica. Los diversos cristales suelen disponerse en
filas paralelas al eje longitudinal de la bacteria, o en otras
agrupaciones regulares de varios unidades, hasta varias decenas.
Fueron descubiertas en 1975, y se sabe que permiten la orientación
magnética a las bacterias que las poseen (bacterias magnetotácticas),
determinando la orientación de su natación. En el hemisferio Norte,
el campo magnético está orientado hacia abajo, y en el sur hacia
arriba. Las bacterias magnetotácticas del hemisferio septentrional se
orientan al N, y las del meridional, al S. Por consiguiente, cuando
las bacterias son removidas de los fondos donde viven, por
magnetotaxia pueden volver al fondo, que es donde encuentran las
concentraciones de oxígeno adecuadas para su modo de vida
ARTÍCULOS DE DIVULGACIÓN
BLAKEMORE, R.P., R.B. FRANKEL (1982): Navegación magnética en las
bacterias. Inv. y Ciencia, 65 (febrero): 16-24.
WALSBY, A.E. (1977): Los vacuolos gasíferos de las cianofíceas.
Inv. y Ciencia 13 (octubre): 62-70.
ARTÍCULOS DE REVISIÓN
ALLEN, M.M. (1984): Cyanobacterial cell inclusions. Ann. Rev.
Microbiol. 37: 1-25.
BLAKEMORE, R.P. (1982): Magnetotactic bacteria. Ann. Rev.
Microbiol. 36: 217-238.
DAWES. E.A. (1992): Storage polimers in prokaryotes. En:
"Prokaryotic structure and function: a new perspective".
Society for General Microbiology & Cambridge University Press,
Cambridge, pp. 80-122.
MANN, S., N.H.C. SPARKS, R.G. BOARD (1990): Magnetotactic bacteria:
microbiology, biomineralization, palaeomagnetism and biotechnology.
Adv. Microb. Physiol. 31: 125-181.
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actualizado el 17 de agosto de 1998
Ó 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción,
salvo con fines educativos.
Se agradecen los comentarios y sugerencias. Escríbame a eianez@goliat.ugr.es
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