ENDOSPORAS Y OTRAS DIFERENCIACIONES DE LA CÉLULA PROCARIÓTICA.

1.       LA ENDOSPORA BACTERIANA Y LA ESPORULACIÓN.

1.1.    INTRODUCCIÓN A LA ESPORULACIÓN BACTERIANA.

1.2.    ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA ENDOSPORA.

1.2.1. PROTOPLASTO O NÚCLEO.

1.2.2. PARED DE LA ESPORA.

1.3.    DESENCADENAMIENTO DE LA ESPORULACIÓN.

1.4.    FASES DE LA ESPORULACIÓN.

1.5.    GERMINACIÓN DE LA ENDOSPORA.

1.5.1. PREACTIVACIÓN.

1.5.2. ACTIVACIÓN.

1.5.3. INICIACIÓN O GERMINACIÓN EN SENTIDO ESTRICTO.

1.5.4. TERMINACIÓN Y CRECIMIENTO ULTERIOR.

2.       EXOSPORAS.

3.       DIFERENCIACIONES EN ACTINOMICETOS.

4.       QUISTES BACTERIANOS.

5.       DIFERENCIACIONES EN CIANOBACTERIAS.

1.  LA ENDOSPORA BACTERIANA Y LA ESPORULACIÓN.

    1.1.  INTRODUCCIÓN A LA ESPORULACIÓN BACTERIANA.

Estas bacterias suelen vivir en medios nutricionalmente pobres. La esporulación es un proceso que les permite sobrevivir largos períodos de carencia nutricional.

           

Las endosporas son formas de reposo 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.

               

1.2.    ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA ENDOSPORA.

Partes que comprende la endospora:

·        Protoplasto o núcleo 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.

1.2.1. 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⁺⁺.

                               

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:

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.

1.2.2. PARED DE LA ESPORA.

Situación: inmediatamente por encima de la membrana interna de la espora.

Composición: a base de un peptidoglucano 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.

1.3.    DESENCADENAMIENTO DE LA ESPORULACIÓN.

Para que se produzca la esporulación, se necesitan dos condiciones previas:

1) Los cultivos bacterianos han de estar en buenas condiciones.

2) Cuando cesa el crecimiento exponencial.

¿Qué estímulo es el responsable de desencadenar la esporulación? Lo que detiene el crecimiento de estas bacterias y dispara la esporulación es un estado de inanición, de carencia de nutrientes. El nutriente limitante que puede desencadenar la esporulación puede ser: la fuente de carbono, la fuente de nitrógeno o incluso la carencia de fosfatos.

1.4.    FASES DE LA ESPORULACIÓN.

Fase 0 (célula vegetativa):

Al final del periodo de crecimiento exponencial, la célula vegetativa contiene dos cromosomas.

 Fase I (t₀-t₁):

·         El material genético se condensa constituyendo un filamento axial.

·         Se forman dos espículas de la pared celular cerca de los polos hacia el interior, rodeadas.

·         Se sintetizan y se liberan al medio, antibióticos y varias exoenzimas.

Fase II (t₁-t₂):

·         Se termina por formar un septo transversal acéntrico, por invaginación de la membrana citoplásmica, y deposición de nuevo peptidoglucano entre las dos membranas adyacentes.

·         Cada nucleoide queda segregado en uno de los dos compartimentos que se han formado:

Ø  Un cromosoma va al compartimento pequeño (compartimento de la preespora).

Ø  La otra copia del cromosoma va al compartimento grande (célula madre).

·         En esta fase continúa la síntesis de los antibióticos y de las exoenzimas.

Fase III (t₂-t₃):

·         Independización del protoplasto de la preespora respecto de la célula madre.

·         La preespora queda rodeado por dos membranas de polaridad opuesta.

Fase IV (t₃-t₄):

·         Se forma casi por completo la corteza de la espora, por deposición de peptidoglucano entre las dos membranas.

·         También se deposita el peptidoglucano de la pared celular.

·         La preespora adquiere su aspecto refráctil.

·         Comienza la síntesis del ácido dipicolínico (DPA), así como la acumulación de Ca²⁺.

Fase V (t₄-t_{5 5}):

·         Los materiales de las cubiertas comienzan a depositarse por fuera de la membrana esporal externa.

·         Al final de esta fase se adquiere la resistencia al octanol.

·         Continúa la acumulación de DPA, que sigue secuestrando iones Ca²⁺.

Fase VI (t_{5 5}-t₇):

·         La preespora madura hasta espora.

·         Madura la corteza.

·         Maduran las cubiertas.

·         El citoplasma de la espora se hace más homogéneo y más denso a los electrones.

·         La espora se hace resistente al calor y al cloroformo.

·         Se adquiere resistencia a las radiaciones ultravioleta (UV).

·         Se adquiere resistencia a la lisozima.

Fase VII (t₇-t₈):

·         Liberación de la espora madura por autolisis de la célula madre.

               

1.5.    GERMINACIÓN DE LA ENDOSPORA.

La germinación es el proceso por el cual una espora se convierte al estado vegetativo.

·         Preactivación.

·         Activación.

·         Iniciación (o germinación en sentido estricto).

·         Crecimiento ulterior (entrada en fase vegetativa).

1.5.1. PREACTIVACIÓN.

Antes de que la espora esté en condiciones de germinar se requiere que sus cubiertas se alteren.

1.5.2. ACTIVACIÓN.

La activación es una etapa aún reversible, desencadenada por un agente químico externo (germinante) presente en el medio.

