Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat

I 0 flashcards i 21 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS MICROBIOLOGIA Grau en Biotecnologia Universitat de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts de Microbiologia General (UB): estructura cel·lular, metabolisme, genètica, diversitat de bacteris, arqueus, virologia i control del creixement.

APREN.AI Índex 1 Morfologia i paret cel·lular bacteriana Morfologies bàsiques de la cèl·lula bacteriana La paret bacteriana: funcions i estudi mitjançant protoplasts Estructura molecular i biosíntesi del peptidoglicà Diferències estructurals entre bacteris Gram-positius i Gram-negatius La membrana externa, l'espai periplasmàtic i el lipopolisacàrid (LPS) Fonament de la tinció diferencial de Gram 2 Membrana plasmàtica i transport de soluts Estructura bàsica de la membrana plasmàtica Diferències estructurals entre Bacteria i Archaea Proteïnes de membrana i invaginacions internes Mecanismes de transport a través de la membrana Fàrmacs que alteren la membrana plasmàtica 3 Estructures extracel·lulars i motilitat bacteriana Capes mucilaginoses externes: càpsula i llims Motilitat bacteriana i fenòmens de tactisme L'aparell flagel·lar procariota Fímbries i pilis sexuals 4 Citoplasma bacterià, inclusions i nucleoide El citoplasma bacterià: organització física i inclusions Citoesquelet procariota i maquinària de traducció (ribosomes 70S) Dianes antibiòtiques ribosòmiques i interacció farmacològica Organització del nucleoide bacterià Elements extracromosòmics: plasmidis i transposons 5 Genètica bacteriana i transferència horitzontal de gens Transformació bacteriana i estat de competència Conjugació i soques Hfr Transducció viral: cicles f识ics i modalitats 6 Nutrició i medi de cultiu bacterià Requeriments nutritius cel·lulars i tipus tròfics Classificació i disseny dels medis de cultiu Factors fisicoquímics que condicionen el creixement bacterià Aïllament i obtenció de cultius purs 7 Dinàmica del creixement bacterià i mètodes de quantificació Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 1 Creixement microbià i fissió binària Mètodes de quantificació de la biomassa i del nombre cel·lular Estats fisiològics i preservació de cultius Cinètica del creixement en sistema tancat Factors ambientals i detoxificació de l'oxigen 8 Control del creixement bacterià: esterilització i desinfecció Conceptes fonamentals del control microbià Mètodes físics d'esterilització i tractament tèrmic Agents químics i conservació d'aliments i aigües 9 Vies del metabolisme bacterià i generació d'energia Mecanismes de conservació energètica en el catabolisme Vies de degradació inicial de la glucosa Respiració cel·lular: descarboxilació del piruvat i cicle de Krebs Cadena respiratòria, quimioosmosi i força proto-motriu Respiració aeròbica enfront de respiració anaeròbica Rutes fermentatives: regeneració del balanç redox Reaccions fototròfiques bàsiques 10 Taxonomia, filogènia i identificació microbiana Delimitació del concepte d'espècie en microbiologia Criteris i tècniques d'identificació bacteriana Filogènia molecular: els tres dominis i LUCA Nomenclatura, conservació i la diversitat no cultivable 11 Gramnegatius atípics: Espiroquetes i clamídies Morfologia i aparell motor de les espiroquetes Diversitat ecològica i clínica de les espiroquetes Biologia del gènere Chlamydia Espècies rellevants del gènere Chlamydia 12 Gamma-proteobacteris entèrics i afins Microbiota entèrica i trets generals d'Enterobacteriaceae Diferenciació metabòlica: fermentació àcida mixta i butanodiòlica Patògens entèrics principals: Escherichia coli, Shigella i Salmonella Altres enterobacteris d'interès clínic i ambiental Família Vibrionaceae: biologia de Vibrio, còlera i comunicació cel·lular 13 Pseudomones, bacteris ambientals i patògens respiratoris El gènere Pseudomonas: fisiologia i adaptació ecològica Pseudomonas aeruginosa: patogènesi i resistències Altres espècies d'interès ambiental i econòmic Dinàmica i maduració dels biofilms microbians Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 2 Legionella pneumophila: ecologia, reservoris i patologia humana 14 Bacteris microaeròfils i cocs Gram-negatius Bàcils espirilats microaeròfils digestius: Campylobacter i Helicobacter Patogènesi i diagnòstic d'Helicobacter pylori Cocs Gram-negatius: gènere Neisseria 15 Bacteris fotòtrofs i cianobacteris Principis de la fototròfia i pigments fotosintètics Cianobacteris: estructura cel·lular i motilitat Cèl·lules especialitzades: heterocistos i acinets Diversitat, relacions ecològiques i toxines Bacteris fotòtrofs anoxigènics: vermells i verds Estratificació vertical en llacs 16 Cicle del nitrogen i interaccions bacterianes amb les plantes El cicle biogeoquímic del nitrogen i el metabolisme bacterià Simbiosi mutualista: Rhizobium i les lleguminoses Patogènesi i transferència gènica per Agrobacterium tumefaciens 17 Grampositius formadors d'endòspores: Bacillus i Clostridium Ultraestructura i resistència de l'endòspora bacteriana Cicle d'esporulació i reactivació vegetativa Gènere Clostridium: caràcters generals i toxines associades Gènere Bacillus: ecologia, aplicacions i patogènesi 18 Firmicutes no esporulats i bacteris de l'àcid làctic Família Staphylococcaceae: caràcters generals i gènere Staphylococcus Família Listeriaceae: el gènere Listeria Bacteris de l'àcid làctic (BAL): metabolisme i caràcters generals Diversitat de gèneres de l'ordre Lactobacillales Mollicutes: l'excepció estructural del gènere Mycoplasma 19 Actinobacteris: Grampositius d'alt contingut G+C El fílum Actinobacteria: trets generals i diversitat Actinobacteris d'interès ecològic i biotecnològic El gènere Mycobacterium: estructura de la paret i patogènesi 20 Domini Archaea: Biologia dels extremòfils Distinció molecular i cobertes cel·lulars d'Archaea Fílum Euryarchaeota: Metanògens i Halòfils extrems Fílum Crenarchaeota: Termòfils i acidòfils extrems 21 Estructura dels virus i mecanismes de penetració Naturalesa, descobriment històric i dimensions Organització estructural: càpsida i àcids nucleics Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 3 Mecanismes d'adsorció i penetració cel·lular 22 Patogènesi viral, virus rellevants i agents subvirals Patrons d'infecció en cèl·lules animals i cultiu viral Virus de la grip (Orthomyxoviridae): variabilitat i estructura SARS-CoV-2 i Virus de la Immunodeficiència Humana (VIH) Virus gegants i agents subvirals: viroides i prions 23 Resum per repassar Estructura i citologia cel·lular Fisiologia, creixement i control Genètica i transferència de gens Diversitat de dominis i grups representatius Virologia i agents subvirals Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 4 1 Morfologia i paret cel·lular bacteriana EN ACABAR SABRÀS Distingir les principals morfologies cel·lulars bacterianes i les seves característiques dimensionals. Descriure la composició molecular i el procés de transport del peptidoglicà cap a la paret. Comparar les diferències estructurals entre la paret dels bacteris Gram-positius i Gram- negatius. Explicar el fonament químic dels passos de la tinció diferencial de Gram.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què un bacteri intacte sobreviu fàcilment en aigua destil·lada mentre que un protoplast s'infla i es destrueix immediatament? La microbiologia estudia els organismes microscòpics no perceptibles a ull nu, que engloben tant formes cel·lulars eucariotes com procariotes, a més dels virus com a entitats acel·lulars. Els bacteris presenten generalment dimensions compreses entre 1 i 10 μm, mentre que la seva membrana plasmàtica té un gruix de només uns 10 nm (vegeu «Membrana plasmàtica i transport de soluts»).

