Curso de Microbiología General
de Enrique Iáñez
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APÉNDICES
FILAMENTOSOS BACTERIANOS
ÍNDICE
1. FLAGELOS:
2. FIMBRIAS O PELOS
3. PROSTECAS
4. TALLOS O PEDÚNCULOS
BARRA DE EXPLORACIÓN: Microbiología General
[ Principal ] [ Arriba ] [ Concepto e historia de la Microbiología ] [ Los microorganismos en el mundo vivo ] [ La célula procariota ] [ Curso de Microbiología General ] [ Biosíntesis y crecimiento de la pared celular ] [ Membrana citoplasmática y transporte de nutrientes ] [ Inclusiones citoplasmáticas ] [ Cuerpos nucleares. El genóforo bacteriano ] [ Expresión genética y exportación de proteínas ] [ Flagelos, fimbrias, prostecas ] [ Endosporas y otras diferenciaciones ] [ Crecimiento y division celular ] [ Crecimiento de poblaciones bacterianas ] [ Metabolismo energético bacteriano ] [ Desinfectantes y antisépticos ] [ Quimioterápicos y antibióticos ] [ Resistencia bacteriana a los antibióticos ] [ Regulación genética en las bacterias ] [ Mutación y supresión en bacterias ] [ Recombinación ] [ Transformación ] [ Transducción ] [ Conjugación bacteriana ] [ BIBLIOGRAFÍA DE MICROBIOLOGÍA GENERAL ]
INTRODUCCIÓN: LA MOVILIDAD EN LAS
BACTERIAS
Los
procariotas capaces de moverse lo hacen por alguno de estos sistemas:
- por flagelos
- por deslizamiento sobre
superficies sólidas
- por sacudidas o
contracciones (en algunos cocos Gram-negativos).
Los flagelos bacterianos típicos son largos apéndices filamentosos
extracelulares, helicoidales, responsables del desplazamiento en medios líquidos de la
mayor parte de las bacterias móviles. Aunque empleamos la misma palabra para designar a
los orgánulos locomotores de procariotas y eucariotas, ambos son totalmente diferentes,
tanto en estructura como en mecanismo de funcionamiento:
El filamento del flagelo bacteriano, que constituye su porción externa más visible,
consta generalmente de un solo tipo de proteína, y en él no se realiza ningún trabajo
quimiomecánico. El mecanismo del flagelo bacteriano es rotatorio, con un motor reversible
(funciona en los dos sentidos de giro). La energía que propulsa a este motor no es ATP ni
ninguna otra molécula con enlaces energéticos, sino que deriva directamente del
gradiente de protones (fuerza protón-motriz).
OBSERVACIÓN
A microscopía óptica
En preparaciones en fresco, no se pueden detectar los flagelos
individuales, debido a su extrema delgadez (están ligeramente por debajo del límite
resolutivo del microscopio). En cambio, la microscopía óptica de alta intensidad en
campo oscuro sí logra discernir los flagelos. El microscopio de contraste de fases logra
visualizar los penachos densos de flagelos de ciertas bacterias.
Pueden estudiarse fácilmente mediante impregnación argéntica en
preparaciones previamente fijadas por procedimientos suaves que no destruyan la estructura
(alcohol-éter) y con mordientes que la engruesan artificialmente: ácido tánico, sales
de Al y Cr.
A microscopía electrónica : Se suelen emplear las técnicas
habituales de sombreado o tinción negativa con ácido fosfotúngstico.
ASPECTOS MORFOLÓGICOS
Sobre células intactas, los flagelos se observan como filamentos
helicoidales largos y finos. La longitud es variable (no está determinada de modo fijo):
de 5 a 10 mm, pero su anchura o diámetro es constante y
uniforme para cada especie: en Escherichia coli es de 20 nm.
El carácter helicoidal del filamento es propio e intrínseco: para
cada especie, y dadas unas condiciones ambientales determinadas (sobre todo de pH) los
parámetros de la hélice son fijos y característicos:
- longitud de onda (p.
ej., de 2-2.5 mm)
- amplitud o anchura de la
hélice (0.4-0.6 mm).
Algunas especies presentan simultánemante dos tipos de flagelos, con
dos longitudes de onda diferentes (normalmente una es la mitad de la otra). A este
fenómeno se le denomina biplicidad.
El patrón de flagelación (es decir, el número y localización de
los flagelos) varía entre especies, y reviste interés en la determinación taxonómica:
- un solo flagelo:
bacterias monotricas. Normalmente la inserción del flagelo (en bacterias
bacilares) es polar o subpolar.
- dos o más flagelos
formando un penacho, normalmente en un polo: lofotricas. (por ejemplo, en Spirillum
volutans hay más de 80 flagelos en el penacho).
- dos penachos de
flagelos, uno en cada polo: bacterias anfitricas.
- flagelos repartidos por
toda la superficie: bacterias peritricas. (Por ejemplo, Escherichia coli
posee unos 10 flagelos, mientras que Proteus mirabilis posee cientos, dando aspecto
muy denso a la disposiciòn de éstos).
- Ciertas bacterias
presentan flagelos de inserción lateral, bien en penachos densos (Selenomonas),
bien diseminados (Pectinatus).
Existe una serie de especies Gram-negativas (Vibrio, Photobacterium,
Bdellovibrio) que poseen flagelos muy engrosados, debido a que están envueltos en una
vaina que presenta continuidad con la membrana externa. Por otro lado Pseudomonas
rhodos tiene un flagelo con vaina a base de subunidades de una proteína.
1.1 COMPOSICIÓN
QUÍMICA Y ESTRUCTURA
Los flagelos pueden aislarse relativamente intactos por procedimientos
suaves (que desorganicen y disuelvan el PG y la membrana citoplásmica, y en
Gram-negativas, además, la membrana externa). La estructura del flagelo está bastante
conservada entre los procariotas, lo que apunta a que debió ser un "invento
evolutivo" relativamente temprano (aunque por lo visto, ningún eucariota lo ha
heredado).
Se observan tres partes diferenciadas: filamento helicoidal
largo, que es la única parte visible a microscopía óptica; está conectado a un corto
segmento curvado denominado codo o gancho, que a su vez está unido al corpúsculo
basal. Este corpúsculo basal está inmerso en las envueltas (membrana citoplásmica y
pared), y consta esencialmente de un cilindro que ensarta 1 o 2 parejas de anillos.
FILAMENTO
Es la parte visible en las preparaciones de células intactas, y
representa hasta el 95% de la masa total del flagelo. Se puede aislar fácilmente por
agitación mecánica, con ulterior ultracentrifugación diferencial en gradientes de
densidad.
Desde un punto de vista geométrico se puede considerar como un cristal
unidimensional, de longitud indeterminada (en enterobacterias, de entre 5-10 micras), pero
con un diámetro uniforme de 20 nm, y como ya vimos unos parámetros de hélice propios de
cada especie. Los flagelos silvestres en reposo suelen ser hélices levógiras, pero como
veremos enseguida, experimentan transiciones conformacionales inducidas
mecánicamente en ciertas fases del proceso de movilidad.
Si sometemos los flagelos aislados a agentes desnaturalizantes (calor,
pH ácido, urea, etc) se desintegran en subunidades de un solo tipo de proteína: la
flagelina.
La flagelina:
Es una proteína globular relativamente elongada, con pesos moleculares
variados, según las especies (desde unos 15 kDa en algunos Bacillus hasta unos 62
kDa en algunas enterobacterias).
Su composición química es bastante característica e inusual:
abundancia de aa. ácidos y neutros; ausencia de trp y de cys; escasez de aa. básicos
(tyr, pro, his, met).
