inbound4826840722272581495 - RICARDO JAIR CASILLAS CORAL

Vista previa del material en texto

• UNIDAD 2.
• Crecimiento
bacteriano
• Academia de
Biología de los
microorganismos
2020.
• 2.1 Ciclo celular bacteriano y 
aspectos regulatorios 
Acontecimientos identificables que ocurren en una secuencia 
fija, desde que surge una nueva célula hasta que ésta se divide 
en dos hijas ( fisión binaria).
En el ciclo existen diferentes períodos:
– replicación del ADN cromosómico 
– formación del septo y división celular 
– formación de los nuevos componentes celulares
CICLO CELULAR BACTERIANO
Serie de eventos coordinados pero independientes.
PERIODO B → entre la división e iniciación de la replicación de cromosomas
PERIODO C → período requerido para la replicación
PERIODO D → Fin de la replicación y división completa (segregación del
cromosoma
fase C (equivalente a la S eucariótica): replicación del ADN cromosómico;
fase D (equivalente a G2 + M): se distingue porque su terminación coincide
con el final de división celular;
Fase B, equivalente a la G1 eucariótica.
• Crecimiento celular
• Replicación del cromosoma (control metabólico); acoplada a
la tasa de crecimiento que depende de la concentración de
nutrientes y la síntesis de DnaA .
• Segregación del cromosoma; inhibida por (p)ppGpp, regulada
por disponibilidad de nutrientes.
• Formación del divisoma
• División celular; inhibida por UDP-glucosa
• En la replicación del cromosoma, hay dos eventos
importantes de regulación metabólica;
• A) Inicio de la replicación
• B) Elongación de la replicación (el proceso de replicación)
Eventos
«Crecimiento» del material genético
«Crecimiento» del citoplasma
«Crecimiento» de la membrana
y pared celular
1. La bacteria alcanza un tamaño crítico
2. Replicación del DNA. Los cromosomas hermanos viajan hacia
los polos. Cada célula recibe un cromosoma
3. Formación del septum
4. El septum se completa
5. División celular o citoquinesis
Acumulación de DNA → DnaA
Síntesis del DNA durante el ciclo de 
división * 
Crecimiento superficie celular
* Si no hay replicación del DNA no hay división celular
La replicación está 
acoplada a la tasa de 
crecimiento
• La replicación empieza en el cromosoma circular único →OriC
Disponibilidad de nutrientes → Efecto en la acumulación de DnaA
Concentración de DnaA intracelular incrementa con la velocidad del crecimiento
‘multifork replication’
“how cells balance largely constant rates of replication fork progression with
nutrient-dependent changes in mass doubling time, by initiating replication and
dividing more frequently when growing faster”.
Ocurre cuando el tiempo requerido para la duplicación de la masa supera a C+D.
Asegura, que al menos se termine una ronda de replicación antes de la citokinesis, y
garantiza que cada célula hija reciba al menos un cromosoma completo.
Las CONDICIONES NUTRICIONALES determinan la
velocidad del crecimiento celular y el tamaño
celular.
El incremento de la disponibilidad de nutrients, a temperatura
constante, trae como consecuencia; la duplicación de la masa y decrece
el tiempo de división
E. coli y B. subtilis → modelos de estudio
Nutrientes→ DnaA → replicación del cromosoma
La disponibilidad de nutrientes afecta cada paso, desde la iniciación,
elongación y segregación .
Asegura la integridad del genoma en condiciones de innanición.
DnaA; se acumula dependiendo de la tasa de crecimiento y
alcanza un umbral cuando las células tienen cierto tamaño,
para luego disparar la replicación.
• Inhibidores de DnaA
• (p)ppGpp inhibe la transcripción de DnaA
• DnaA autorregula su transcripción
• SeqA secuestra el origen de DNA hemimetilado
• Regulación de la actividad de DnaA, por las proteinas DiaA en E. coli
y Soj in B.
• Mecanismos dependientes de la elongación.
Una vez que DnaA ha disparado la iniciación, los mecanismos
dependientes de la elongación de la replicación, inhiben a
actividad de DnaA y evitan una sobreiniciación.
Las células pequeñas deben retrasar su crecimiento hasta que
alcancen la talla requerida.
Se piensa que deben existir dos factores que disparan la activación
de oriC; “X”, para las células de crecimiento rápido, y “Y” (YabA
inhibidor en este caso) para las de crecimiento lento.
Nutrientes Tasa de crecimiento DnaA oriC
Aa RelA (spoT) (p)ppGpp dnaA
DnaN, HdA
Altas concentraciones 
de dNTP´s
(p)ppGpp, arrestan ciclo 
celular. No termina la 
replicación 
Rel A
disminución de 
aa.