ESQUEMA Estructura cel·lular i embolcalls bacterians Morfologia bàsica Formes cel·lulars característiques Cocs i bacils Formes esfèriques i cilíndriques 〰 Espirilars i filamentoses Espirils, espiroquetes i hifes Paret cel·lular Protecció mecànica i osmòtica Peptidoglicà Xarxa de NAG-NAM i pèptids Tipus d'envoltura Gram-positius versus Gram-negatius Gram- positius Paret gruixuda i àcids teïcoics Gram- negatius Membrana externa, periplasma i LPS Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 5 Morfologies bàsiques de la cèl·lula bacteriana La forma externa d'un bacteri és un tret distintiu fixat per la rigidesa de la seva envoltura superficial.

Segons aquesta aparença geomètrica, es distingeixen diverses categories principals: Cocs: cèl·lules amb morfologia esfèrica o arrodonida. Bacils: cèl·lules allargades en forma de bastonet cilíndric. Espirils: cèl·lules amb curvatura helicoïdal rígida. Espiroquetes: estructures helicoïdals flexibles i visiblement més allargades que els espirils convencionals. Formes filamentoses: cèl·lules que generen filaments llargs i cilíndrics, característiques de la majoria de cianobacteris. Addicionalment, certs bacteris poden desenvolupar prolongacions o protuberàncies citoplasmàtiques denominades hifes, associades a processos de gemmació o a morfologies pedunculades.

COMPROVA-HO 2 Quina diferència morfològica bàsica separa un espiril d'una espiroqueta? La paret bacteriana: funcions i estudi mitjançant protoplasts La paret cel·lular bacteriana és una capa externa a la membrana citoplasmàtica fonamental per mantenir la morfologia, intervenir en el moviment i actuar com a factor de virulència. La seva funció primordial és constituir una barrera de resistència contra les pressions osmòtiques internes, evitant la lisi en medis hipotònics com l'aigua destil·lada i permetent l'adaptació a medis d'alta salinitat.

DEFINICIÓ Un protoplast és una cèl·lula bacteriana a la qual se li ha eliminat completament la paret cel·lular mitjançant tractaments enzimàtics o antibiòtics, adoptant una forma esfèrica similar a una ameba. Els protoplasts s'obtenen retirant la paret cel·lular mitjançant l'acció de la lisozima (freqüentment emprada per degradar la paret) o de penicil·lines (que impedeixen la seva correcta síntesi). En perdre la rigidesa estructural, els protoplasts perden la seva forma característica i esdevenen extremadament sensibles al xoc osmòtic.

Per estudiar-los sense que pateixin lisi cel·lular immediata i preservant el seu metabolisme, és imprescindible estabilitzar el medi de suspensió amb soluts osmoprotectors com clorur de sodi (NaCl) o polietilenglicol. ERROR FREQÜENT Confondre un protoplast amb un bacteri intacte o viable en qualsevol medi. Un protoplast ha perdut la paret: és osmòticament làbil i s'infla i es lisa immediatament en aigua destil·lada o solucions hipotòniques si no s'afegeixen agents estabilitzadors com polietilenglicol o NaCl.

Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 6 Estructura molecular i biosíntesi del peptidoglicà L'element estructural unificador de la paret de la major part dels bacteris és el peptidoglicà o mureïna. Es tracta d'un heteropolímer constituït per cadenes lineals alternades de dos glúcids aminats: N-acetilglucosamina (NAG) Àcid N-acetilmuràmic (NAM) Aquests monosacàrids s'uneixen successivament mitjançant enllaços beta(1-4), els quals són el punt diana escindit específicament per l'enzim lisozima. De cada residu de NAM surt una cadena peptídica de fins a cinc residus (pentapèptid). Aquests pèptids poden contenir tant L-aminoàcids com D-aminoàcids i àcid diaminopimèlic (DAP).

Les cadenes polisacarídiques paral·leles s'entrellacen mitjançant ponts creuats de pentaglicines o enllaços directes, conferint a la malla una resistència mecànica extraordinària. La síntesi d'aquest entramat s'inicia al citoplasma, on es formen les unitats monomèriques bàsiques de pèptid i sucre. Posteriorment, el transportador lipídic de membrana anomenat bactoprenol transloca aquests precursors a través de la membrana plasmàtica cap a l'exterior, on finalment es polimeritzen i s'acoblen a la xarxa preexistent. COMPROVA-HO 3 Quin paper juga el bactoprenol durant la formació del peptidoglicà?

Diferències estructurals entre bacteris Gram-positius i Gram-negatius La resposta diferencial dels bacteris al microscopi rau en l'organització macromolecular de la seva paret. Els bacteris Gram-positius disposen d'una paret gruixuda i densa de peptidoglicà adherida directament a una única membrana citoplasmàtica, integrant components accessoris com els àcids teïcoics. Per contra, els bacteris Gram-negatius contenen només una capa fina de peptidoglicà i compten amb una arquitectura de doble bicapa lipídica que genera compartiments especialitzats.

Característica Bacteris Gram-positius Bacteris Gram-negatius Membranes lipídiques Una única membrana (plasmàtica) Dues bicapes lipídiques (interna i externa) Gruix del peptidoglicà Capa molt gruixuda (mureïna abundant) Capa prima (poc peptidoglicà) Àcids teïcoics Presents Absents Espai periplasmàtic Absent o mínim Ben definit i delimitat Lipopolisacàrid (LPS) Absent Present a la fulla externa Porines Absents Presents a la membrana externa Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 7 La membrana externa, l'espai periplasmàtic i el lipopolisacàrid (LPS) En els bacteris Gram-negatius, l'espai comprès entre la membrana plasmàtica interna i la membrana externa s'anomena espai periplasmàtic.

Aquest compartiment de volum variable conté glicopèptids, proteïnes de transport, quimioreceptors i enzims hidrolítics indispensables per al processament de nutrients. Esquema de l'envoltura dels bacteris Gram-negatius i estructura química del lipopolisacàrid (LPS). La membrana externa és asimètrica: la seva cara externa conté el lipopolisacàrid (LPS), format per tres regions: 1. Lípid A: regió hidrofòbica ancorada a la membrana. Actua com a endotoxina bacteriana. En quantitats baixes desencadena inflamació i immunitat, però a concentracions elevades indueix un xoc sistèmic greu a l'hoste. 2. Core o nucli oligosacarídic: cadena d'unió d'oligosacàrids. 3.

Polisacàrid O (antigen O): cadena glucídica allargada exposada a l'exterior que atorga especificitat antigènica a la soca bacteriana. Per facilitar el trànsit de soluts i metabòlits a través d'aquesta barrera hidrofòbica impermeable, la membrana externa disposa de proteïnes transmembrana formadores de canals anomenades porines. Fonament de la tinció diferencial de Gram La tinció de Gram permet classificar els bacteris per l'afinitat i retenció de colorants segons l'estructura de la paret: Coloració primària: s'aplica cristall violeta, penetrant en el citoplasma de totes les cèl·lules.

1 Fixació amb mordent: s'afegeix lugol (solució de iode), formant un complex cristall violeta-iode insoluble de mida augmentada. 2 Decoloració amb alcohol: l'alcohol deshidrata la gruixuda paret dels Gram-positius tancant-ne els porus i retenint el complex (queden violetes). En els Gram-negatius, l'alcohol dissol la membrana externa rica en lípids i travessa fàcilment la fina paret de mureïna, rentant el cristall violeta (queden incolors). 3 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 8 COMPROVA-HO 4 Quina part molecular del lipopolisacàrid (LPS) provoca el xoc tòxic en l'hoste i quina part actua com a antigen?