En condiciones físico-químicas adecuadas, las subunidades aisladas de
flagelina se autoensamblan espontáneamente in vitro, generando filamentos
idénticos a los nativos naturales. Este ensamblaje requiere cortos segmentos de
filamentos que actúan como "cebadores". Las subunidades se van incorporando al
extremo distal nativo.
Estructura tridimensional del filamento
Las subunidades de flagelina se disponen formando una matriz
cilíndrica, con un empaquetamiento cuasi-hexagonal, donde se observan 11 hileras
cuasi-axiales (casi verticales) de subunidades; las hileras cuasi-axiales se denominan fibrillas.
El cilindro está hueco (deja un canal en su interior).
Existe una íntima relación entre esta estructura y la forma
helicoidal del filamento, lo que a su vez en esencial para la función propulsora del
flagelo.
Veamos pues, el fundamento de la helicidad del filamento, y de su
carácter de propulsor:
Si todas las subunidades de flagelina establecieran los mismos enlaces con sus vecinas
(o sea, si todos los enlaces fuesen equivalentes) el filamento sería totalmente recto, y
por lo tanto, no podría actuar como propulsor. Pero la flagelina es una proteína muy
notable, ya que puede cambiar reversiblemente entre dos estados distintos (se dice que es
una molécula biestable). En un mismo filamento, cualquiera de las 11 fibrillas
pueden cambiar cooperativamente entre los dos estados. El resultado es que la tensión que
supone que algunas fibrillas estén en un estado distinto a las demás se compensa con
una deformación del filamento en forma de hélice macroscópica. El filamento nativo
consta de 9 fibrillas normales y 2 fibrillas en transición. Los entornos moleculares de
las subunidades de flagelina de una misma fibrilla son idénticos entre sí, pero difieren
de los de las otras fibrillas: es decir, los enlaces de distintas subunidades de fibrillas
distintas son cuasi-equivalentes (pero no totalmente equivalentes). El filamento
nativo en reposo y durante las fases de natación es una hélice levógira con 9 fibrillas
normales y 2 en transición. Como veremos más adelante, el cambio del sentido de
rotación del motor flagelar induce cambios moleculares en la longitud de onda y en la
quiralidad (levo/dextrógira) que son esenciales en el mecanismo de la natación
bacteriana. El filamento es notablemente rígido (tanto desde el punto flexional
como torsional), de modo que durante el movimiento activo sólo se producen pequeñas
deformaciones, pero sin afectar a los parámetros de la hélice. El movimiento de
rotación del motor (situado en el corpúsculo basal) se comunica al filamento helicoidal
rígido, que a modo de hélice de barco permite el avance de la bacteria.
Antigenicidad
Tanto la flagelina nativa aislada como los filamentos intactos son
buenos antígenos, constituyendo el denominado antígeno H flagelar, específico
para cada especie e incluso para cada estirpe o raza.
En enterobacterias (uno de cuyos hábitats naturales es el interior de
los animales superiores) la porción central de la flagelina es muy variable, lo cual
parece representar una respuesta evolutiva de tipo adaptativo, que les permite enfrentarse
mejor al sistema inmune de sus hospedadores.
Las células flageladas reaccionan in vitro con sus antisueros
específicos, dando una aglutinación floculenta y laxa, bastante típica. Esta reacción
de aglutinación se emplea en la caracterización de las variedades de Salmonella
(véase la clasificación de Kauffmann-White, en la sección de Taxonomía, capítulo
dedicado a la familia Enterobacteriaceae).
CODO O GANCHO
Es una estructura curvada, acodada, de unos 80 nm de longitud, y unos 22 nm de
diámetro, que conecta el filamento al corpúsculo basal. Consta de unas 130 unidades de
una proteína elongada, distinta de la flagelina (42 kDa), dispuestas igualmente en una
matriz cilíndrica de 11 fibrillas.
El codo también presenta cuasi-equivalencia, responsable de la
helicidad del codo (aunque en este caso no llega a alcanzar una vuelta completa de
hélice).
Parece ser que el codo actúa a modo de juntura universal o flexible
entre el filamento y el corpúsculo basal.
Entre el codo y el filamento existen dos discos de proteínas
accesorias del codo (HAP1 y HAP3). Cada uno de los discos consiste en dos giros de
hélice, e intervienen en el control del ensamblaje del flagelo. Son estructuras
adaptadoras que permiten la correcta interacción entre filamento y codo.
CORPÚSCULO BASAL
Es la estructura que, inmersa en la membrana citoplásmica y en la
pared celular, ancla el flagelo a la célula, y está relacionada con la función
del motor.
i) En Gram-negativas, la estructura típica consta de dos pares de
anillos coaxiales atravesados por un cilindro.
Los dos anillos exteriores se denominan L y P, y están relacionados respectivamente
con la membrana externa y con el peptidoglucano. Estos dos anillos están conectados por
una pared cilíndrica que enmascara la porción del cilindro central. Los dos anillos
interiores se denominan S y M: el S está en el espacio periplásmico, inmediatamente por
encima de la membrana citoplásmica, y el M está inmerso plenamente en dicha membrana.
Conectados al corpúsculo basal se localizan varias proteínas importantes para la
función del motor y para el sentido del giro: Por debajo del anillo M existen tres
proteínas (FliG, FliM y FliN) que están implicadas en la conmutación del sentido del
giro del motor: permiten que el motor pueda girar en sentido de las agujas del reloj y
en el sentido contrario al de las agujas del reloj. Recientemente se ha visto que estas
proteínas configuran un quinto anillo (anillo C), por debajo del M, ya inmerso en
el citoplasma. Rodeando al corpúsculo basal, a modo de empalizada cilíndrica, existen
subunidades de dos proteínas: MotA y MotB. Aunque aún no está aclarada totalmente su
intervención, parece que son elementos esenciales de la maquinaria que hace girar a una
parte del corpúsculo basal (motor). Este giro se comunica probablemente al cilindro
central, que a su vez debe de estar "fusionado" con algunos de los anillos. El
giro se transmite al codo y al filamento, siendo ésta la base del movimiento rotacional
del flagelo. Se supone que al menos algún anillo debe de permanecer fijo, anclado a
alguna estructura de las envueltas, actuando a modo de estator del motor, pero se
desconoce su identidad. Recientemente se ha demostrado que los anillos interiores (M y S)
se mueven solidariamente, lo que permite descartarlos, en principio como estatores del
motor. Un buen candidato a estator podría ser el anillo P, que podría interaccionar de
modo fuerte con el PG, que es a fin y al cabo la estructura más rígida de las envueltas,
pero este punto aún no se ha confirmado experimentalmente. Recientemente se están
acumulando datos de que el giro se induce en el mismo anillo C (implicación de la
proteína FliG)
Una "versión modificada" de la estructura del corpúsculo
basal la encontramos en Caulobacter, que presenta un anillo extra (E), y que parece
que tiene que ver con la eyección del complejo cilindro-gancho-filamento, que se produce
en un momento determinado de su ciclo de vida. Además, anillo L es más ancho y el M es
más grueso.
ii) En Gram-positivas la estructura del corpúsculo basal es más
sencilla: cilindro central y una sola pareja de anillos (el M y el S).
GENÉTICA Y ENSAMBLAJE DEL FLAGELO
En la "construcción" del flagelo bacteriano intervienen unas
50 proteínas, entre proteínas estructurales que formarán parte de la estructura
definitiva, y proteínas accesorias que sólo sirven durante este ensamblaje. Debido a
esta complejidad, y a que, además, diversas partes del flagelo deben de interaccionar con
las envueltas bacterianas (membrana, pared), no es de extrañar que este ensamblaje esté
bien ajustado ni que la síntesis de las diversas "piezas" esté sometida a un
estricto control genético.