La producción de la proteína de
iniciación DnaA, es proporcional a
la disponibilidad de carbono y a la
tasa de crecimiento. La carencia de
amino ácidos inhibe directamente
la iniciación de la replicación
afectando la producción de
(p)ppGpp)
Figura 3. Regulación espacial y temporal de la división, a| El ensamblaje de FtsZ se coordina con
replicación y segregación del DNA y asegura que cada hija lleve su copia. b| En B. subtilis, la síntesis de
glucolípidos es sensor metabólico de la disponibilidad de C y tasa de crecimiento (concentración de
UDP–glucosa) al aparato de división. Si el sensor es funcional; la división se acopla a una talla específica
(masa crítica), y a la tasa de duplicación de la masa ( en tiempo) . Si el sensor es defectuoso, (división no
acoplada), no se sense la masa crítica, pero permanece sensible al tiempo de división que toma su
incremento. Por tanto se producen células pequeñas.
Efecto de la disponibilidad de nutrientes
Replicación de cromosomas
*Acumulación de DnaA→ Inicia la replicación cromosomal
Ausencia de aa se expresa Rel A
Ausencia de carbono se expresa SpoT
*No se inicia la replicación hasta que se alcanza el doble del tamaño de la bacteria
División celular
*Inhibición de la replicación cromosomal → retraso en la división debido a la
represión de FtsL dependiente de DnaA
Anillo de FtsZ acéntrico
*Replicación es dispensable para la citocinesis (E. coli)
Coordinación del tamaño celular
*Disponibilidad de carbono → Acumulación de UDP-glucosa → Se inhibe la
división a través de UgtP → inhibe ensamblaje de FtsZ, retrasa la citocinesis
hasta que la célula alcanza la longitud apropiada
*Condiciones pobres de C→no se presenta efecto→ vía indep de UDP-glucosa
Generación (p)ppGpp
ETAPAS DE LA CITOCINESIS
1. Ensamblado del anillo FtsZ en la membrana citoplasmática, regulado temporal 
y espacialmente 
2. Formación del divisoma (Reclutamiento de proteínas, componentes del 
divisoma).
3. Síntesis coordinada de la pared celular transversal e invaginación de la 
membrana citoplásmica
4. Activación del divisoma para la síntesis del peptidoglicano y separación de las 
células hijas.
5. Formación del septo y constricción del anillo; desensamblaje del divisoma, 
fusión de membrana
• Fts : Proteínas filamentosas sensibles a T
• FtsZ, FtsA, ZipA, FtsK, FtsQ, FtsL, FtsB, FtsW, FtsI (PBP3) las dos primeras
citoplasmáticas y las otras asociadas a membrana
• Fts Z : Forma un anillo en el centro de la célula presente en eubacteria, arquea,
mitocondria y cloroplasto. Está relacionada con tubulina de eucariotas
• Las proteínas Fts interaccionan con el aparato de división celular formando el
divisoma.
Proteínas requeridas para 
la formación del septo y 
división celular 
( presentes en todas las 
bacterias) 
DIVISIÓN CELULAR DIVISOMA 
Large macromolecular complexes that are comprised of peptidoglycan synthases (pink), peptidoglycan hydrolases
(green), structural proteins (yellow) and regulatory factors (blue) coordinate cell elongation and cell division. a | The
multiprotein elongation complex drives polar elongation and is anchored at the poles by Wag31, which is stabilized by
cell wall synthesis protein A (CwsA). The peptidoglycan synthase PonA1 incorporates new peptidoglycan subunits into
the spaces that are created by the hydrolases. PonA2 and the non-classical transpeptidases LdtA and/or LdtB might
coordinate peptidoglycan synthesis with PonA1, which would generate the two different types of crosslinks (4–3 and 3–3
crosslinks) that are observed in mycobacterial peptidoglycan. Protein cofactors may coordinate thisactivity or activate
the peptidoglycan synthases. Peptidoglycan hydrolases are required to open the mesh-like peptidoglycan wall for the
insertion of new material; however, the identity of these hydrolases is currently unclear. b | Another large
macromolecular machine, known as the divisome, is responsible for cell division. Septation is initiated by polymerization
of FtsZ, and the subcellular placement of the Z ring is regulated by several factors, including ClpX, ChiZ and Rv3660c, as
well as phosphorylation of FtsZ by PknA. FhaB stabilizes the Z ring, and then the structural proteins FtsW, FtsQ, CrgA and
CwsA assemble to form the divisome. The peptidoglycan synthases penicillin-binding protein B (PBPB), PBPA and PonA1
synthesize the septum, and the hydrolases RipA and RpfB (and possibly other hydrolases) cleave the septum to separate
the daughter cells. Septal hydrolysis might also be facilitated by FtsE and FtsX, but this remains to be confirmed.