IDEES CLAU Els bacteris mesuren de mitjana entre 1 i 10 μm, delimitats per una membrana plasmàtica d'uns 10 nm de gruix. El peptidoglicà o mureïna consisteix en unitats alternades de NAG i NAM enllaçades per unions beta(1-4), escindibles per lisozima. El bactoprenol és el transportador lipídic clau que transfereix els components del peptidoglicà a través de la membrana cap a la paret. Els protoplasts manquen de paret cel·lular i requereixen mitjans isotònics amb NaCl o polietilenglicol per no lisar-se. Els bacteris Gram-positius presenten una gruixuda capa de mureïna amb àcids teïcoics; els Gram-negatius tenen poc peptidoglicà, periplasma i membrana externa.

L'endotoxina dels bacteris Gram-negatius és la fracció del lípid A present en el lipopolisacàrid (LPS). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Com actua l'alcohol com a agent decolorant diferencial en la tinció de Gram? 6. Per què cal afegir soluts com clorur de sodi o polietilenglicol en suspensions de protoplasts? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Quin enllaç químic uneix la N-acetilglucosamina (NAG) i l'àcid N-acetilmuràmic (NAM) en el peptidoglicà? 8. Quina molècula del lipopolisacàrid (LPS) dels Gram-negatius actua com a endotoxina responsable de xoc?

Coloració de contrast: s'afegeix safranina, que tenyeix de color vermell o rosat exclusivament les cèl·lules prèviament decolorades (Gram-negatives). 4 Enllaç èter d'isoprè a) Enllaç glucosídic beta(1-4) b) Enllaç peptídic alfa(1-4) c) Enllaç fosfodièster d) Antigen O a) Àcid teïcoic b) Lípid A c) Porina de membrana d) Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 9 9. Quin és el transportador que mou els precursors del peptidoglicà des del citoplasma a l'exterior cel·lular? 10. De quin color s'observen els bacteris Gram-negatius després de completar correctament la tinció de Gram?

2 Membrana plasmàtica i transport de soluts EN ACABAR SABRÀS Distingir la composició lipídica de les membranes entre els dominis Bacteria i Archaea. Classificar els tipus de transport cel·lular segons la despesa energètica i la modificació del solut. Explicar el mecanisme d'acció diferencial de fàrmacs dirigits a la membrana plasmàtica. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Com aconsegueixen alguns microorganismes extremòfils evitar que la seva membrana plasmàtica es desintegri a altes temperatures? Estructura bàsica de la membrana plasmàtica La membrana plasmàtica constitueix la barrera dinàmica fonamental que delimita la cèl·lula.

Té un gruix d'aproximadament 10 nm, una dimensió mínima si es compara amb la mida mitjana dels bacteris (que oscil·la entre 1 i 10 μm). Aquesta estructura segueix el conegut model del mosaic fluid descrit originalment per Singer i Nicolson. Els procariotes presenten una organització interna simple: manquen d'embolcall nuclear i d'orgànuls membranosos. La relació superfície/volum és clau en aquests organismes. Quan una cèl·lula augmenta de volum, la superfície creix en una proporció menor, fet que limita la taxa d'intercanvi de nutrients i residus a través de la membrana.

En els bacteris gramnegatius existeixen dues bicapes lipídiques; la membrana externa es diferencia per la presència de lipopolisacàrids externs (vegeu «Morfologia i paret cel·lular bacteriana»). En termes generals, la matriu lipídica procariota és amfipàtica, amb zones polars hidrofíliques en contacte amb els medis aquosos i un nucli hidrofòbic intern.

Diferències estructurals entre Bacteria i Archaea La composició lipídica de la membrana permet distingir clarament el domini Bacteria del domini Archaea: Lisozima a) Polietilenglicol b) Porina OmpC c) Bactoprenol d) Violetes o blavosos a) Verds o groguencs b) Rosats o vermellosos c) Incolors o translúcids d) Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 10 Domini Bacteria: la membrana està constituïda per fosfolípids on els àcids grassos s'uneixen al D- glicerol mitjançant un enllaç èster. En lloc d'esterols típics d'eucariotes, els bacteris contenen molècules policícliques conegudes com a hopanoides, que aporten estabilitat i rigidesa a la membrana.

Domini Archaea: les cadenes hidrofòbiques no són àcids grassos lineals, sinó unitats repetides de cadenes ramificades d'isoprenoides, unides al L-glicerol mitjançant un enllaç èter. A més, algunes espècies poden presentar isoprenoides ciclats. En determinades arquees, aquests lípids formen una estructura de bifitanil: dues molècules de glicerol oposades queden unides covalentment a través de cadenes d'isoprenoides. Això dóna lloc a una resistent monocapa lipídica o bé a membranes mixtes que combinen zones de bicapa i de monocapa, fet essencial per resistir condicions extremes.

Característica Domini Bacteria Domini Archaea Tipus d'enllaç lipídic Enllaç èster Enllaç èter Cadenes hidrofòbiques Àcids grassos (lineals) Isoprenoides (ramificats o ciclats) Organització lipídica Sempre bicapa Bicapa, monocapa (bifitanil) o mixta Estabilitzadors estructurals Hopanoides (substitueixen esterols) Estructures d'isoprenoides particulars COMPROVA-HO 12 Quina conseqüència estructural té la presència de bifitanil en certes arquees en comparació amb els bacteris? Proteïnes de membrana i invaginacions internes Les proteïnes de membrana determinen la major part de les activitats fisiològiques de la cèl·lula.

Es classifiquen en dues categories principals: Proteïnes integrals: representen aproximadament el 70 % de les proteïnes de membrana. Són amfipàtiques, travessen totalment o parcialment la bicapa i tenen una gran mobilitat lateral. Proteïnes perifèriques: es localitzen a la superfície de la bicapa i participen freqüentment en tasques de transport o suport funcional. Entre les funcions bàsiques de la membrana procariota destaquen la contenció citoplasmàtica, el transport de nutrients, l'excreció i secreció molecular, la recepció de senyals ambientals i l'assentament de complexos enzimàtics respiratoris o fotosintètics.

Tot i mancar d'orgànuls veritables, certs procariotes desenvolupen replegaments interns de la membrana plasmàtica. Els bacteris fotosintètics i nitrificants presenten extenses membranes invaginades que incrementen la superfície disponible per a les seves rutes metabòliques. D'altra banda, s'observen invaginacions membranoses anomenades mesosomes, tradicionalment relacionades amb fenòmens com la replicació de l'ADN. Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 11 COMPROVA-HO 13 Quin benefici aporten els extensos replegaments interns de membrana en bacteris fotosintètics i nitrificants?

Mecanismes de transport a través de la membrana La membrana plasmàtica presenta permeabilitat selectiva. Les substàncies hidròfobes, els gasos com el CO2 i l'O2, l'etanol i alguns àcids grassos la travessen lliurement. Per contra, les molècules hidrofíliques i els ions no la poden creuar sense intermediaris. L'aigua constitueix una excepció rellevant: pot creuar per difusió simple o mitjançant proteïnes especialitzades anomenades aquaporines, que n'acceleren el flux.