ASPECTOS GENÉTICOS
Los alrededor de 40 genes relacionados con el flagelo y la quiomiotaxis se organizan en
unos 14 operones. En Escherichia coli y Salmonella typhimurium los operones
se expresan y regulan en un orden jerárquico de tres niveles:
Primer nivel: sólo incluye el operón flhD. Su expresión depende de la
ausencia de represión catabólica (requiere CRP-AMPc). El operón contiene sólo dos
genes, cuya expresión da lugar respectivamente a FlhC y FlhD, que constituyen
heterotetrámeros de dos unidades de cada uno. Dichos tetrámeros son activadores
transcripcionales de los operones de segundo nivel.
Segundo nivel: incluye la mayor parte de los genes de proteínas estructurales del
corpúsculo basal, y fliA, que codifica un factor s
alternativo necesario para la expresión de los operones del tercer nivel.
Tercer nivel: incluye tres operones:
- Operón fliC:
codifica el filamento flagelar (flagelina)
- Los operones motA
y tar determinan todas las proteínas de la transducción de la señal
quimiotáctica, las proteínas del motor y los receptores transmembranales.
Al menos en estas bacterias, motilidad flagelar sólo se expresa después de la mitad
de la fase exponencial. El significado adaptativo es que no tiene sentido sintetizar un
sistema tan complejo en un medio que aún es rico. En la fase post-exponencial resulta
ventajoso que las células se muevan en busca de nutrientes o que se alejen de productos
tóxicos.
ENSAMBLAJE DEL FLAGELO
A grandes rasgos, el flagelo se va ensamblando "desde dentro hacia afuera",
es decir, comenzando por el corpúsculo basal y avanzando hacia el codo y finalmente hasta
el filamento.
Por encima de los detalles relativos a la colocación ordenada de cada
"pieza", hay dos cuestiones generales interesantes en este ensamblado:
a) En principio, cada una de las estructuras tubulares del flagelo (cilindro del
corpúsculo basal, codo y filamento) serían de longitud indeterminada. Sin embargo, tanto
el cilindro como el codo tienen, de hecho una longitud definida, esencial para la
funcionalidad de la estructura global. Parece ser que esto se logra mediante proteínas
que se adicionan a uno de sus extremos una vez que se alcanza el tamaño adecuado:
Por ejemplo, el cilindro se "recubre" en su extremo distal de una proteína
(FlgD), que señala el "fin" de ese cilindro y al mismo tiempo es la señal para
que se ensamblen los siguientes componentes. El "fin" del codo es señalado por
la entrada de la proteína HAP1.
De cualquier manera, se desconoce aún cómo "sabe" el sistema que se ha
alcanzado la longitud adecuada del componente alargado para adicionar el componente que
"corona" y finaliza esa pieza.
b) ¿Cómo se transportan los distintos
componentes durante el ensamblado?
- Los componentes situados
al nivel de la membrana (anillo M) o del lado citoplásmico probablemente no tienen
ningún mecanismo especial.
- Los componentes del
motor (MotA y MotB) parece que rodean a modo de empalizada al corpúsculo basal, y se
encuentran anclados a la membrana citoplásmica a través de sus porciones hidrofóbicas.
Se insertan sin previo procesamiento (no tienen péptidos-señal).
- Las proteínas de los
anillos externos (P y L) se sintetizan como precursores provistos de péptidos-señal en
sus extremos N-terminales, que son rotos por el complejo de procesamiento del péptido
señal, a su paso por la membrana citoplásmica.
- Las unidades de
flagelina recorren la porción central hueca del eje del flagelo: o sea, pasan por
el interior del cilindro à codo à
filamento, hasta llegar a la punta en crecimiento, en la que permanentemente hay una
proteína (HAP2) encargada de "recibir" las nuevas unidades al final de su
"viaje" y controlar su colocación final sobre el filamento cebador
preexistente, evitando que escapen al medio exterior.
El filamento es una estructura de longitud indefinida, pero su tamaño medio viene
determinado estadísticamente por tres variables:
- tasa de síntesis de la
flagelina;
- tasa de rotura
espontánea de los filamentos;
- tasa de inserción de
los monómeros de flagelina. Esta tasa decrece exponencialmente conforme aumenta la
longitud del filamento cebador, debido a resistencias a la difusión y a la fricción de
los monómeros conforme atraviesan el hueco axial.
En este apartado nos vamos a plantear dos objetivos de estudio principales:
- aspectos dinámicos y
funcionales del flagelo: base del movimiento;
- cómo se vé modificado
el mecanismo flagelar básico ante la llegada de estímulos ambientales captados en la
superficies celular.
DESCRIPCION DEL MOVIMIENTO DE UNA
BACTERIA PERITRICA
Vamos a estudiar en primer lugar cómo se produce el movimiento en bacterias peritricas
como Escherichia coli o Salmonella tyiphimurium.
- En ausencia de
estímulos, en un medio ambiente uniforme, se puede observar un movimiento
tridimensional aleatorio, formado por periodos de unos pocos segundos de natación
en linea recta o ligeramente curvada (carreras o corridas), interrumpidos por
breves episodios (décimas de segundo) de un movimiento angular caótico de la bacteria (viraje
o cabeceo), tras de lo cual la célula entra en una nueva fase de natación en línea
aunque con una nueva dirección.
- En un gradiente
espacial de un estímulo ambiental, la bacteria responde modificando el anterior
patrón. Se alteran las probabilidades relativas de carreras y de virajes, de modo que la
bacteria prolonga estadísticamente los periodos de natación hacia la dirección
favorable (es decir, acercándose hacia un estímulo positivo y alejándose de uno
negativo), y disminuye la frecuencia de cabeceo. De esta manera se obtiene una locomoción
aleatoria pero estadísticamente sesgada, que propicia el avance neto en la dirección
favorable. Este movimiento se denomina taxia.
- El comportamiento
táxico dura un tiempo limitado, que oscila de segundos a minutos, dependiendo de la
naturaleza e intensidad del gradiente. Tras la fase de excitación inicial y de taxia, la
bacteria se va adaptando al estímulo, de modo que regresa finalmente al patrón
aleatorio de movimiento, sin avance neto en ninguna dirección.
Así pues, a continuación veremos la base de estos fenómenos:
- Existencia de un rotor
flagelar de tipo rotacional, que es reversible.
- Veremos que la bacteria
tiene mecanismos para detectar un gradiente espacial de un estímulo, y comprobaremos que
este mecanismo actúa como si la bacteria estuviera detectando de hecho un gradiente
temporal.
- Conectado con el sistema
de detección de estímulos, hay un sistema que hace que se vuelva al patrón aleatorio
ante la persistencia del estímulo (mecanismo de adaptación).
MECANISMO DEL MOVIMIENTO ALEATORIO
(EN AUSENCIA DE ESTÍMULO)
Resumen de lo que veremos:
- El motor es rotatorio y
tiene tres estados: giro en sentido contrario a las agujas del reloj (CAR), sentido igual
al de las agujas del reloj (AR) y breves pausas.
- Relación entre estos
estados del rotor y el movimiento de la célula: "por defecto", el flagelo gira
en sentido CAR, lo que provoca que los flagelos formen un penacho detrás de la célula,
que de este modo nada en línea recta (corrida o carrera). Pero de vez en cuando hay
breves pausas o el motor gira en sentido AR, lo que provoca un cambio conformacional en
cada filamento: ahora cada filamento "tira" de la célula por su lado, lo que
hace que la célula cabecee (viraje).
- Posibles componentes del
motor y del conmutador: empalizada de MotA y MotB alrededor del corpúsculo basal. Anillo
C adosado al anillo MS posee proteínas (FliG, M y N) implicadas en el cambio de sentido
(conmutador de giro).
