La endospora bacteriana y la esporulación

LA ENDOSPORA BACTERIANA Y LA ESPORULACIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN A LA ESPORULACIÓN BACTERIANA

Algunas especies de bacterias Gram positivas (principalmente de los géneros Bacillus, Clostridium, Sporosarcina y Thermoactinomyces), disponen de una notable estrategia adaptativa cuando se ven sometidas a privación de nutrientes en su medio ambiente: si los niveles de fuentes de C, N, o P caen por debajo de un umbral, esto constituye una señal a la célula de que se avecina un largo período de privación de nutrientes. Entonces, la célula se implica en una serie de complejos cambios genéticos, metabólicos, estructurales, etc. (proceso deesporulación o esporogénesis), que conducen a la diferenciación, en el interior de la célula vegetativa original, de una célula durmiente (la endospora). La célula-madre (o sea, la célula vegetativa original que generó la endospora) finalmente se autolisa, liberando la espora, que es capaz de permanecer en estado criptobiótico, durmiente, varios decenios, -incluso siglos. Las esporas son fácilmente diseminadas por el aire; cuando caen en medios ricos en nutrientes, se desencadena su germinación, se reinicia la actividad metabólica, de modo que cada espora genera una nueva célula vegetativa, capaz de divisón binaria, etc.

O sea, la esporulación se puede considerar como un proceso de supervivencia “en última instancia”, la “última carta” que se juegan ciertas bacterias Gram positivas cuando se enfrentan a condiciones severas de hambre de nutrientes.

Significado adaptativo: Estas bacterias suelen vivir en medios nutricionalmente pobres (suelos, hierba seca, etc.). La esporulación es un proceso muy refinado que ha aparecido evolutivamente en una línea filogenética de bacterias Gram-positivas, y que les permite sobrevivir largos períodos de carencia nutricional. (Atención: NO son estrictamente formas de resistencia).

Las endosporas son formas de reposo (y no formas reproductivas), que representan una etapa del ciclo de vida de ciertas bacterias, y que se caracterizan por una estructura peculiar, diferenciada respecto de las células vegetativas, por un estado metabólico prácticamente detenido, y por una elevada resistencia a agentes agresivos ambientales.

La esporulación bacteriana es un sistema modelo donde se pueden estudiar, con relativa sencillez, determinados problemas biológicos más generales: ¿qué bases moleculares y genéticas tiene la diferenciación de un tipo de célula a otro tipo distinto?, ¿cómo se regula el proceso en función del tiempo y del espacio?, ¿cómo se “reparten los papeles” los tipos celulares implicados?, etc. Por esta razón, presenta un enorme interés para los biólogos, interesados en escudriñar las bases íntimas de este tipo de importantes cuestiones, tan frecuentes en los organismos superiores.

1.2 OBSERVACIÓN DE LAS ESPORAS

Al microscopio óptico, en fresco (sin teñir), aparecen como cuerpos esféricos, ovoides e incluso en algunas especies, cilíndricos, muy refringentes, libres, o aún incluidos en la célula vegetativa (célula madre).

Esporangio = célula madre + espora

El tamaño relativo de la espora, y su situación en el esporangio, son criterios taxonómicos importantes en las bacterias esporulantes.

Según que el diámetro de la espora sea o no mayor que el de la célula vegetativa:

Esporas deformantes

Esporas no deformantes

Según la localización de la espora dentro del esporangio:

Terminal

Subterminal

Central

Los esporangios deformantes de Clostridium son característicos:

en forma de cerilla o palillo de tambor (plectridios)

en huso (clostridios)

Tinción:

No se tiñen por los colorantes normales. Hay que forzar por calor y/o mordientes (por ejemplo, tras teñir reforzadamente con fuchsina, resisten decoloración por alcohol-ClH). Otra tinción muy empleada es la reforzada con verde de malaquita (que es la que el alumno realiza en nuestras prácticas de laboratorio).

1.3 ESTRUCTURA Y COMPOSICION QUIMICA DE LA ENDOSPORA

Partes que comprende la endospora:

Protoplasto o núcleo (“core”, en inglés), con la membrana citoplásmica de la espora (membrana esporal interna).

Pared de la espora (= Germen de la pared de la futura célula vegetativa).

Corteza o córtex, rodeado externamente de la membrana esporal externa.

Cubiertas

Exosporio (no universal: las esporas de algunas especies carecen de él).

Micrografía electrónica que muestra las partes principales de una endospora

1.3.1 PROTOPLASTO O NÚCLEO

El citoplasma de la espora está muy deshidratado. Sus componentes están inmovilizados en una matriz de quelatos de iones Ca++ y ácido dipicolínico.