·         Iones inorgánicos (Mn²⁺, Mg²⁺).

·         L-alanina en B. subtilis.

·         Glucosa u otros azúcares.

·         Adenina u otras bases nitrogenadas.

El germinante es detectado por un receptor alostérico a nivel de la membrana esporal interna. Una vez que dicho receptor se activa, adquiere una capacidad proteolítica específica que le permite romper una proenzima que hasta ese momento se encontraba unida covalentemente al peptidoglucano de la corteza. La enzima resultante reconoce la lactama del NAM y comienza a hidrolizar el peptidoglucano cortical. La consecuencia es que comienza a entrar agua al protoplasto de la espora, por lo que la espora pierde su característica refringencia, y se comienza a perder la resistencia al calor.

               

Durante toda esta etapa el metabolismo está aún latente.

1.5.3. INICIACIÓN O GERMINACIÓN EN SENTIDO ESTRICTO.

En esta etapa la germinación se hace ya irreversible, y se rompe definitivamente el estado de dormancia, si bien el metabolismo es endógeno (no depende todavía de sustancias externas). Los principales acontecimientos bioquímicos son:

·         Se pierde DPA, lo que supone pérdida de Ca⁺⁺.

·         Este Ca⁺⁺ pasa al córtex se favorece la rehidratación del protoplasto y su hinchamiento.

·         El 3-fosfoglicérico dona su fosfato de alta energía para producir ATP.

·         Las pequeñas proteínas SASPs se hidrolizan. De este modo los aminoácidos constituyentes de las SASPs se reutilizan para la síntesis de nuevas proteínas por parte de la pequeña dotación de ribosomas y demás moléculas accesorias.

·         La ARN polimerasa comienza a sintetizar ARN (comienza la transcripción de genes vegetativos).

1.5.4. TERMINACIÓN Y CRECIMIENTO ULTERIOR.

Aparece ya el metabolismo exógeno, de modo que la espora puede tomar nutrientes del exterior y metabolizarlos. Los eventos bioquímicos y estructurales más notorios son:

·         Se sintetiza ADN.

·         El protoplasto crece aún más.

·         La pared de la espora sirve como cebador para la producción de la pared de la célula vegetativa naciente.

·         La célula vegetativa sale por rotura de las cubiertas.

2.       EXOSPORAS.

Determinadas bacterias forman esporas reproductivas por gemaciones sucesivas al final de sus prostecas. Estas exosporas poseen una envuelta a base de pared rodeada de una cápsula o cubierta gruesa.

3.       DIFERENCIACINES EN ACTINOMICETOS.

Los actinomicetos constituyen un grupo amplio y complejo de bacterias Gram positivas con tendencia a un tipo de crecimiento micelial y un estilo de vida similar a los hongos.

4.       QUISTES BACTERIANOS.

Son células que se producen en algunas especies por engrosamiento de la pared celular de la célula vegetativa, por deposición de nuevos materiales externamente a la membrana citoplásmica, al mismo tiempo que se acumulan materiales de reserva en el citoplasma. Poseen metabolismo endógeno, y resisten al calor, a la desecación y a agentes químicos más que la correspondiente célula vegetativa.

5.       DIFERENCIACIONES EN CIANOBACTERIAS.

En las cianobacterias filamentosas (que forman tricomas) se pueden observar dos tipos principales de células diferenciadas a partir de las vegetativas: heteroquistes y acinetos.

HETEROQUISTES (= HETEROCISTES).

                                                  

Son células de término, sin función reproductiva, especializadas en la fijación de nitrógeno molecular (N₂), de mayor tamaño que las células vegetativas.

                                                  

La conexión entre células vegetativas y heteroquistes se establece a través de un estrangulamiento de los polos de éstas. La unión está atravesada por una serie de finos canales llamados microplasmodesmos, que reducen al mínimo el intercambio de sustancias entre ambas células.

Por fuera de la pared celular (que es de tipo Gram-negativo), existen tres cubiertas:

·         Una capa laminada interna a base de glucolípidos exclusivos de cianobacterias.

·         Una capa homogénea central a base de polisacáridos.

·         Una capa fibrosa externa, también polisacarídica, pero menos compactada.

Estas tres capas evitan la difusión del O₂ al interior del heteroquiste, lo que representa uno de los mecanismos para la protección de la nitrogenasa (complejo enzimático que reduce el N₂ a NH₄⁺, y que es muy sensible al oxígeno).

Pero el heteroquiste dispone de más “estrategias” para la protección de la nitrogenasa:

·         Aparte de los microplasmodesmos, en las uniones con las células vegetativas adyacentes se forman sendos “tapones” de cianoficina.

·         Los tilacoides se disponen como un retículo polar y periférico, y carecen de ficobilisomas, por lo que no pueden realizar la fase II de la fotosíntesis. Por lo tanto, los heteroquistes no generan oxígeno, ya que sólo realizan la fotofosforilación cíclica.

ACINETOS (=AQUINETOS).

                                                  

Son formas de reposo que se originan a partir de células vegetativas, por acumulación de nuevas capas de materiales polisacarídicos por fuera de la pared celular, y por formación de acúmulos de reserva en el citoplasma.

                                                  

Resisten más que las células vegetativas los períodos de desecación y de congelación, pero no al calor.

                                                  

Cuando las condiciones ambientales mejoran, se producen sucesivas divisiones transversales en el acineto, que finalmente se convierte en un filamento más corto y menos grueso que los tricomas, llamado hormogonio.