- Aspectos energéticos
del motor: el motor gira a altas velocidades (unas 15.000 r.p.m), que permite que la
bacteria nade a altas velocidades relativas (unas 60 veces su longitud por segundo, lo que
a su escala sería superar la velocidad del guepardo). Este motor usa como combustible
directamente la fuerza protón-motriz (fpm), es decir, la disipación de parte del
gradiente electroquímico de protones a ambos lados de la membrana. El flujo es de unos
1.000 protones por cada giro. Se desconoce cómo se acopla este flujo de protones con el
movimiento del motor, pero se sabe que la velocidad de rotación es proporcional a la fpm.
EL MOTOR ES ROTATORIO Y TIENE 3
ESTADOS
Desde hace varios años, por experimentos en los que las bacterias quedaban unidas a
cubreobjetos por anclaje a ellos de los filamentos flagelares, se dedujo que el motor
flagelar funciona como una máquina rotacional reversible, o sea, tiene dos
sentidos: el de las agujas del reloj (AR) y el contrario (CAR).
Pero desde 1989 se sabe que el motor tiene un tercer estado intrínseco: la pausa
breve, que parece deberse a ciclos fútiles de reversión de la rotación.
Veamos a continuación las relaciones que se dan entre estos tres estados funcionales
del motor y los fenómenos de rotación en línea y virajes bruscos.
- La natación en
línea (carrera) se debe a la rotación continua, durante un periodo de unos segundos,
del motor, en sentido CAR. En esta situación, la hélice del filamento es
levógira, con 9 fibrillas en conformación normal y 2 en transición, lo que como ya
dijimos, origina los parámetros característicos de la hélice. Durante el giro, la onda
helicoidal aparente viaja desde el extremo proximal al distal. En las bacterias
peritricas, las fuerzas hidrodinámicas y mecánicas hacen que los filamentos de los
distintos flagelos se enrollen formando un haz o penacho paralelo al eje longitudinal de
la célula. En este penacho, cada flagelo gira independientemente. El giro de los diversos
filamentos helicoidales levógiros del penacho, empuja a la célula, originando la
natación en linea recta, con una velocidad de unos 25 micrómetros/seg.
- Cuando el motor gira en sentido
inverso, o sea AR, en principio habría que esperar que la onda aparente del filamento
helicoidal viajara desde el extremo distal al proximal. Pero la situación de hecho es
más compleja: el giro en sentido AR del motor supone una carga torsional dextrógira que
hace que el flagelo inicie una transición conformacional dextrógira, desde el
extremo proximal en dirección al distal: van apareciendo ondas dextrógiras, cuya
longitud de onda es 1/2 de la longitud de onda del filamento levógiro, lo que da un aspecto
"rizado". Mientras no se complete la transición en toda su longitud, el
filamento es de hecho heteromórfico: el extremo proximal rizado es dextrógiro; el
extremo distal es normal, levógiro; ambas partes están separadas por un ángulo abrupto.
- Los virajes bruscos
que separan dos períodos de natación normal se producen precisamente porque los
filamentos sufren una transformación incompleta desde levógiros a dextrógiros,
apareciendo como heteromórficos transitoriamente.
- Los filamentos
heteromórficos no forman penachos, sino que están separados entre sí. Cada uno de ellos
está tirando de un lado y empujando por otro. Ello hace que la célula se reoriente
más o menos al azar, y bruscamente, antes del siguiente periodo de natación.
- Estos virajes son, pues,
en estas bacterias peritricas, un mecanismo activo, aunque aleatorio, de reorientación
rápida.
- Pero ¿por qué una vez
comenzada la transición dextrógira, ésta no continua hasta el final, durante los
periodos de rotación AR? Según investigaciones recientes, la respuesta estriba en que
durante las fases de rotación AR, ocurren breves episodios de pausa del rotor, o bien de
inversión de su sentido hacia CAR. Ello trae como consecuencia que la hélice
dextrógira, que es más inestable, se convierta rápidamente en hélice levógira.
- Existen mutantes que son
incapaces de producir pausas o reversiones AR-->CAR durante las fases de rotación AR.
Poseen flagelos totalmente dextrógiros que dan una natación más lenta y más oscilante
que los levógiros.
COMPONENTES DEL MOTOR Y DEL
CONMUTADOR
Como ya dijimos, parece que Mot A y Mot B forman parte del mecanismo del motor. Son
proteinas necesarias para la rotación. A microscopía electrónica aparecen rodeando a
los anillos interiores (M y S). ¿Funcionan como unidades generadoras de fuerza, quizás
interaccionando con proteínas de alguno de los anillos, para originar la rotación?
- El sentido
intrínseco ("por defecto") de rotación del motor flagelar es el CAR.
- En células normales, al
sistema intrínseco flagelar se le superpone otro sistema que induce periódicamente la
inversión del sentido de rotación. Este sistema que invierte el sentido de giro se
denomina complejo conmutador, formado por tres tipos de proteínas (FliG, M, N),
que parecen formar un quinto anillo (anillo C), adosado al lado citoplásmico del
anillo M-S Este complejo recibe, por una lado, la información sensorial, e interacciona
por otro con componentes del motor para invertir el sentido del giro.
ASPECTOS ENERGÉTICOS
En condiciones normales con disponibilidad de nutrientes energéticos en el medio
ambiente de la bacteria, la forma de energía que alimenta el motor flagelar es la fuerza
protón motriz (f.p.m.), es decir, el potencial electroquímico de protones (y en las
bacterias alcalófilas, la fuerza motriz de los iones Na+).
Como el alumno seguramente conocerá por la asignatura de bioquímica, y como
repasaremos en un capítulo posterior, este gradiente se crea durante los procesos de
transporte de ee- en las cadenas transportadoras situadas en la membrana, o en
el caso de la glucolisis anaerobia, por la ATPsa ligada a protones, funcionando en el
sentido hidrolítico (ATP-hidrolasa).
Según esto, si se llegara a disipar la f.p.m., bien fuera porque la bacteria careciera
de suministro externo, bien fuera porque una mutación desacopladora le impidiera
aprovechar la fuente de energía externa, el motor se quedaría sin
"carburante". Pero esto no ocurre en la realidad, porque en esta situación se
pone en marcha un segundo sistema de emergencia que transfiere protones directamente al
motor. Parece que existe una mayor concentración de cadenas transportadoras de
electrones y ATP-asas de membrana cerca de los corpúsculos basales que en otras zonas de
la membrana, lo que puede ser indicio de que el motor recibe protones de forma directa en
ausencia de f.p.m.
El significado adaptativo del segundo sistema es el de servir como mecanismo de
apoyo energético al motor cuando la f.p.m. cae por debajo de un cierto umbral, lo que
hace que siga funcionando para permitir a la bacteria alejarse de ese entorno pobre en
energía.
La manera en que se acopla el flujo de protones al motor con la rotación de éste es
un punto bastante oscuro y desconocido. He aquí un par de preguntas aún sin respuesta:
- ¿Existe un número fijo
de H+ requerido para cada revolución del motor, o el acoplamiento es laxo y
depende de la carga torsional y de la velocidad?
- ¿Qué tipo de máquina
es el motor? Algunos han propuesto que es de tipo pulsante, es decir que funcionaría por
pasos o saltos cuantizados.
VARIANTES DEL MOVIMIENTO EN OTRAS
BACTERIAS
Para terminar este subapartado sobre mecanismos básicos de movilidad flagelar, haremos
referencia a algunas variantes que se encuentran en diversos tipos bacterianos.
En bacterias uniflageladas, los dos estados rotacionales del motor se traducen
en movimiento de avance y de retroceso, respectivamente, en línea recta. Las breves
pausas sirven como mecanismo pasivo para reorientar la dirección aleatoriamente.
