CITOPLASMA. INCLUCIONES

CITOPLASMA. INCLUSIONES CITOPLÁSMICAS

CONTENIDOS

CITOPLASMA BACTERIANO (VISIÓN DE CONJUNTO) | INCLUSIONES DE RESERVA: INCLUSIONES POLISACARÍDICAS, GRÁNULOS DE POLI-SS-HIDROXIALCANOATO, 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:

• cuerpos nucleares (nucleoide);

• plásmidos (no en todas las cepas bacterianas);

• ribosomas;

• inclusiones (no en todas);

• orgánulos (no en todas).

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:

a. inclusiones polisacarídicas

b. gránulos de poli-ß-hidroxibutírico (o, en general de poli-ß-hidroxialcanoatos)

c. inclusiones de hidrocarburos

d. gránulos de cianoficina

2. Inclusiones inorgánicas:

gránulos de polifosfato

a. glóbulos de azufre

2.1 INCLUSIONES POLISACARÍDICAS

Son acumulaciones de  (1-->4) glucanos, con ramificaciones en  (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 carbonoosmóticamente 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 + { ,1-->4 glucano aceptor}n -----------------------------------------> { ,1-->4 glucano}n+1

Sobre este polímero lineal actúa la enzima ramificadora (que introduce enlaces  (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  (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--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 m 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 -hidroxibutírico y -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

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