Per transportar els soluts impermeables existeixen diferents modalitats segons el requeriment d'energia i el gradient de concentració: Difusió passiva: moviment espontani a favor de gradient de concentració, sense consum energètic ni proteïnes transportadores. Difusió facilitada: pas a favor de gradient mitjançant proteïnes transmembrana específiques (permeases), sense despesa energètica. Transport actiu: moviment de molècules en contra de gradient de concentració que requereix permeases específiques i consumeix energia metabòlica (com ATP).

Translocació de grup: mecanisme de transport actiu propi de procariotes en el qual la molècula transportada pateix una modificació química simultània durant el seu pas (consumeix energia metabòlica). Esquema dels sistemes de transport transmembrana uniport, simport i antiport. Segons la direcció i el nombre de molècules desplaçades per les proteïnes transportadores, es distingeixen tres sistemes: Uniport: transport d'una única substància en un sol sentit. 1 Simport: cotransport de dues substàncies simultàniament en la mateixa direcció. 2 Antiport: cotransport de dues substàncies en sentits oposats a través de la membrana.

3 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 12 ESQUEMA Mecanismes de transport de membrana DEFINICIÓ La translocació de grup és una forma exclusiva de transport procariota en la qual el solut és modificat químicament (habitualment fosforilat) mentre creua la membrana plasmàtica, evitant així la seva sortida i consumint energia en el procés. ERROR FREQÜENT Confondre l'endocitosi com una via d'entrada universal en tots els éssers vius. Els bacteris i les arquees no fan endocitosi a causa de la seva paret cel·lular rígida i l'absència de maquinària vesicular; aquest procés és exclusiu dels organismes eucariotes.

De la mateixa manera, la translocació de grup és un mecanisme procariota absent en eucariotes. Procés de transport Consum d'energia Modificació del solut Present en Eucariotes Present en Procariotes Difusió passiva No No Sí Sí Difusió facilitada No No Sí Sí Transport actiu Sí (ATP) No Sí Sí Translocació de grup Sí Sí No Sí Endocitosi Sí No Sí No Fàrmacs que alteren la membrana plasmàtica La membrana és una diana terapèutica rellevant per a diversos compostos antimicrobians. L'antibiòtic antibacterià polimixina B altera de forma directa l'estructura i propietats de la membrana bacteriana, provocant la pèrdua de la integritat cel·lular.

Transport passiu A favor de gradient, sense despesa energètica Difusió simple A través de la bicapa directa Difusió facilitada Mitjançant permeases específiques Transport energètic Requereix aportació d'energia Transport actiu Contra gradient, molècula intacta Translocació de grup Procariota, modifica químicament el solut Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 13 Per la seva banda, certs antifúngics com la nistatina, el clotrimazole i el miconazole actuen alterant específicament la permeabilitat de la membrana en associar-se als esterols fúngics, una diana absent en els bacteris convencionals que contenen hopanoides.

COMPROVA-HO 14 Per què la nistatina és eficaç contra els fongs però inactiva contra la majoria de bacteris? IDEES CLAU La membrana plasmàtica té un gruix d'uns 10 nm i segueix el model de mosaic fluid. Els bacteris tenen lípids amb enllaç èster, àcids grassos i hopanoides. Les arquees presenten lípids amb enllaç èter, cadenes d'isoprenoides i poden formar monocapes de bifitanil. La translocació de grup és un transport actiu exclusiu de procariotes que modifica la substància transportada. Els procariotes no realitzen endocitosi, procés limitat als eucariotes. Compostos com la polimixina B (antibacterià) i la nistatina (antifúngic associat a esterols) desestabilitzen les membranes específiques.

COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 15. Quines diferències químiques clau presenten els lípids de membrana de Bacteria i Archaea? 16. En què es diferencia la translocació de grup del transport actiu clàssic? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 17. Quin tipus d'enllaç lipídic uneix les cadenes d'isoprenoides al glicerol en les arquees? 18. Quin component aporta rigidesa a la membrana dels bacteris en lloc dels esterols eucariotes? 19. Quin d'aquests processos de transport cel·lular és exclusiu dels organismes procariotes?

Enllaç peptídic a) Enllaç fosfodièster b) Enllaç èter c) Enllaç èster d) Hopanoides a) Ergosterol b) Isoprenoides ciclats c) Bifitanil d) Endocitosi a) Translocació de grup b) Difusió facilitada c) Simport d) Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 14 20. A quina molècula de membrana s'uneixen antifúngics com la nistatina per actuar? 3 Estructures extracel·lulars i motilitat bacteriana EN ACABAR SABRÀS Diferenciar estructuralment i funcionalment la càpsula bacteriana dels llims. Explicar el mecanisme de contrast de la tinció negativa amb tinta xinesa. Identificar els patrons de disposició flagel·lar i la composició del cos basal segons la paret.

Distingir les funcions de les fímbries i dels pilis sexuals en la fisiologia cel·lular. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 21 Com aconsegueix un bacteri resistir l'atac dels glòbuls blancs sense tenir mobilitat activa? Capes mucilaginoses externes: càpsula i llims Determinats bacteris sintetitzen exopolímers, compostos orgànics que s'elaboren a l'interior cel·lular en forma de monòmers i es secreten a través de la membrana plasmàtica i la paret cap a l'exterior, on polimeritzen. Aquests recobriments aporten un aspecte lluent a les colònies i presenten un grau de polimerització variable.

Químicament, estan formats per hidrats de carboni, pèptids, àcids urònics i amino-sucres, units predominantment per enllaços glicosídics de tipus o . Tenen un caràcter macro-poli-aniònic a causa de grups com , , i , i retenen grans quantitats d'aigua (fins a un 98 % d'hidratació). Segons el seu grau d'organització morfològica i adherència cel·lular, distingim dos tipus d'exopolímers: Llims: exopolisacàrids amorfs, amb una polimerització baixa i poc compactats. Com que no tenen una estructura delimitada, es dissolen en contacte amb l'aigua i s'alliberen amb facilitat al medi circumdant. Càpsula: matriu densa, fortament compactada i ben organitzada al voltant de la paret cel·lular.

No es dissol fàcilment en presència d'aigua i roman adherida a la superfície bacteriana.

Propietat Càpsula bacteriana Capa de llims Estructura Organitzada, rígida i ben delimitada Amorfa, difusa i deformable Compactació Molt alta, adherida fermament Baixa, poc compactada Comportament en aigua No es dilueix fàcilment Es dilueix i es desprèn al medi Funció primària Protecció immunitària i resistència Adhesió bàsica i retenció nutricional Hopanoides a) Esterols b) Fosfolípids amb enllaç èter c) Bifitanil d) β-(1,4) (1,2) PO 4 2 PO 4 3 SO 4 2 COO Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 15 Funcions biològiques i aplicacions de la càpsula La presència d'una càpsula confereix avantatges selectius decisius per a la supervivència i la virulència del bacteri: Resistència a la fagocitosi: dificulta l'englobament per part dels macròfags de l'hoste, fet que incrementa notablement la virulència de la soca patògena.

Bloqueig de bacteriòfags: la capa física d'exopolímers impedeix la fase d'adsorció vírica a la paret bacteriana (vegeu «Estructura dels virus i mecanismes de penetració»). Protecció enfront de la dessecació: actua com una reserva hídrica fonamental gràcies a la seva elevada retenció d'aigua. Retenció de nutrients: gràcies a la seva càrrega negativa, és capaç de captar cations i elements nutritius del medi exterior. Formació de biofilms: afavoreix els mecanismes d'adherència cel·lular entre bacteris o sobre superfícies abiòtiques i biòtiques.