Existen bacterias que alternan simplemente entre rotación y pausas, de modo que
durante estas últimas el movimiento browniano sirve para reorientar aleatoriamente a la
célula (en Rhodobacter sphaeroides, que tiene un flagelo subpolar, y en Rhizobium
meliloti, que es peritrica)
Un caso especial lo constituyen los espirilos, bacterias provistas de penachos polares
(Ej: Rhodospirillum, Thiospirillum, Spirillum): Los flagelos de estas
bacterias tienen muy poca helicidad, incluso inferior a una longitud de onda, pero en
cambio los cuerpos celulares son helicoidales. Los flagelos forman apretados penachos
polares en forma de cono, que ejercen una fuerza torsional sobre la célula espiral, lo
que se traduce en un movimiento de avance a modo de sacacorchos. Nunca efectúan
virajes. En Spirillum, los dos penachos polares están totalmente coordinados.
La movilidad es reversible y simétrica (movimiento adelante-atrás, por inversión
coordinada del sentido de rotacion de los penachos).
DEFINICIONES
En ausencia de un gradiente de estímulo, el movimiento de cada célula es a base de
períodos de 2-4 segs de natación separados por virajes. El movimiento en un gradiente de
estímulo se logra variando la frecuencia de virajes: si la concentración de un atrayente
aumenta, o la de un repelente disminuye, las células no viran tan frecuentemente como lo
harían en un entorno uniforme. Por lo tanto, el resultado es que nadan en la dirección
favorable más tiempo, y este sesgo respecto de la natación aleatoria hace que exista un
movimiento neto en relación con el gradiente.
Este mecanismo no es una taxia en sentido estricto (se le puede llama clinocinesis,
aunque este término apenas se emplea); es un 50% menos efectivo que una taxia auténtica,
pero probablemente requiere mucha menos inversión en maquinaria sensorial y motora.
TIPOS DE TAXIAS
Se distinguen principalmente aerotaxia, fototaxia y quimiotaxia.
1) aerotaxia: respuesta de migración ante un gradiente de oxígeno molecular.
- Bacterias anaerobias à aerotaxia negativa.
- Bacterias
microaerófilas à atraídas a tensiones óptimas de O2
(menores que la atmosférica).
Todas las bacterias aerobias y anaerobias facultativas à
aerotaxia positiva.
La aerotaxia positiva, al menos en enterobacterias, y en bacterias
purpúreas en crecimiento heterotrófico, tiene un mecanismo diferente del mecanismo
táxico hacia otros atrayentes químicos: no existe en realidad un receptor específico
del oxígeno. La señal estimulatoria consiste en la utilización del oxígeno como
aceptor final de electrones en las cadenas transportadoras respiratorias. Esto provoca una
alteración de la f.p.m., que de alguna manera provoca un cambio que aumenta la
probabilidad de giro del rotor en sentido CAR.
Un mecanismo similar es el que subyace a la quimiotaxia hacia aceptores alternativos de
electrones, como el fumarato y el nitrato.
2) Las fototaxias de las bacterias fotosintéticas anóxicas dependen de un
mecanismo similar: detectan un gradiente de intensidad de luz, no mediante un receptor
especial, sino por medio del transporte de electrones fotosintético, que a su vez provoca
un cambio en el gradiente electroquímico de H+. Este cambio afecta al motor
flagelar. Se desconoce si estos cambios son transmitidos directamente al flagelo o si
existe mediación de proteinas "repetidoras" de la señal.
3) Las quimiotaxias, especialmente las de Enterobacterias, son las taxias mejor
estudiadas.
ESTUDIO EN DETALLE DE LA QUIMIOTAXIA
En la quimiotaxia están implicados una serie de receptores específicos de
superficie, que recogen la señal química (o sea, el quimioefector) y que inician un proceso
de transducción intracelular de esta señal que finalmente llega al complejo
conmutador del corpúsculo basal flagelar.
En estas enterobacterias los atrayentes orgánicos más potentes son sustancias que
ocupan una situación central en el metabolismo (ciertos aminoácidos, azúcares,
oligopéptidos y ácidos carboxílicos). Ahora bien, no existe una correlación entre el
metabolismo de una sustancia y su capacidad como quimioatrayente.
El sistema sensorial de la bacteria, ante un gradiente espacial de atrayente o
repelente, origina una migración neta (acercamiento o alejamiento, respectivamente)
haciendo que la duración de una carrera en la dirección favorable sea mayor, y para ello
influye sobre el conmutador flagelar binario que determina el sentido de rotación.
La bacteria capta ese gradiente espacial, detectándolo de hecho como si fuera un
gradiente temporal autogenerado por ella misma mientras va moviéndose. Como veremos,
la bacteria compara, mediante el mismo receptor de membrana que captó el estímulo, la
concentración actual de la sustancia con la que tenía en los segundos anteriores.
Además, la bacteria vuelve al patrón aleatorio de movimiento tras varios segundos o
minutos del contacto inicial con el gradiente: existe un mecanismo de adaptación
al estímulo que, como veremos, implica una modificación covalente de los receptores.
Estos son los aspectos que vamos a pasar a considerar a continuación.
Estímulos químicos. Elementos de
recepción y transducción de las señales químicas
En enterobacterias existen tres tipos de estímulos químicos según el tipo de
receptores que los detectan.
- un conjunto de azúcares
que son detectados por el mismo sistema de transporte por traslocación de grupos (PTS)
que los introduce en forma modificada al interior (repasar
el tema 7); parece ser que el nivel de fosforilación de la enzima-II
específica (por ej., la E-IIGlc) constituye la señal para controlar el
conmutador flagelar en el caso de la atracción hacia cada azúcar.
- una serie de atrayentes
orgánicos y de repelentes orgánicos e inorgánicos que son captados directamente por
proteínas integrales de membrana citoplásmica, y que funcionan exclusivamente como receptores
sensoriales;
- quimioatrayentes
orgánicos que se unen primero a proteínas específicas del espacio periplásmico (PBP),
que son las mismas proteínas periplásmicas implicadas en el transporte de estas
sustancias sensible al choque osmótico (repasar el
apartado correspondiente del tema 7). El complejo PBP-atrayente se puede unir
al receptor específico de membrana de tipo similar al citado en el párrafo anterior. Por
lo tanto, este sistema se puede considerar como una variante del anterior, en la que hay
una "estación" intermedia de "recogida" del estímulo por parte de la
correspondiente proteína periplásmica de transporte.
Estos dos últimos tipos de estímulos usan los receptores llamados MCP, es decir, proteínas
quimiotácticas aceptoras de metilos:
Transmiten información desde el periplasma al citoplasma. Se han estudiado 4
proteínas MCP homólogas que atraviesan la membrana, Actúan como receptores y
transductores, al unirse directamente a algunos aminoácidos y repelentes, y con
proteínas de unión periplásmicas que se ligan a ciertos azúcares y dipéptidos (estas
proteínas de unión sirven simultáneamente como parte de los sistemas de transporte
sensibles a choque osmótico).
Receptor de tipo MCP |
Aminoácidos atrayentes |
Azúcares atrayentes (1) |
Repelentes |
Tsr |
Ser
Ala
Gly |
|
Acetato, leucina, benzoato, indol |
Tar |
Asp
Glu |
Maltosa |
Cobalto, níquel |
Trg |
|
Galactosa, ribosa |
|
Tap |
Dipéptidos |
|
|
(1) Los azúcares no se unen directamente al MCP, sino que lo hace el
complejo formado por el azúcar y su correspondiente proteína de unión periplásmica.
