HIPERTEXTOS DEL ÁREA DE LA BIOLOGÍA
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Curso de Microbiología General

de Enrique Iáñez

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CITOPLASMA. INCLUSIONES CITOPLÁSMICAS


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CONTENIDOS

CITOPLASMA BACTERIANO (VISIÓN DE CONJUNTO) | INCLUSIONES DE RESERVA: INCLUSIONES POLISACARÍDICAS, GRÁNULOS DE POLI-ß-HIDROXIALCANOATOS, INCLUSIONES DE HIDROCARBUROS, GRÁNULOS DE CIANOFICINA, GRÁNULOS DE POLIFOSFATO, GLÓBULOS DE AZUFRE | OTRAS INCLUSIONES: SALES MINERALES, FICOBILISOMAS | ORGÁNULOS PROCARIÓTICOS: CARBOXISOMAS, VACUOLAS DE GAS, CLOROSOMAS, MAGNETOSOMAS

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:

  1. Inclusiones orgánicas:
    1. inclusiones polisacarídicas
    2. gránulos de poli-ß-hidroxibutírico (o, en general de poli-ß-hidroxialcanoatos)
    3. inclusiones de hidrocarburos
    4. gránulos de cianoficina
  2. Inclusiones inorgánicas:

    gránulos de polifosfato

    1. 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:

  1. La degradación comienza con la actuación de un enzima proteolítico que desorganiza la envuelta proteica de los gránulos;
  2. Los gránulos así "activados" sufren ahora la acción de una despolimerasa, que va generando dímeros de hidroxibutírico.
  3. 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

          Son acúmulos de reserva (con envuelta proteinica) de los hidrocarburos que determinadas bacterias (especialmente Actinomicetos y relacionados) usan como fuente de C.

           

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. OTRAS INCLUSIONES | a Contenidos

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.

 

4.2 VACUOLAS DE GAS

 

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).

 

4.3 CLOROSOMAS

 

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.

 

4.4 MAGNETOSOMAS

 

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

 BIBLIOGRAFÍA | a Contenidos

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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