En l'àmbit industrial, els exopolímers capsulars s'aprofiten en sectors com l'alimentació, la farmàcia i la cosmètica gràcies a les seves propietats com a espessants i agents vehiculitzants. Visualització microscòpica La càpsula no reté els colorants habituals utilitzats en la tinció bacteriana estàndard. Per a la seva observació al microscopi òptic s'utilitza la tècnica de contrast de la tinció negativa amb tinta xinesa. Les partícules col·loidals de la tinta tenen una mida superior als porus de la xarxa d'exopolímers; per tant, la tinta tenyeix el fons de la preparació però no penetra en la càpsula.

Al voltant del cos bacterià s'observa clarament un halo transparent o refringent sobre fons fosc. COMPROVA-HO 22 Per què la càpsula bacteriana apareix com un halo blanc o refringent quan s'aplica una tinció negativa amb tinta xinesa? Motilitat bacteriana i fenòmens de tactisme El desplaçament dels bacteris és una resposta a estímuls ambientals denominada tactisme. Els bacteris expressen l'aparell motor només quan és requerit, ja que el seu acoblament i funcionament consumeixen grans quantitats d'energia metabòlica. Segons la resposta es defineix: Tactisme positiu: desplaçament dirigit cap a una zona amb un estímul favorable (com ara nutrients o oxigen en organismes aerobis).

Tactisme negatiu: moviment d'allunyament respecte a substàncies tòxiques (com alcohols o metalls) o concentracions desfavorables. Classificació dels tactismes Segons la naturalesa de l'estímul exterior, es distingeixen diversos tipus de tactismes: Aerotactisme: resposta al gradient d'oxigen disponible en el medi (permet agrupar aerobis a la interfície superior, anaerobis al fons, indiferents distribuïts homogeniament o microaeròfils en zones de baixa concentració). Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 16 Fototactisme: desplaçament orientat respecte a la presència o intensitat de la llum. Magnetotactisme: alineació cel·lular i desplaçament guiats pel camp magnètic terrestre.

Quimiotactisme: resposta direccional a gradients químics de nutrients (atraients) o compostos perjudicials (repulsoris). Diagrama de la distribució d'aerotactisme en tubs de cultiu segons la necessitat d'oxigen. Quan una gota amb bacteris mòbils es disposa en un vidre de microscopi, és habitual observar que les cèl·lules migren cap a la vora exterior de la gota a la recerca d'oxigen o nutrients. El desplaçament no segueix sempre una trajectòria recta contínua cap a l'atraient; combina períodes d'avanç lineal (carreres o runs) amb girs d'orientació a l'atzar (voltes o tumbles), configurant una trajectòria de cerca que recorda el moviment brownià.

Diagrama del moviment quimiotàctic combinant carreres orientades i voltes a l'atzar. ERROR FREQÜENT Els procariotes no tenen cilis veritables. L'ús del terme «cili» en apunts o textos informals és un error anatòmic greu: els cilis són estructures exclusives dels eucariotes ( de microtúbuls). La motilitat bacteriana es basa en flagels, filaments axials o lliscament superficial, mai en cilis. 9 + 2 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 17 L'aparell flagel·lar procariota El flagel és un apèndix filiforme semirígid format per subunitats proteiques acoblades que permet la propulsió cel·lular mitjançant una rotació completa de 360°.

Presenta un diàmetre d'entre 12 i 20 nm i una longitud habitual de 15 a 20 µm. No és contràctil: funciona com una hèlix rígida impulsada per un motor rotatori basal que requereix energia generada a la membrana. Estructura bàsica del flagel DEFINICIÓ El cos basal és l'engranatge rotatori que fixa el flagel a l'embolcall cel·lular. Consta de 4 anells en bacteris Gram-negatius (anells L a la membrana externa de lipopolisacàrid, P al peptidoglicà, i MS i C a la membrana plasmàtica i citoplasma) i de 2 anells en bacteris Gram-positius, ancorats exclusivament a la membrana citoplasmàtica i a la gruixuda paret de peptidoglicà (vegeu «Morfologia i paret cel·lular bacteriana»).

CAUSES I CONSEQÜÈNCIES Secreció d'exopolímers Polimerització externa de sucres i pèptids Presència de la càpsula bacteriana Resistència a fagòcits Inhibeix la fagocitosi dels macròfags Retenció d'aigua Protegeix contra la deshidratació Formació de biofilms Facilita l'adherència entre cèl·lules Disposició i patrons de flagel·lació La disposició flagel·lar és un caràcter taxonòmic constant en cada espècie: un bacteri amb flagel·lació polar mai alterarà el seu patró per passar a ser perítric. Filament: fibra buida i rígida de morfologia helicoïdal, composta per monòmers de la proteïna flagelina assemblats helicoïdalment.

1 Colze (hook): segment corbat curt que actua com a articulació universal, transmetent el gir des de la base cap al filament. 2 Cos basal: sistema d'anells ancorats a les capes de l'embolcall que actua com a eix motor rotatori. Està codificat per gens de funció motriu com mot i estructurals com fla. 3 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 18 Esquema dels patrons de flagel·lació bacteriana polar i perítrica en diversos gèneres.

ESQUEMA Patrons de distribució dels flagels bacterians Patró flagel·lar Nombre i distribució Exemples bacterians Monòtrica monopolar Un únic flagel situat en un extrem cel·lular Vibrio Politríca monopolar (lofotríca) Un feix de múltiples flagels en un únic pol Pseudomonas, Chromatium, Thiospirillum Politríca bipolar (anfitríca) Feixos de flagels situats a ambdós pols cel·lulars Spirillum Perítrica Múltiples flagels distribuïts uniformement per tota la superfície Proteus Altres modalitats de motilitat A més del sistema flagel·lar lliure, hi ha altres formes de desplaçament: Filament axial: propi de les espiroquetes.

Es tracta d'un conjunt d'endoflagels que s'allotgen a l'espai periplasmàtic entre la paret i la membrana externa, envoltant el cos cel·lular per transmetre Polar Flagels situats als extrems Monòtrica Un sol flagel en un extrem Politríca monopolar Floc de flagels en un sol pol Politríca bipolar Flocs de flagels a ambdós pols Perítrica Distribució per tota la superfície Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 19 un moviment de tirabuixó (vegeu «Gramnegatius atípics: Espiroquetes i clamídies»).

Moviment lliscant: mecanisme lent de desplaçament sobre superfícies sòlides, observat en bacteris com els cianobacteris, associat a la secreció de substàncies mucoses o lliscants sense presència de flagels externs lliures. COMPROVA-HO 23 Quina diferència estructural bàsica existeix en el cos basal del flagel entre un bacteri Gram- positiu i un de Gram-negatiu? Fímbries i pilis sexuals A més dels orgànuls de motilitat, molts bacteris presenten apèndixs filamentosos proteics rectes i rígids denominats fímbries i pilis, que no intervenen directament en la propulsió per rotació.

Fímbries Les fímbries són estructures tubulars curtes, rígides i rectes, formades per subunitats proteiques disposades de manera helicoïdal. Una cèl·lula pot contenir una gran densitat, habitualment entre 10 i 1.000 fímbries distribuïdes per la seva superfície. La seva funció essencial és l'adhesió específica a teixits de l'hoste o a superfícies ambientals inertes. Aquesta capacitat d'unió actua com un factor de virulència crucial per a la colonització cel·lular. Pilis sexuals Els pilis (o pèls sexuals) són estructures més llargues que les fímbries, i generalment es troben en un nombre molt reduït per individu (sovint un o pocs per cèl·lula).

La seva funció exclusiva és la conjugació bacteriana: estableixen el contacte directe cèl·lula-cèl·lula mediat pel plasmidi fèrtil (F) per permetre la transferència de material genètic (vegeu «Genètica bacteriana i transferència horitzontal de gens»).