Ejemplos:
- la maltosa se une a la
proteína periplásmica de unión a la maltosa (MBP), que a su vez se une al receptor Tar
(el mismo que recoge directamente aspártico y glutámico);
- la galactosa se une a su
proteína periplásmica (GBP), y a su vez el conjunto galactosa-GRP se une a un receptor
de membrana citoplásmica llamado Trg.
Las proteinas receptoras de membrana citoplásmica que acabamos de citar son
constitutivas, y funcionan exclusivamente en la recepción y transducción de estímulos
químicos (a diferencia de las periplásmicas, que son inducibles y no son exclusivas de
la quimiotaxis, sino que también están relacionadas con el transporte).
Organización molecular de un
receptor de membrana:
Los receptores de membrana que hemos visto hasta ahora son proteinas de unos 60 kDa,
bastante similares entre sí en sus secuencias, sobre todo en sus extremos C-terminales, y
muestran una estructura terciara común:
- segmento N terminal
corto, citoplásmico
- región ascendente en a -hélice, atravesando la membrana
- dominio periplásmico,
que contiene los sitios de unión para los efectores químicos
- otra región en a -hélice, descendente, atravesando la membrana citoplásmica
- dominio citoplásmico
C-terminal, con dos zonas funcionales:
región transductora: genera la señal excitatoria hacia el motor flagelar;
región metilable, que como veremos enseguida, funciona en la adaptación al estímulo.
Por ello estas proteinas se denominan MCP (iniciales inglesas de "quimiotácticas
aceptoras de metilo"). Los aminoácidos metilables son de 4 a 6 glutámicos
determinados (dependiendo del MCP concreto).
Proteínas implicadas en la ruta
de transducción intracelular de la señal
Todos los tipos de receptores (sean MCPs o no) transmiten información al flagelo por
medio de al menos parte de una cascada de fosforilación que implica 6 proteínas: CheA,
CheW, CheY, CheZ, CheR y CheB.
CheA. Es una proteínquinasa que se autofosforila en una His concreta (His-48) del
dominio amino-terminal. Es el regulador central del sistema quimiotáctico:
- Modula el conmutador
flagelar a través de CheY (el CheY-P origina más giro en sentido AR)
- Retroalimenta el nivel
de señalización de las MCP, a través de CheB (la CheB-P elimina metilos del MCP).
CheW. CheW es necesario para el acoplamiento entre CheA y el MCP. Se forman
complejos funcionales {MCP·CheW·dímero de CheA}.
CheY. Es una pequeña proteína globular con 5 láminas b
intercaladas con 5 hélices a. Se fosforila en el Asp-57. CheY
es fosforilado por CheA, y en su forma CheY-P interacciona con el conmutador. La
interacción entre CheY-P y el conmutador flagelar (sobre todo con FliM) parece que
incrementa la probabilidad de una inversión del giro desde CAR a AR, con lo que aumenta
la probabilidad de virajes.
CheZ. CheZ contrarresta la señal de viraje al facilitar la conversión de CheY-P
en CheY (sin fosforilar). No se sabe si CheZ actúa como una desfosfatasa o simplemente
estimula la intrínseca (aunque lenta) capacidad de CheY de desfosforilarse. CheZ es un
dímero que al interaccionar con CheY-P se oligomeriza. Al parecer, esa oligomerización
regula la actividad "fosfatasa" de CheZ.
La adaptación: CheR, CheB y la metilación de la MCP: La memoria celular para que
la bacteria detecte gradientes de concentración en función del tiempo es el resultado de
la metilación de las MCPs por la CheR, y de su desmetilación por CheB-P.
Dependiendo del receptor, la MCP puede metilarse en 4-6 sitios, que son siempre ciertos
glutámicos (Glu) conservados, presentes en el dominio citoplásmico. La metiltransferasa
CheR metila transfiriendo grupos metilo desde la S-adenosilmetionina (SAM) a dichos
glutámicos específicos.
En ausencia de estímulo, hay un nivel basal de metilación, pero la unión de
estímulo químico al dominio periplásmico del MCP provoca algún cambio conformacional
en el citoplásmico, que hace que esos sitios sean más o menos accesibles a la
metilación:
- Si se une atrayente à más accesible a metilación
- Si se une repelente à menos accesible a metilación.
La adaptación ocurre (al parecer) porque la metilación creciente disminuye
progresivamente la capacidad del MCP unido al atrayente de suministrar la señal, de modo
que el MCP regresa al estado anterior al estímulo.
CheB-P es una metilesterasa que ajusta el estado señalizador del MCP eliminando grupos
metilo, que pasan a metanol. CheB se fosforila por CheA, y la forma fosforilada parece ser
la responsable de la mayor actividad metilesterasa. El sitio de fosforilación reside en
el dominio amino terminal, que presenta homología con CheY.
El ciclo de
excitación-adaptación
¿Qué es lo que ocurre cuando cada quimioefector se une a su receptor correspondiente?
¿Cómo se transmite la señal hasta el motor flagelar? Esto es lo que vamos a tratar a
continuación.
Cuando se coloca a una bacteria en un gradiente de atrayente se observa a lo largo del
tiempo una respuesta con 3 fases distintas:
- fase de latencia (que
dura unos 0.2 seg.), en la que el patrón de rotación no se modifica.
- rápida excitación
(medida aquí como la probabilidad de encontrar al rotor girando en sentido CAR).
- fase de adaptación
lenta, hasta que se restablece el patrón inicial.
¿Cómo se puede explicar esto? Veamos una hipótesis:
- MCP sin estímulo: à tiene una media de 1
metilo/molécula (nivel basal). En esta situación, la CheA tiene un nivel basal de
fosforilación, que sirve para fosforilar a CheY y aCheB. El motor flagelar presenta un
patrón de giro de unos cuantos segundos en sentido CAR (à
natación en línea recta), y breves períodos de sentido AR (à
virajes). Ahora veremos cómo este flujo basal de información hacia el flagelo y de
metilación del MCP se altera con un estímulo químico. Veamos lo que ocurre con una
sustancia atrayente.
- adición del atrayente: fase de transducción intramolecular de la señal: el
atrayente provoca un cambio conformacional en el dominio periplásmico, que se transmite
por medio de la región transmembranal hasta el dominio citoplásmico, que a su vez cambia
también de conformación. Este cambio del dominio citoplásmico supone de hecho una modificación
de la región efectora de este dominio que transmite la señal hacia el motor
flagelar. El tiempo que tarda en llegar al motor explica el periodo de latencia.
Durante esta fase el nivel de metilación no se altera, pero el cambio
conformacional deja "activados" a los glutámicos metilables.
- Transducción intracelular de la señal:
el cambio conformacional del dominio
citoplásmico tiene el efecto de inhibir la activación de la CheA, de modo que desciende
el nivel basal de su autofosforilación, lo que se traduce en que se fosforilan menos
moléculas de CheY y de CheB. Al haber menos CheY-P, llegan menos señales al conmutador
flagelar de que cambie a sentido igual al de las agujas del reloj. Por lo tanto, se
prolongan los períodos de natación en línea recta (y es más probable que la bacteria
se acerque al estímulo químico).
- Mientras tanto, ha estado actuando la metiltransferasa (CheR), que ha ido añadiendo
metilos a los glutámicos del dominio citoplásmico de la MCP. Si pasa un cierto tiempo y
el dominio periplásmico sigue ocupado por el quimioatrayente, se alcanza un gran nivel de
metilación en ese dominio citoplásmico. Esto hace que el dominio efector citoplásmico
vuelva a una configuración "nula", o sea, deja de emitirse señal excitadora. A
ello colabora igualmente que el nivel de metilesterasa (la proteína CheB-P, es decir la
forma fosforilada) sea bajo. Esta es la explicación molecular de por qué ocurre al cabo
de unos segundos la adaptación lenta al estímulo.
