Este documento describe las células diferenciadas procariotas, en particular las endosporas bacterianas. Explica la estructura, composición y procesos de esporulación y germinación de las endosporas. Describe las diversas fases de la formación de la espora y las propiedades de resistencia que le permiten sobrevivir en condiciones extremas. También menciona otras células diferenciadas procariotas como quistes y su importancia clínica y en el control bacteriano.

1. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
1. Diversidad
2. La endospora bacteriana
2.1. Observación
2.2. Composición química y estructura
p q
2.3. El proceso de esporulación o esporogénesis
2.4.
2 4 Propiedades biológicas de las esporas
2.5. Fenómenos bioquímicos asociados a la esporulación
2.6.
2 6 Germinación
3. Otras células diferenciadas
• Quistes b t i
Q i t bacterianos
• Mixosporas
• Acinetos Germinación
1

2. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
Objetivos del tema
j
1. Conocer las endosporas, el proceso de esporulación y de germinación
2. Asimilar que la esporulación no es un proceso de reproducción celular
sino de diferenciación
3. Conocer las propiedades biológicas de las endosporas y su significado
4. Implicaciones metodológicas de las endosporas
4 I li i t d ló i d l d
5. Establecer las principales diferencias entre las endosporas y las células
vegetativas
g
6. Conocer el proceso de germinación
7. Otras formas de diferenciación celular en procariotas
2

3. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
1. Diversidad de células diferenciadas
• Son estructuras de latencia o reposo
p
Bacillus megaterium
• Con baja o nula actividad metabólica: Criptobiosis
• Con especiales propiedades de resistencia
p p p
• Son consecuencia de cambios morfológicos y bioquímicos: de
diferenciación celular
o Endosporas
Clostridium botulinum
o Quistes bacterianos
o Mixosporas
o Acinetos o aquinetos
3

4. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.
2 La endospora bacteriana
• Descubiertas por Tyndall (avance en técnicas microbiológicas)
• Producidas por ciertas especies del dominio Bacteria en respuesta a
una limitación nutricional
• Son formas de reposo, durmiente (criptobiótica = sin metabolismo)
p , ( p )
• Se forman dentro de la célula bacteriana.
• No son formas de reproducción ni de crecimiento (de diferenciación)
p ( )
• Son de extraordinaria resistencia al calor y a otros agentes físicos y
químicos
• Sobreviven en condiciones extremas (esporas atrapadas en ámbar por
mas de 25 millones de años han germinado en medios nutritivos)
o Esporulación: proceso de formación de esporas
o Germinación: las esporas vuelven a células vegetativas
4

5. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
EL MÉTODO DE ESTERILIZACIÓN LLAMADO
TINDALIZACIÓN, QUE AÚN HOY EN DÍA ES ÚTIL
1. Calentamiento a 50-100oC (1-2 horas): mueren las células
vegetativas y sobreviven las esporas
2. Incubación a 30-37oC (24 horas): germinan las esporas dando
células vegetativas
3. Calentamiento a 50-100o C (1-2 horas): mueren las células
vegetativas
4. …
5. … 3
1 2 Esterilidad del medio

6. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
IMPORTANCIA CLÍNICA DE BACTERIAS ESPORULADAS
Clostridium tetani : tetanos
Bacillus anthracis : antrax o carbunco
IMPORTANCIA EN EL CONTROL BACTERIANO
Métodos de esterilización
Control en la Industria alimentaria (C.botulinum)

7. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.1.
2 1 Observación de las esporas
Microscopio óptico:
En f
E fresco o por contraste de fase: cuerpos refringentes (por el alto
d f fi
contenido en proteínas)
Por tinción: requiere el calentamiento (Tinción de Shaeffer-Fulton)
Shaeffer-Fulton)
Tinción de esporas
Tinción de Gram
7

8. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
CENTRAL NO TERMINAL SUBTERMINAL
DEFORMANTE DEFORMANTE DEFORMANTE
Endosporas bacterianas: La microscopia de contraste
de fase de bacterias esporulantes ha demostrado la
refractibilidad de las endosporas así como las formas y
localizaciones dentro de la célula madre. (útiles como
criterios ta onómicos )
taxonómicos.)
8

9. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.1. Observación de las esporas
Microscopio electrónico
Ha evidenciado la estructura fina de las esporas
Cortex
Exosporium Protoplasto
Cubiertas
C bi t
Pared de la
espora
Ej. Bacillus
Ej B ill cereus
9

10. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2. Composición química y estructura de la endospora
Protoplasto o núcleo ("core", en inglés), con la membrana
citoplásmica de la espora (membrana esporal interna).
10

11. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
2.2.1. PROTOPLASTO Ó NÚCLEO (core)
• Rodeando al protoplasto está la membrana citoplasmática (membrana interna de la
espora.
• El citoplasma de la espora está muy deshidratado Con altas concentraciones de ión
deshidratado.
Ca2+ (1-3%) y ácido dipicolínico DPA (10%). DIPICOLINATO CÁLCICO (solo en
endosporas bacterianas)
• ADN cromosómico condensado y pequeñas cantidades de los componentes
estables de la maquinaria de síntesis. No hay ARNm, ni enzimas biosintéticas, ni
aminoácidos ni bases nitrogenadas libres, ni cofactores reducidos (NADH; CoA).
• Posee gran cantidad de SASPs del inglés
SASPs,
"small acid-soluble proteins“ que condensan al ADN
Acido dipicolínico
• La "moneda energética" de la espora es el 3-fosfoglicerato
• pH á id 5 5 6 0
H ácido 5.5-6.0
DIPICOLINATO CÁLCICO 11

12. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2. Composición química y estructura de la endospora
Pared de la espora (= Germen de la pared de la futura célula
vegetativa).
12

13. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2. Composición química y estructura de la endospora
2.2.2. PARED DE LA ESPORA (= germen de la pared celular
de la célula vegetativa)
Situación:.
Composición: a base de peptidoglucano.
Funciones:
Origen:
13

14. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2. Composición química y estructura de la endospora
Corteza o córtex, rodeado externamente de la membrana esporal
externa.
14

15. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
2.2.3. CORTEZA Ó CORTEX Capa fibrosa multilaminar
Composición: un peptidoglucano (PG)
C i ió tid l
• 30% del NAM tiene tetrapéptidos normales, pero el
grado de entrecruzamiento es muy bajo (6%) Subunidad
(6%).
tetrapeptídica
• 15% del NAM tiene solo la L-ala inicial, en lugar de
tetrapétido. S b id d alanina
t t étid Subunidad l i
• 55% de una modificación del ácido murámico (lactama
del ácido murámico), producida por condensación del
), p p
COOH lactilo con el -NH2, para formar la lactama
correspondiente. Subunidad lactama murámica
Origen:
La corteza está limitada por la membrana esporal externa procedente de invaginación
de la MC de la célula madre Posee la polaridad opuesta
madre.
15

16. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2. Composición química y estructura de la endospora
p q p
2.2.3. CORTEZA Ó CORTEX
Propiedades d l corteza: Ti
P i d d de la t Tiene un b j grado d
bajo d de
puentes entre tetrapéptidos (sólo un 6%). Ello
condiciona:
• una estructura más laxa, floja y flexible
• su rápida autolisis
• la lactama del murámico condiciona una gran
resistencia a la lisozima.
Las modificaciones del glucopéptido
parecen ser importantes en la germinación
16

17. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
Cubiertas
17

18. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
2.2.4.
2 2 4 CUBIERTAS
Composición:
p
Propiedades: son muy insolubles e impermeables
18

19. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
Exosporio (no universal: las esporas de algunas especies
carecen de él).
19

20. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.2.
2 2 Composición química y estructura de la endospora
2.2.4. EXOSPORIO (No universal; ausente en esporas de ciertas
especies).
i )
Composición química: mezcla de proteínas,
polisacáridos complejos, y lípidos.
Estructura: Depende de las especies. Desde una
estructura membranosa como de saco cerrado delgado y
cerrado,
flojo (B.cereus) a envuelta más rígida y estrecha con
contactos físicos con la superficie de las cubiertas.
Propiedades: muy resistente a enzimas proteolíticas, l
P i d d i t t i t líti lo
que sugiere (pero no prueba directamente) que el
exosporio puede representar algún papel como barrera de
defensa externa de la espora También se ha sugerido
espora.
(pero no comprobado) que pudieran actuar concentrando
las proteínas que constituyen las cubiertas. Adherencia y
antigenicidad.
antigenicidad
20

21. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.3.
2 3 El proceso de esporulación
Comienza cuando cesa el crecimiento exponencial. 5-8 horas (Bacillus
subtilis)
Se desencadena por una limitación nutricional; un estado de inanición
El nutriente limitante que puede desencadenar la esporulación puede ser: la
q p p p
fuente de carbono, de nitrógeno o de fósforo (GTP)
ESPORULACIÓN
Célula vegetativa
Célula esporulante
Espora
21

22. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
FASES DE LA FORMACIÓN DE LA ESPORA
Síntesis de antibióticos y
exoenzimas
Síntesis de proteínas de
p
cubiertas
Síntesis de SASPs
Fase O: La célula vegetativa contiene Fase IV: Formación de PC y corteza
dos cromosomas
Fase I: Elongación y formación del Fase V: Formación de las cubiertas
filamento axial de ADN Fase VI: Maduración de la espora
Fase II: Invaginación y septación 22
Fase VII: Liberación de la espora madura
Fase III: Englobamiento

23. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.3.
2 3 El proceso de esporulación

24. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.4.
2 4 Propiedades biológicas de las esporas
Hipometabolia: Poseen la más baja tasa respiratoria de todos los seres vivos.
Por ello son capaces de sobrevivir en ausencia de nutrientes durante largos
períodos de tiempo.
Dormancia: Esta propiedad se refiere al hecho de que la espora es inerte a los
sustratos exógenos.
Resistencia: Al calor, desecación, radiaciones, agentes químicos, etc.
24

25. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
La resistencia de la endospora es debido a:
• Cubiertas proteicas que confiere resistencia a lisozima y químicos
• Al dipicolinato cálcico que estabiliza el ADN de la espora y
resistencia a radiaciones
• A proteínas solubles a pH ácido que saturan al cromosoma y lo
protege d l calor, desecación, químicos y radiación y sirven de
t del l d ió í i di ió i d
fuente de carbono y energía durante la germinación.
• A la deshidratación que elimina el agua de la endospora por osmosis
y protege del calor y radiación y detiene la actividad enzimática
• A enzimas de reparación de daños del ADN que reparan los daños
durante la germinación
• A la impermeabilidad de las cubiertas a sustancias químicas
25

26. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.5. Fenómenos bi
25 F ó bioquímicos asociados a la esporulación
í i i d l l ió
2.5.1. Cuerpos parasporales (insecticida biológico)
Algunas bacterias esporuladas, como Bacillus thuringiensis, B. popiliae y
algunas especies de Clostridium, forman cristales proteicos en el esporangio
simultáneamente a la formación de la endospora: son los llamados cuerpos
parasporales.
La función de estos cuerpos parasporales en la esporulación es
desconocida.
desconocida Bajo condiciones alcalinas se dis el en y la proteína se
alcalinas, disuelven
convierte en una poderosa toxina para larvas de lepidópteros y otros
insectos, cuando las ingieren vía oral
26
Plantas transgénicas (algodón, maiz..) con genes de cristales parasporales

27. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.5.
2 5 Fenómenos bioquímicos asociados a la esporulación
2.5.2. Síntesis de antibióticos
En la etapa II de la esporulación, se produce la síntesis de sustancias
antimicrobianas de naturaleza peptídica:
EDEÍNAS: Péptidos linelales básicos que inhiben la síntesis de ADN
• BACITRACINAS: Péptidos cíclicos que inhiben la síntesis de PC
• POLIMIXINAS: Péptidos lineales que modifican la estructura y
función de la MC.
Polimixina
27

28. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.6.
2 6 Proceso de germinación
endospora célula vegetativa
Ambiente nutritivo Pérdida de refringencia
Pérdida de termorresistencia
Captación de agua
Activación:
-calor
-químicos
Tres etapas que duran unos 90’:
activación, germinación y crecimiento

29. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
Etapas de la germinación
Preactivación: Alteración de las cubiertas En la naturaleza
cubiertas.
esto ocurre por erosión por envejecimiento
Germinación
1. Activación: desencadenada por un agente químico
externo (germinante) presente en el medio como: iones
inorgánicos (Mn2+, Mg2+); L-alanina; glucosa u otros
azúcares; adenina u otras bases nitrogenadas.
; g
2. Germinación: es irreversible, y se rompe definitivamente
el estado de dormancia, si bien el metabolismo es
endógeno
3.
3 Crecimiento ulterior: Aparece ya el metabolismo e ógeno de modo q e la
lterior a exógeno, que
espora puede tomar nutrientes del exterior y metabolizarlos, se sintetiza ADN; el
protoplasto crece aún más; la pared de la espora sirve como cebador (germen) para
la producción de la pared de la célula vegetativa naciente; la célula vegetativa sale
por rotura de las cubiertas, que puede ser de tipo polar o ecuatorial. 29

30. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
1. Activación (
1 A ti ió (reversible)
ibl )
Agente g
g germinante Receptor activación enzimas liticos
Córtex
2. Germinación (irreversible)
Pérdida de dipicolinato cálcico
+ Entrada de agua
H 2O La endospora comienza a perder sus propiedades
Destrucción -SASPs aa
del cortex -ARNpolimerasa
3-fosfoglicerato ATP Pérdida de la refringencia.
Pérdida de la resistencia.
Hinchazón protoplasto
H2O

31. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
3. Crecimiento
Crece el protoplasto
Se activa el metabolismo Síntesis de la pared celular de la célula vegetativa
Síntesis de macromoléculas
La él l
L célula vegetativa sale al exterior
t ti l l t i
Primera división celular fin de la germinación.

32. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
2.6.
2 6 Germinación

33. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
DIFERENCIAS ENTRE ENDOSPORAS Y CÉLULAS VEGETATIVAS
PROPIEDAD C. VEGETATIVAS ENDOSPORAS
Envoltura P.C Típica de Gram +
p PC, Corteza y cubiertas
Aspecto microscópico No refráctil Refráctil
Dipicolinato cálcico Ausente Presente
PHB Presente Ausente
Polisacáridos Alto Bajo
Proteínas (SASPs) Ausentes Presentes
Actividad d
A ti id d de agua citoplasmática
it l áti Alta
Alt Baja
B j
Actividad enzimática Alta Baja
Síntesis macromolecular Presente Ausente
Resistencia a químicos Baja Alta
Resistencia a la desecación Baja Alta
Resistencia al calor Baja Alta
Resistencia a la radiación Baja Alta
Sensibilidad a la lisozima Sensible Resistente
Sensibilidad a colorantes Sensible Resistente
Contenido en agua Alto 80-90% Bajo 10-25%
33
pH citoplasmático 7 5.5-6.0

34. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
3. Quistes bacterianos
Son células que se producen en algunas especies por engrosamiento de la
P.C. de la célula vegetativa, por deposición de nuevos materiales
externamente a la membrana citoplásmica al mismo tiempo que se
citoplásmica,
acumulan materiales de reserva en el citoplasma. Poseen metabolismo
endógeno, y no resisten al calor, si a la desecación y a agentes químicos
más que la correspondiente célula vegetativa (pero menos que las
endosporas).
Ej. Quistes de Azotobacter
Cuerpo central con PHB
Intina (lípidos y carbohidratos)
Exina ( lipoproteínas-carbohidratos)
Exocistorio
Qu s es células
Quistes y cé u as de Azotobacter vinelandii a 1000 X. Los
o obac e ea d 000 os
quistes son los mas brillantes y las células las mas oscuras.
34

35. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
4.
4 Mixosporas (Mixobacterias)
Microquistes de Mixobacterias, llamados mixosporas.
Los bacilos dentro de los cuerpos fructificantes se acortan y redondean
para producir las mixosporas. Sus envueltas constan de una corteza,
rodeada de cubiertas (interna y externa). Estas cubiertas se componen
de una glucoproteína muy rica en polisacáridos
polisacáridos.
Son resistentes a la desecación,
choque osmótico, radiaciones UV
y algo mas resistentes al calor
g
que los bacilos.
Cuerpos fructificantes
35

36. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
5. Acinetos (Cianobacterias)
5 A i t (Ci b t i )
Son formas de reposo que se originan a partir de células vegetativas por
vegetativas,
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
36

37. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
RESUMEN DEL TEMA:
El descubrimiento de la endospora apoyó al avance de la Bacteriología como ciencia:
• En el control de la contaminación de materiales, deterioro de alimentos en procesos de
conservación; control de enfermedades infecciosas…
• Ha servido como modelo para el estudio biológico de la célula procariota y su
diferenciación celular
SOBRE EL PROCESO DE ESPORULACIÓN:
• La formación de la endospora ocurre dentro de la célula.
• No es un proceso reproductivo sino de supervivencia
• Es un proceso muy complejo que implica la desrepresión de genes de esporulación
reunidos en varios operones (esporulón) y represión de genes activadores de las
principales rutas metabólicas
• No hay una partición igualitaria del material nuclear
• El protoplasto de la célula madre se degenera
• Normalmente ocurre en respuesta a condiciones medioambientales adversas

38. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
RESUMEN DEL TEMA:
SOBRE LA FISIOLOGÍA DE LA ESPORA:
La endospora es una célula diferente de la célula vegetativa
• Su contenido en agua libre es mínimo y presenta dipicolinato cálcio
• Está desconectada metabólicamente
• Extraordinariamente resistente
OTRAS FORMAS DE DIFERENCIACIÓN :
Los quistes bacterianos son células de reposo sin actividad metabólica
Como las endosporas son resistentes a agentes químicos y a la desecación
A diferencia de las esporas no son resistentes al calor
Las mixosporas de mixobacterias
Los acinetos de Cianobacterias

39. III.A. Descripción de la célula procariota. Células diferenciadas. Endospora
BIBLIOGRAFÍA
Í
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Tortora,
Tortora Funke y Case Introducción a la Microbiología 9 Edición .
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microorganismos (10ª Edición). Pearson Prentice Hall. (2003).
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procariota Microbiología (5ª
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Edición). Prescott, Harley y Klein. Mc Graw-Hill (2004).
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http://deepti.myweb.uga.edu/
39