Criteri Fímbries Pili sexual Flagel Morfologia Tubular, curta, recta i rígida Més llarg que les fímbries, cilíndric Llarg, helicoïdal i semirígid Nombre per cèl·lula Nombroses (10 - 1.000) Molt escassos (1 - 4) Un o pocs (polar o perítric) Funció primària Adhesió cel·lular a substrats i teixits Contacte en la transferència conjugativa (plasmidi F) Locomoció i impuls hidrodinàmic Rotació 360° No No Sí COMPROVA-HO 24 Quina funció específica tenen els pilis sexuals i en què es diferencien de les fímbries?

Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 20 IDEES CLAU Els exopolímers bacterians s'organitzen com a càpsules (estructures denses i ben adherides) o com a llims (capes amorfes que es dilueixen en aigua). La càpsula bacteriana protegeix contra la fagocitosi dels macròfags, impedeix l'adsorció de bacteriòfags, prevé la dessecació i afavoreix els biofilms. La tinció negativa amb tinta xinesa evidencia la càpsula com un halo brillant i refringent perquè les partícules del colorant no poden penetrar la matriu polimèrica. El cos basal flagel·lar presenta 4 anells en els bacteris Gram-negatius i només 2 anells en els bacteris Gram-positius.

La disposició dels flagels es classifica en monòtrica monopolar, politríca monopolar, politríca bipolar i perítrica. Les fímbries actuen com a estructures rígides d'adhesió a substrats, mentre que els pilis sexuals intervenen en la transferència de material per conjugació. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 25. Com es diferencia un bacteri amb flagel·lació perítrica d'un amb flagel·lació politríca monopolar? 26. Quin paper desenvolupa la càpsula en la patogènia bacteriana quan s'enfronta al sistema immunitari de l'hoste? 27. Quina diferència clau hi ha entre la motilitat per flagels externs i la motilitat per filament axial en les espiroquetes? Test Encercla la resposta correcta.

Les solucions són al final. 28. Quants anells componen el cos basal d'un flagel en un bacteri Gram-positiu? 29. Quin patró flagel·lar mostra el gènere Proteus en cobrir la cèl·lula de flagels? 30. Per què s'utilitza tinta xinesa per visualitzar la càpsula bacteriana al microscopi? 2 anells a) 1 anell b) 4 anells c) 6 anells d) Perítrica a) Monòtrica monopolar b) Politríca bipolar c) Politríca monopolar d) Polimeritza la flagelina dels bacteris a) Degut a la seva mida no penetra la càpsula b) Deshidrata la cèl·lula per generar contrast c) S'uneix fortament als lípids de la càpsula d) Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 21 31.

Quina funció específica desenvolupen els pilis sexuals respecte a les fímbries? 4 Citoplasma bacterià, inclusions i nucleoide EN ACABAR SABRÀS Distingir els diversos grànuls de reserva energètica i inclusions funcionals presents en el citoplasma bacterià. Comparar l'estructura dels ribosomes 70S procariotes respecte als 80S eucariotes i identificar les seves dianes antibiòtiques. Comprendre l'organització compacta del nucleoide bacterià i la funció dels plasmidis i transposons. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 32 Com aconsegueix un bacteri resistir a un tractament mèdic o surar en una columna d'aigua sense tenir cap orgànul envoltat de doble membrana?

El citoplasma bacterià: organització física i inclusions El citoplasma procariota és un hidrogel dens amb un contingut elevat d'aigua que allotja proteïnes, sucres, lípids, ions inorgànics i molècules de baix pes molecular. Quan s'observa al microscopi presenta una textura marcadament granulosa a causa de l'acumulació de ribosomes, estructures vesiculars i dipòsits químics. Com que els bacteris s'enfronten sovint a fluctuacions en la disponibilitat de nutrients, acumulen grànuls de reserva durant les etapes d'abundància per utilitzar-los en períodes de carència.

Element acumulat Tipus de grànul o molècula Funció i característiques observables Carboni Glucogen o àcid poli- - hidroxibutíric (PHB / PHA) Dipòsit polimèric d'energia i font de carboni. El PHB s'aplica industrialment com a bioplàstic biodegradable. Generalment es presenten en grànuls homogenis separats. Nitrogen Cianoficina (en cianobacteris) Polímer d'arginina i àcid aspàrtic que serveix com a magatzem intracel·lular de nitrogen disponible.

Absorció de nutrients i cations polivalents a) Contacte en la conjugació bacteriana b) Resistència davant la dessecació cel·lular c) Mobilitat activa ràpida per rotació d) β Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 22 Element acumulat Tipus de grànul o molècula Funció i característiques observables Fòsfor Polifosfat o ortofosfat (volutina) Grànuls d'alta energia tenyibles amb blau de metilè; adquireixen un to violeta pel fenomen de metacromàsia. Sofre Grànuls de sofre elemental Dipòsits de poder reductor típics de bacteris porpres del sofre (anaerobis fotosintètics), clarament visibles com a inclusions refrigents.

A banda d'aquests magatzems d'elements químics, el citoplasma alberga estructures especialitzades i derivacions membranoses dedicades a funcions fisiològiques concretes: Vesícules de gas: cobertes proteiques cilíndriques buides i permeables als gasos. Permeten regular la flotabilitat i situar la cèl·lula a fondàries òptimes per captar oxigen o radiació solar gràcies a la reducció de la seva densitat global. Posseeixen una paret proteica rígida però trencadissa sota pressions sobtades. Vacúols: estructures vesiculars intracel·lulars d'emmagatzematge general.

Carboxisomes: microcompartiments proteics que concentren l'enzim ribulosa-1,5-bisfosfat carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO) destinat a la fixació eficient de (vegeu «Vies del metabolisme bacterià i generació d'energia»). Magnetosomes: cristalls de magnetita ( ) que actuen com a brúixola interna per orientar el bacteri en gradients geomagnètics. Tilacoides i clorosomes: replecs de membrana especialitzats en la captació de llum. Els bacteris fotosintètics oxigènics (cianobacteris) formen tilacoides com a làmines o capes superposades, mentre que els fotosintètics anoxigènics disposen de clorosomes a manera de bosses protectores de pigments (vegeu «Bacteris fotòtrofs i cianobacteris»).

COMPROVA-HO 33 Quina distinció física i funcional separa un grànul de volutina d'un carboxisoma? Citoesquelet procariota i maquinària de traducció (ribosomes 70S) Contràriament a la visió clàssica que considerava el citoplasma bacterià com una bossa informe, existeix un citoesquelet procariota responsable de coordinar la divisió i definir la forma cel·lular. Els elements citoesquelètics ajuden en la bipartició cel·lular i en el manteniment de la morfologia bacteriana, àmbit que s'ha començat a estudiar recentment.

Els elements més nombrosos del citoplasma bacterià són els ribosomes procariotes 70S, estructures ribonucleoproteiques integrades per un 60 % de rRNA i un 40 % de proteïnes ribosòmiques. La seva concentració intracel·lular depèn de l'activitat metabòlica. Es componen de dues subunitats funcionals: la subunitat menor 30S (que alberga el rRNA 16S, marcardor fonamental de la sistemàtica taxonòmica; vegeu «Taxonomia, filogènia i identificació microbiana») i la subunitat major 50S. Diversos ribosomes llegeixen simultàniament un mateix mRNA constituint poliribosomes.