Como la metilación es relativamente lenta, esto significa que si en un determinado
momento la concentración actual de quimioefector (detectada por el grado de ocupación
del dominio periplásmico) es similar a la concentración unos segundos antes (manifestada
por el nivel de metilación del dominio citoplásmico), la bacteria "sabe" que
lleva ya un cierto tiempo acercándose al estímulo. Si la metilación se ha estabilizado
a un nivel alto, se produce un cambio conformacional por el que el MCP deja de emitir
señal (estado nulo), y la bacteria se ha adaptado al estímulo.
Como ejercicio, veamos qué pasaría si ponemos un repelente: la unión del repelente
al MCP provoca un cambio conformacional que hace que el dominio citoplásmico interaccione
ahora con el complejo CheW·CheA de modo que se aumenta la tasa de autofosforilación de
CheA. Ahora esta CheA fosforila tanto a CheY como a CheB. La CheY-P difunde a la base del
flagelo e interacciona con el conmutador (sobre todo con FliM y FliG), y "da la
orden" de que se cambie más a menudo a giro en sentido de las agujas del reloj (AR),
lo que hace que la bacteria vire caóticamente más a menudo. Con ello aumentan sus
probabilidades de que encuentre una dirección de natación más favorable (en sentido
opuesto al gradiente), en cuyo caso tendríamos un patrón similar a cuando se une un
atrayente. Mientras tanto, la CheR ha encontrado más difícil acceder a los glutámicos,
y el mayor nivel de la metilesterasa (CheB-P) hace que se eliminen metilos.
RECAPITULEMOS:
- Añadimos un atrayente à unión a MCP à cambio conformacional que provoca una inhibición del nivel
basal de fosforilación de CheA à rotación CAR à natación en línea recta durante mayor tiempo.
- Simultáneamente el MCP estimulado expone sus resíduos de glutámico. Si el estímulo
continúa durante un tiempo (durante el que la bacteria sigue nadando), aparece la
regulación específica de ese receptor por la metiltransferasa à
gradualmente se van añadiendo metilos que hacen que deje de producirse señal excitatoria
(adaptación lenta).
- Pero además, baja la tasa de metil-esterasa, lo que colabora a esta adaptación (debido
a que deja de fosforilarse la CheB). La bacteria está preparada para recibir un estímulo
distinto, superior.
Determinadas bacterias (las Gram-negativas del género Proteus, ciertas especies
de Vibrio, Serratia, algunas Gram-positivas de los géns. Clostridium y Bacillus)
tienen la capacidad de extenderse rápidamente sobre superficies sólidas húmedas, a base
de oleadas periódicas. Este fenómeno se denomina dispersión ("swarming",
en inglés), y en placa de agar se manifiesta por la invasión de toda la superficie
a partir del foco de inoculación.
La base de este fenómeno se ha estudiado sobre todo en Proteus mirabilis y en Vibrio
parahaemolyticus. Nos referiremos a esta última bacteria:
En medio líquido, V. parahaemolyticus es un bacilo provisto de un flagelo polar
recubierto por una vaina que consiste en una prolongación de la membrana externa.
Este tipo de célula se denomina nadadora, y su sistema de natación por ese flagelo
envainado se denomina Fla.
Cuando se pasa a una superficie húmeda, ocurre un fenómeno de diferenciación: se
detiene la división celular, aunque la bacteria sigue creciendo à
la bacteria se convierte en un largo filamento, y al mismo tiempo se producen numerosos
flagelos laterales, no envainados, que se agregan formando haces. Este segundo sistema
flagelar se denomina Laf, y es totalmente distinto al Fla:
- los flagelos carecen de
vaina;
- todos sus componentes
estructurales (filamento, corpúsculo basal, etc) son distintos a los del sistema Fla.
Este tipo de células de flagelación mixta (flagelo polar envainado + flagelos
laterales) son las células dispersivas, que están adapatadas a colonizar rápidamente
superficies sólidas o semisólidas húmedas. Ambos tipos de células comparten, sin
embargo, el mismo sistema intracelular de transducción de estímulos ambientales
(proteínas Che de la quimiotaxis). )Cómo
se produce la transición desde una célula nadadora a la fase dispersiva? Parece ser que
existe un nexo de regulación entre el flagelo polar y la expresión inducible de los
genes codificadores del sistema de flagelos laterales:
Cuando una célula nadadora llega a un medio de alta viscosidad (por ejemplo, la
superficie de un epitelio de un animal), el flagelo polar actúa como un sensor táctil,
a modo de dinamómetro, registrando la información sobre esa densidad. La señal se
deriva de la resistencia que encuentra este flagelo a rotar en ese entorno de mayor
densidad y viscosidad. Ello provoca una transducción intracelular de esa señal ambiental
(por un mecanismo aún desconocido) que "desbloquea" la transcripción de los
operones del sistema Laf (que hasta entonces estaban "silenciosos").
Pero además, se requiere una segunda señal para esta desrepresión: esta
señal es que simultáneamente, en ese medio viscoso debe de haber bajas
concentraciones de hierro. Esto tienen un gran significado adaptativo relacionado con
el modo de vida de esta bacteria: para que la bacteria se embarque en un proceso
"caro" y complejo como la producción de esos flagelos, tiene que tener la
"seguridad" de que ha llegado a un hábitat apropiado (un tejido animal). La
bacteria deduce eso por dos señales simultáneas: el medio es más viscoso y además, hay
carencia de Fe (el interior de los vertebrados carece de Fe libre). La detección
simultánea de estos dos buenos indicios desreprime la producción del sistema Laf, que
permite que esta bacteria colonice rápidamente el epitelio, su "nicho
ecológico" al que se encuentra adaptada evolutivamente.
Son un tipo de flagelos que presenta exclusivamente el grupo de las Espiroquetas. Estas
bacterias Gram-negativas son extremadamente finas y de forma helicoidal. Están compuestas
de:
- cilindro
protoplasmático, formado por el protoplasto rodeado de la capa de peptidoglucano. El
sáculo de mureína de este PG tiene forma helicoidal, y es responsable de la
típica morfología de estas bacterias;
- membrana externa;
- entre el cilindro
protoplasmático y la membrana externa se encuentran los peculiares flagelos, insertados
subpolarmente y enrollados alrededor del cilindro. Estos flagelos se denominan flagelos
periplásmicos (= endoflagelos = fibrillas axiales).
Estructura
Cada flagelo, en sí mismo, es similar al tipo de flagelo clásico ya estudiado:
- corpúsculo basal, con
dos pares de anillos (excepto en Leptospira, con sólo un par);
- codo
- filamento, a base de
subunidades de flagelina.
Ahora bien, lo característico es la disposición de los flagelos que salen de cerca de
cada extremo, en relación con el cuerpo celular:
- En la mayoría de las
especies, cada flagelo se extiende a lo largo del eje bacteriano, paralelo a la
superficie del cilindro protoplasmático, hasta alcanzar los 2/3 de la longitud total;
esto se traduce en que los flagelos que salen de cada extremo se solapan en la zona
central (la excepción la tenemos en el gén. Leptospira, en que no se
solapan).
- Las distintas fibrillas
provenientes de cada extremo discurren paralelas y cercanas. El conjunto de estas
fibrillas se manifiesta como filamento axial, recubierto por membrana externa.
Papel de los endoflagelos en la movilidad de las espiroquetas
Los flagelos de estas bacterias, paralelos al eje longitudinal de la célula, están anclados
al cilindro protoplasmático, que es rígido (mientras que la membrana externa es
flexible). Al girar los flagelos de los dos extremos en el mismo sentido, obligan a girar
al cilindro rígido en un sentido, y a la membrana externa en sentidos contrarios.