El citoplasma de la espora contiene altas concentraciones de ion Ca++ (1-3% del peso seco de la espora), y de ácido dipicolínico (DPA) (10% en peso); ambos están formando un quelato, llamado dipicolinato cálcico (DPC), una sustancia exclusiva de las esporas bacterianas.

Papel del DPC: Como veremos, es una “reserva de Ca2+”, que durante la esporulación secuestra este ión, lo que tendrá un papel importante en la deshidratación del protoplasto; durante la germinación, la liberación del Ca2+ será fundamental en este proceso.

El protoplasto contiene un cromosoma completo, condensado, y todos los componentes indispensables para reiniciar el crecimiento vegetativo cuando la espora germine, pero carece de muchos componentes típicos de la célula vegetativa:

posee una pequeña dotación de ribosomas, junto con componentes estables de la maquinaria de síntesis de proteínas (ARNt, cofactores, etc.)

ARN polimerasa.

nucleósidos mono- y difosfatados, pero no NTP (no hay ATP)

carece de componentes inestables: no hay ARNm, ni enzimas biosintéticas, ni aminoácidos ni bases nitrogenadas libres, ni cofactores reducidos (NADH; CoA)

pero en cambio, existe una gran cantidad de una serie de pequeñas proteínas especiales (llamadas SASP, del inglés “small acid-soluble proteins”). Cuando se produzca la germinación, estas proteínas serán hidrolizadas rápidamente, y los aminoácidos resultantes serán empleados en la síntesis de nuevas proteínas necesarias en la germinación y crecimiento ulterior. Además, las SASPs están acomplejando al ADN (induciendo en él un cambio conformacional hacia la rara forma A, en vez de la B habitual), protegiéndolo del daño por luz UV.

la “moneda energética” de la espora es el 3-fosfoglicerato, otra molécula estable del protoplasto, que será convertido rápidamente a 2-fosfoglicerato, y de él a PEP (fosfo-enol-pirúvico) al germinar la espora (el PEP es donador de P para generar ATP).

Rodeando al protoplasto está la membrana citoplásmica (membrana interna de la espora), una bicapa lipídica carente de fluidez, posiblemente como resultado de su estructura policristalina.

1.3.2 PARED DE LA ESPORA

Situación: inmediatamente por encima de la membrana interna de la espora (ver micrografía a microscopio electrónico, o el esquema de la ultraestructura).

Composición: a base de un peptidoglucano (PG) similar al de la célula vegetativa, con sus característicos enlaces entre los tetrapéptidos.

Funciones: al germinar la espora, dará lugar a la pared celular de la nueva célula vegetativa, confiriéndole, mientras tanto, resistencia osmótica.

Origen: se sintetiza a partir de la prespora, atravesando los precursores la membrana interior que hemos citado arriba.

1.3.3 CORTEZA O CÓRTEX

(Obsérvese su aspecto a microscopio electrónico: transparente a los electrones, relativamente gruesa, a base de láminas concéntricas).

Composición: un peptidoglucano (PG) especial, diferente en composición al PG de la célula vegetativa:

30% del NAM tiene tetrapéptidos normales, pero el grado de entrecruzamiento es muy bajo (6%).

15% del NAM tiene solo la L-ala inicial, en lugar de tetrapétido.

55% de una modificación del ácido murámico (lactama del ácido murámico), producida por condensación del -COOH lactilo con el -NH2, para formar la lactama correspondiente).

Origen: Se sintetiza a partir de la célula madre, con sus intermediarios ensamblados a nivel de la membrana externa que rodea a la corteza.

Propiedades de la corteza:

1) Tiene un bajo grado de puentes entre tetrapéptidos (sólo un 6%). Ello condiciona:

a) una estructura más laxa, floja y flexible que el peptidoglucano normal, capaz de expandirse en ausencia de cationes que neutralicen sus grupos negativos (sobre todo del mDAP y del glutámico de los tetrapéptidos). Esto es la base de su apariencia de gel.

b) su rápida autolisis, durante la germinación de la espora.

2) la lactama del murámico condiciona una gran resistencia a la lisozima.

La corteza está limitada por la membrana esporal externa, procedente de invaginación de la membrana citoplásmica de la célula vegetativa madre. Posee una polaridad opuesta a la de la membrana esporal interna.

1.3.4 CUBIERTAS

Composición y estructura: la composición depende de las especies, pero en general, a base de una o varias proteínas de tipo queratina, todas muy ricas en cisteína y en aminoácidos hidrófobos, y que llegan a constituir el 60% en peso seco de la espora. Buena parte de la cisteína

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