CO 2 Fe O 3 4 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 23 DEFINICIÓ El ribosoma 70S és el complex procariota de sedimentació 70 Svedberg format per les subunitats 30S i 50S, estructuralment divergent del ribosoma 80S eucariota (format per les subunitats 40S i 60S), fet que permet la toxicitat selectiva dels fàrmacs antimicrobians. Dianes antibiòtiques ribosòmiques i interacció farmacològica Les divergències bioquímiques entre els ribosomes bacterians 70S i els citosòlics eucariotes 80S constitueixen la base dels tractaments antibacterians.

Els antimicrobians s'acoblen a dominis diana concrets del ribosoma, bloquejant la síntesi de proteïnes i provocant la fallida metabòlica cel·lular. Fàrmac antibiòtic Diana ribosòmica Mecanisme d'inhibició Estreptomicina i Neomicina Subunitat menor 30S Inhibeixen la funció de decodificació de la subunitat 30S i provoquen errors de lectura en el processament de l'mRNA. Eritromicina i Tetraciclina Subunitat 50S (eritromicina) / cicle de traducció (tetraciclina) Interfereixen directament en la funció i elongació polipeptídica de la subunitat ribosomal. Cloramfenicol Ribosoma 70S (subunitat 50S) Inhibeix la formació de l'enllaç peptídic durant la fase de transferència d'aminoàcids.

Quan s'administren compostos antimicrobians conjunts, es poden registrar dos patrons d'acció terapèutica: parlem de sinèrgia si la combinació multiplica l'eficàcia bactericida respecte a l'efecte sumat dels fàrmacs aïllats, mentre que parlem d'antagonisme si una substància interfereix negativament reduint l'acció de l'altra. ERROR FREQÜENT Confondre els coeficients de sedimentació: en ultracentrifugació, els valors de Svedberg no són additius. Un ribosoma 70S es dissocia en subunitats 50S i 30S (no 40S + 30S).

Així mateix, cal distingir l'acció selectiva contra el ribosoma bacterià d'altres fàrmacs que danyen la duplicació de l'ADN d'una manera inespecífica i tòxica tant per a cèl·lules procariotes com per a eucariotes. COMPROVA-HO 34 Quina conseqüència molecular té sobre la síntesi proteica l'administració conjunta d'estreptomicina respecte a la de cloramfenicol? Organització del nucleoide bacterià A diferència dels eucariotes, el material genètic bacterià resideix directament al citoplasma sense cap membrana nuclear embolcallant. Aquesta regió clara, fibril·lar i de baixa densitat òptica s'anomena nucleoide.

Està composta de forma majoritària per ADN bicatenari, tot i que també integra molècules d'ARN i polipèptids associats. Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 24 El genoma es condensa en una molècula d'ADN bicatenària antiparal·lela, circular i haploide, amb un intens nivell de superenrotllament. Com que la doble hèlix presenta càrrega neta negativa, la seva estructura es manté estabilitzada mitjançant poliamines i molècules d'ARN estructural, mancant d'histones convencionals eucariotes.

Per exemple, a Escherichia coli, un cromosoma de 4,6 milions de parells de bases (que codifica uns 3.500 gens i mesura aproximadament 1,5 mm de circumferència) roman empaquetat a l'interior d'un bacil de només 10 µm. Els gens procariotes s'organitzen individualment o bé sota un únic promotor comú formant un operó. A diferència del genoma eucariota, les seqüències codificants gairebé no presenten introns (la seva presència és excepcional). El conjunt de gens invariables compartits per tots els aïllats o soques d'una mateixa espècie constitueix el pangenoma central o conservat. Esquema dels mecanismes de transferència plasmídica vertical i horitzontal entre cèl·lules.

COMPROVA-HO 35 Com aconsegueix un bacteri compactar un cromosoma d'1,5 mm en un espai intracel·lular d'escasses micres si manca d'histones eucariotes? Elements extracromosòmics: plasmidis i transposons El genoma bacterià no es limita al cromosoma principal del nucleoide; inclou elements genètics mòbils i accessoris com els plasmidis i els elements transposables. Els plasmidis són fragments moleculars d'ADN bicatenari circular superenrotllat independents del cromosoma.

Es caracteritzen per la seva autoreplicació autònoma, per posseir un nombre de còpies variable per cèl·lula i per portar informació biològica no imprescindible per a la viabilitat bàsica del bacteri, però decisiva per a la seva adaptació ecològica. Poden transferir-se de forma vertical durant la fissió binària o de forma horitzontal entre cèl·lules mitjançant el pili sexual (vegeu «Genètica bacteriana i transferència horitzontal de gens»). Determinats plasmidis comparteixen el mateix sistema de replicació i per això no poden coexistir dins d'un mateix citoplasma; aquest fenomen s'anomena incompatibilitat plasmídica.

Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 25 ESQUEMA Components del material genètic bacterià Grup plasmídic Informació biològica que codifica Utilitat o conseqüència biològica Plasmidis R Gens de resistència enfront d'antibiòtics Conferència de supervivència farmacològica; selecció positiva de transformants en el laboratori. Plasmidis F (de fertilitat) Aparell de transferència conjugativa i pili sexual Transferència de gens cromosòmics o plasmídics entre soques bacterianes. Plasmidis metabòlics Rutes catabòliques complexes Capacitat per degradar substàncies químiques refractàries o contaminants.

Plasmidis de virulència Toxines i factors de patogenicitat Capacitat d'invasió tissular o dany sobre l'hoste. Plasmidis críptics Gens sense funció fenotípica observable Estructures críptiques sense manifestació clínica directa reconeguda. D'altra banda, els transposons són segments definits d'ADN amb la capacitat exclusiva de desplaçar- se autònomament i integrar-se en localitzacions diferents del genoma cel·lular. Es classifiquen segons la seva estructura genètica: Transposons simples (seqüències d'inserció): delimitats per repeticions terminals i equipats únicament amb el gen de la transposasa (enzim d'escissió i inserció) i una proteïna reguladora del procés.

Transposons compostos: estructures formades per dos mòduls d'inserció que flanquegen un fragment intermedi d'ADN amb gens addicionals, com per exemple determinants de resistència a antimicrobians. Genoma bacterià ADN total de la cèl·lula Nucleoide cromosòmic Cromosoma circular superenrotllat Operons Blocs de gens coordinats Pangenoma bàsic Gens essencials compartits Elements mòbils Estructures accessòries Plasmidis Molècules circulars autònomes Transposons Gens mòbils saltadors Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 26 IDEES CLAU El citoplasma bacterià conté grànuls de reserva de carboni (glucogen, PHB), nitrogen (cianoficina), fòsfor (volutina metacromàtica) i sofre.

Els ribosomes procariotes són de mida 70S (subunitats 30S i 50S) i contenen rRNA 16S a la subunitat menor, diferenciant-se dels ribosomes 80S eucariotes. Els elements citoesquelètics bacterians intervenen en la bipartició cel·lular i en el manteniment de la morfologia cel·lular. El nucleoide és una regió lliure de membrana que alberga un únic cromosoma circular d'ADN superenrotllat associat a poliamines i ARN. Els plasmidis i els transposons constitueixen elements genètics mòbils capaços de transferir marcadors d'adaptació, virulència i resistència a antibiòtics. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 36.

A quina subunitat del ribosoma 70S s'uneixen els aminoglucòsids com l'estreptomicina i quina alteració directa produeixen? 37. Quina diferència funcional i estructural existeix entre un transposó simple i un de compost? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 38. Quina inclusió citoplasmàtica conté l'enzim RuBisCO dedicat a fixar el diòxid de carboni? 39. Com s'anomenen els dipòsits de polifosfat tenyibles de violeta amb blau de metilè? 40. Quines subunitats conformen exactament el ribosoma procariota 70S?