El efecto es que el cilindro protoplasmático gira en torno del filamento axial formado
por los flagelos periplásmicos. Esta es la base de los distintos tipos de movimientos
que podemos observar en estas bacterias:
En medios líquidos se mueven
- por avance muy rápido a
modo de torniquete (el cuerpo bacteriano se comporta como un sacacorchos)
- se pueden ver también
contorsiones, "latigazos", etc.
Sobre la superficie de medios sólidos:
- por rodamiento de la
hélice. Esto se debe a que el filamento axial confiere movimiento de rotación a la
membrana externa, lo que se traduce en que la bacteria pueda rodar. (Tome el alumno un
muelle, deposítelo sobre una mesa y déle un empujón).
- Flexiones. Se provocan
ondas propagables del cilindro. La bacteria puede avanzar a modo de las larvas de las
mariposas geómetras
Todos estos tipos de movimiento son adaptaciones evolutivamente conseguidas que
permiten el rápido avance en medios de alta densidad (fangos espesos, mucosas de los
animales, etc), medios donde los flagelos típicos ya no pueden servir adecuadamente. La
evolución ha hecho que las espiroquetas se adapten, por su peculiar estructura y la de
sus flagelos, a medios muy viscosos: de hecho, se mueven con mayor rapidez a 300-500 cP
que a 10-50 cP. Presentan, además taxias positivas hacia esos medios viscosos.
Son apéndices filamentosos rectos y rígidos, más cortos y más finos (3-10 nm de
diámetro) que los flagelos, y que aparecen en muchas bacterias (sobre todo
Gram-negativas). La mayoría están compuestos por un solo tipo de proteína (la pilina),
de unos 17-25 kDa, cuyas subunidades se disponen en una matriz helicoidal que deja un
pequeño hueco central.
Están implantados a nivel de membrana citoplásmica.
Número variable: desde 1 a varios cientos o miles por célula.
Disposición: alrededor de todo el perímetro celular, y a veces, de inserción
polar.
Aislamiento: por simple agitación mecánica de las células, seguido de
ultracentrifugación.
Composición: ensamblaje de subunidades de pilina, proteína globular muy
hidrófoba.
Ensamblaje: inserción de subunidades de pilina en la base del pelo en crecimiento,
a partir de pre-pilina, que se procesa por escisión del correspondiente péptido-líder a
su paso por la membrana citoplásmica.
Existen tres tipos principales de pili (pilus, en singular):
- fimbrias adhesivas
- pelos sexuales
- otros
Fimbrias adhesivas
Son pelos de 4 a 7 nm de diámetro (según especies), repartidas por toda la
superficie y que funcionan como adhesinas, es decir como estructuras para la
adhesión a sustratos vivos o inertes. Condicionan varias propiedades biológicas,
derivadas de sus propiedades adhesivas:
- microcolonias y velos
(los velos son películas formadas por acúmulos de bacterias en medios estáticos -en
reposo-).
- adhesión a superficies
inertes
- adhesión superficies
vivas. En el caso de bacterias patógenas, esta capacidad tiene que ver con su virulencia,
invasividad del tejido.
Ejemplos de función como adhesinas:
- en la formación de la placa
dental, por coagregación de individuos de distintas especies sobre el diente;
- factores de colonización
de tejidos, por ejemplo en el gonococo (Neisseria gonorrhoeae) y en las cepas
uropatogénicas de Escherichia coli.
La función de adhesina no reside en la pilina que constituye la inmensa mayoría de la
fimbria, sino en una proteína especial de la punta del pelo. La mayoría de estas
proteínas de la punta pertenecen a la clase de las llamadas lectinas, es decir,
proteínas o glucoproteínas capaces de unirse con gran afinidad a cadenas laterales de
polisacáridos presentes en la membrana citoplásmica de las células del hospedador a
las que se adhieren.
Aspectos genéticos: Los genes codificadores de las proteínas de los pelos
adhesivos son de localización cromosómica. En muchas bacterias patógenas se da
un fenómeno de variación de fase: se trata de cambios rápidos y reversibles por
los que células piliadas (Fim+) pueden convertirse en no piliadas (Fim--),
y viceversa. El significado adaptativo es que los individuos Fim+ son los más
capaces de iniciar la colonización del animal hospedador, pero son más sensibles a la
fagocitosis, mientras que una vez que han colonizado el epitelio, el cambio a Fim--
permite que los individuos resistan mejor la fagocitosis.
Pero además, existe otro interesante mecanismo adaptativo: las células Fim+
de algunas especies experimentan fenómenos de variación antigénica, es decir,
por una serie de mecanismos genéticos, cambian la especificidad antigénica de su
pilina, lo que supone una estrategia de evitación contra el sistema inmune del hospedador
(un caso más de esa "carrera de armamentos" evolutiva que se libra entre
microorganismos y organismos superiores).
Algunas pilinas (por ejemplo, en los géneros Moraxella y Neisseria)
sirven también como parte del aparato necesario para la transformación genética por ADN
exógeno.
Pelos sexuales de enterobacterias
y otras bacterias Gram-negativas
Son más largos y más gruesos (unos 10 nm de diámetro) que las fimbrias adhesivas.
Aparecen en menor número (de 1 a 10 por célula), y su función es la de permitir los
contactos iniciales en la conjugación, como órgano de reconocimiento entre la
bacteria donadora, dotada del pelo sexual, y la receptora, carente de él.
Sus genes son de localización plasmídica.
Hay dos clases principales de pelos sexuales: los de de tipo F y los de tipo I,
cada uno con un tipo de proteína distinta (genéricamente conocida como pilina sexual).
Son usados como receptores específicos por parte de algunos fagos.
Hablaremos de los pelos sexuales cuando abordemos el capítulo de Conjugación
bacteriana.
Otros tipos de pelos
Túbulos contráctiles polares de los géneros Pseudomonas, Agrobacterium y Rhizobium.
Permiten en algunos casos la formación de rosetas de varios individuos unidos por los
túbulos, asi como receptores de fagos.
Tubos huecos de Agrobacterium, bastante gruesos (40 nm). Se desconoce su
función.
Son prolongaciones semirrígidas vivas, propias de ciertas bacterias, con un
diámetro menor que el cuerpo celular. Es decir, son apéndices del cuerpo celular
rodeados por membrana y pared celulares.
Funciones:
- En algunas bacterias
prostecadas funcionan en la reproducción (prostecas reproductivas o "hifas").
Ejemplos: Hyphomicrobium, Hyphomonas.
- En Caulobacter
actúa como apéndice para unión a sustratos inertes o para la formación de
rosetas de varios individuos, merced al botón de anclaje situado en el extremo
- En general, suponen un
modo de aumentar la relación superficie/volumen, lo cual redunda en:
- mayor capacidad de
flotabilidad para ciertas bacterias planctónicas;
- mayor superficie para la
captación de nutrientes en ambientes oligotróficos.
Ejemplos: Ancalomicrobium, Prosthecomicrobium, Stella, etc.
4. TALLOS O
PEDÚNCULOS
Son estructuras filamentosas no vivas, terminadas en botones de anclaje (discos
adhesivos), producidas por secreción continua de materiales polisacarídicos en una zona
concreta de la superficie bacteriana.
Función: Permite la unión de ciertas bacterias de hábitats acuáticos a
sustratos sólidos, vivos o no.
Ejemplos: Gallionella: es una bacteria con forma de media luna, de cuyo lado
cóncavo surgen de 3 a 40 filamentos helicoidales, terminados en botones de anclaje. Planctomyces:
es una bacteria con forma de pera, con flagelo subpolar, que pasa parte de su vida anclada
a sustratos por medio de un tallo constituido por numerosas fibras rectas.
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actualizado el 17 de agosto de 1998
Ó 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines
educativos.
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