Volutina a) Magnetosoma b) Cianoficina c) Carboxisoma d) Grànuls de cianoficina a) Cossos de PHB b) Grànuls de glucogen c) Grànuls de volutina d) Subunitats 20S i 50S a) Subunitats 40S i 30S b) Subunitats 40S i 60S c) Subunitats 30S i 50S d) Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 27 5 Genètica bacteriana i transferència horitzontal de gens EN ACABAR SABRÀS Distingir els mecanismes de transformació, conjugació i transducció segons els seus requisits físics. Explicar el cicle de transferència del plasmidi F i el concepte de soca Hfr. Diferenciar la transducció generalitzada de l'especialitzada en funció del cicle víric involucrat.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 41 Com aconsegueixen els bacteris adquirir resistències a antibiòtics d'altres espècies si no tenen reproducció sexual? La transmissió de la informació biològica en els éssers vius segueix el flux clàssic del dogma central: la duplicació del DNA mitjançant la DNA polimerasa, la transcripció a RNA dirigida per la RNA polimerasa i la traducció d'aquest missatge a proteïnes a través del ribosoma (així com la transcripció inversa per mitjà de la transcriptasa inversa). A diferència dels organismes eucariotes diploides que generen gàmetes mitjançant meiosi per originar descendència, els bacteris són organismes essencialment haploides.

Durant la divisió cel·lular es produeix una fase transitòria amb dos cromosomes ja replicats, però aquest fet no converteix el bacteri en diploide.

ESQUEMA Mecanismes de transferència horitzontal de gens Transferència gènica Intercanvi parasexual procariota Transformació Captació de DNA dissolt Estat de competència Modificació per captar DNA Conjugació Transferència per contacte físic Plasmidi F i Hfr Factor fèrtil lliure o integrat Transducció Mediada per bacteriòfags Generalitzada Qualsevol fragment cromosòmic Especialitzada Gens contigus al pròfag Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 28 Com que els bacteris es reprodueixen asexuadament, la incorporació de noves propietats adaptatives depèn de la transferència horitzontal de gens (intercanvi parasexual unidireccional d'un donador a un receptor) enfront de la transferència vertical clàssica de pares a fills.

Quan el fragment introduït s'estabilitza i es recombina amb el genoma hoste, es transmet de manera indefugible a tota la descendència clonal. Mecanisme Estat del DNA transferit Requereix contacte cel·lular? Vector intermediari Transformació Fragment lliure o nu al medi extern No Cap (absorció directa) Conjugació Cromosoma o plasmidi en cadena senzilla Sí (mitjançant pili conjugatiu) Cap Transducció Fragment bacterià empaquetat No Bacteriòfag Transformació bacteriana i estat de competència La transformació és el procés mitjançant el qual una cèl·lula bacteriana incorpora directament àcid desoxiribonucleic exogen dispers en el medi, generalment alliberat per la lisi d'altres cèl·lules prèvies.

Perquè aquest ingrés tingui lloc, el bacteri receptor ha de trobar-se en un estat de competència, una condició fisiològica transitòria que permet la captació macromolecular del DNA. Esquema del procés de captació de DNA en la transformació bacteriana. El procés varia segons l'embolcall cel·lular de l'organisme (vegeu «Morfologia i paret cel·lular bacteriana»): Model de bacteris Gram-positius: La competència s'activa mitjançant l'alliberament d'un factor específic. El fragment de DNA bicatenari s'uneix a la paret; posteriorment, un dels brins és degradat enzimàticament i només penetra una única cadena al citoplasma.

Aquesta cadena s'incorpora al cromosoma bacterià només si hi ha homologia de seqüència amb el genoma receptor. Model de bacteris Gram-negatius: El material genètic captat sol ser de doble cadena i generalment requereix pertànyer a la mateixa espècie bacteriana. El DNA entra tancat inicialment a Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 29 l'interior d'una vesícula abans del seu processament. COMPROVA-HO 42 Què passa amb el brí de DNA que entra per transformació en un bacteri Gram-positiu si no presenta homologia amb el cromosoma hoste?

Conjugació i soques Hfr La conjugació bacteriana constitueix l'equivalent procariota a la sexualitat, tot i que no és un procés de reproducció sinó de transferència horitzontal unidireccional d'informació genètica entre una cèl·lula donadora i una receptora que mantenen un contacte físic estret. La cèl·lula donadora posseeix una estructura gènica circular extracromosòmica anomenada plasmidi F (factor fèrtil), de replicació autònoma (vegeu «Citoplasma bacterià, inclusions i nucleoide»). Aquest plasmidi conté els gens necessaris per codificar el pili sexual (vegeu «Estructures extracel·lulars i motilitat bacteriana»). Esquema dels passos de conjugació mitjançant pili sexual i plasmidi F.

La cèl·lula donadora (denominada F+) sintetitza i estén un pili sexual a través del qual reconeix i s'ancora a una cèl·lula receptora mancada d'aquest factor (F-). 1 El pili es retreu per aproximar ambdues membranes fins a formar un pont de conjugació o canal de pas. 2 S'obre una osca al plasmidi i es transfereix un sol brí d'àcid nucleic cap a la cèl·lula receptora mitjançant un mecanisme de rèplica de cercle rodant. 3 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 30 Quan aquest procés ocorre en un cultiu mixt, la capacitat del plasmidi de transferir-se amb rapidesa i autoreplicar-se fa que pràcticament la totalitat de la població hoste acabi esdevenint F+.

En determinades circumstàncies, el plasmidi F s'integra directament al cromosoma bacterià principal; aquesta cèl·lula passa a anomenar-se soca Hfr (alta freqüència de recombinació). Quan una soca Hfr conjuga, pot transferir gens cromosòmics adjacents al receptor acompanyant la seqüència plasmídica. ERROR FREQÜENT Pensar que en una conjugació F+ × F- es transmet el cromosoma sencer i que la cèl·lula donadora perd el seu plasmidi. En una conjugació F+ estàndard només es transfereix una còpia monocatenària del plasmidi F; el donador el replica simultàniament, per la qual cosa mai no perd la seva condició de F+, i el receptor es converteix en F+ sense rebre gens cromosòmics.

COMPROVA-HO 43 Quina és la diferència funcional bàsica entre una soca F+ i una soca Hfr pel que fa al material que poden transferir? Transducció viral: cicles f识ics i modalitats La transducció és la transferència genètica duta a terme mitjançant un bacteriòfag que actua com a vehicle de transport d'un hoste a un altre (vegeu «Estructura dels virus i mecanismes de penetració»). El cicle biològic del virus condiciona de quina manera es produeix aquesta adquisició de fragments bacterians.

PROCÉS Etapes del cicle infectiu fagic A mesura que es dona el traspàs, la maquinària de síntesi replica la cadena complementària tant al donador com al receptor, de manera que el receptor es transforma indefugiblement en F+. 4 Els bacteris se separen i desfan la unió de les seves membranes.

5 Fixació Reconeixement irreversible per fibres caudals 1 Penetració Degradació enzimàtica de la paret 2 Integració o eclipsi Pròfag lisogènic o expressió vírica lítica 3 Acoblament Muntatge de noves càpsides amb DNA 4 Lisi Ruptura cel·lular i sortida de virions 5 Apunts de Microbiologia General: Teoria i Diversitat 31 El procés d'infecció vírica es desenvolupa a través de fases ordenades: Fixació: El virió identifica l'hoste específic mitjançant les fibres caudals de la seva placa basal, les quals reconeixen molècules de superfície del bacteri; aquesta adhesió és un pas irreversible. Penetració i injecció: Els enzims de la placa basal digereixen localment la paret…