Ensamblaje del divisoma
En B. subtilis
18 prot. participan en este proceso
DivIB, DivIC, FtsA, FstL, FtsW, FstZ, 
PBP2B, SepF, SpoIIE, SpoIIIE
ClpX, DivIVA, EzrA, MinC, MinD, 
Noc, YneA y ZapA
Proteínas que forman el 
divisoma
Proteínas reguladoras del 
ensamblaje del divisoma
FtsZ interactúa con proteínas del divisoma: FtsA, EzrA, ZapA → prot. 
tempranas
En E. coli→ FstA, ZipA
FtsA – une el anillo a la membrana, promueve la formación del anillo
recluta proteínas del anillo Z
ZapA y EzrA – reguladores de la polimerización de FtsZ
SpoIIIE – segregación del cromosoma y elementos móviles de 
conjugación
E.coli→ FtsK
Forman el septo: DivIB, DivIC y FstL en E. coli→ FstQ y FstB – FstL
Forman un complejo ternario
FstW se acompaña de PBP2B como integrante de septación, 
RodA de PBP’s para la elongación
SpoVE para la síntesis del cortex del peptidoglicano
Constricción del anillo Z
• Consecuencia indirecta del crecimiento de una pared de 
peptidoglicano rígida.
• Fuerza de constricción, resultado del comportamiento dinámico del 
citoesqueleto
Una vez formado el septo, se lleva a cabo la HIDRÓLISIS de la porción interna 
de la pared de peptidoglicano permitiendo la separación de las hijas
Síntesis del peptidoglicano
3 pasos:
1) Síntesis de lípido II → citoplasma
2) Transferencia de lípido II → lado extracelular de la membrana 
citoplásmica
3) Polimerización de las subunidades en macromoléculas
Degradación de PG por PGHs
Autolisinas→ enzimas que hidrolizan enlaces específicos en la pared celular
• N-acetilmuramidasa – enlace β 1-4 entre MurNAc y GlcNAc
• N-acetilglucosaminidasa – enlace β 1-4 entre GlcNAc y MurNAc
• N-acetil muramil-L-Ala amidasas – enlace entre grupo lactil de MurNAC y 
gpo α-amino de L-Ala
• Peptidasas – endopeptidasa y carboxipeptidasas
Control de hidrólisis de PG
• Proteasas como PrtP y HtrA
• A nivel transcripcional – expresión de proteínas que regulan la 
transcripción de genes que codifican PGHs endógenos.
The N-Acetylglucosamine (UDPGlcNAc) is converted to UDP-MurNAc) by MurAB. MurCEDF then catalyze the
addition of an amino acid side chain to UDPMurNAc through the sequential addition of L-Ala,(D-Glu, meso-Dap;
and two DAla. This UDP-MurNAc-pentapeptide is then anchored to the inner membrane via the transport lipid
undecaprenyl phosphate by MraY to form Lipid I. A UDP-GlcNAc moiety is attached to Lipid I via glycosidic bond by
MurG to form the disaccharidepentapeptide precursor known as Lipid II, the basic building block of the PG. The
disaccharide-pentapeptide is flipped across the inner membrane to the periplasmic space by a flippase (MurJ,
where it is incorporated into the nascent PG chain by penicillin-binding protein (PBP) transglycoslylase activity.
Once incorporated, PBP transpeptidases crosslink meso-Dap of one pentapeptide to D-Ala of an opposing
pentapeptide, concomitant with the cleavage of the terminal D-Ala, thus incorporating a new chain into the PG
sacculus. Due to the crucial roles of these enzymatic activities in PG synthesis, PG transpeptidases, also known as
Penicillin-Binding Proteins (PBPs), remain the best targets for antibiotics. In addition to the synthesis machinery,
numerous enzymes also exist to remodel the existing PG structure.
Síntesis del peptidoglicano
REGULACIÓN 
DE LA 
DIVISIÓN 
BACTERIANA
Regulación de la división celular bacteriana
Serie de proteínas que actúan directamente sobre FtsZ, estimulando o inhibiendo su
polimerización o la estabilidad de los polímeros ensamblados.
FtsZ mantiene su comportamiento dinámico de ensamblaje y desensamblaje que se
requiere para la correcta función del anillo Z en citocinesis.
1. Regulación de la estabilidad del anillo Z
ZapA – estabiliza el anillo, estimula su polimerización y reduce la actividad 
GTPasa de FstZ
ZapB – modulador de FstZ en E.coli , necesita de FstZ pero no FstA ni ZapA para 
su reclutamiento al sitio de división celular
EzrA – inhibe la polimerización de FstZ in vitro; su ausencia provoca 
disminución de la concentración de FstZ y la capacidad inhibitoria de MinC y 
MinD
CplX – chaperona que regula la forma del anillo Z negativamente, degrada FstZ
Regulación de la división celular bacteriana
Las bacterias disponen de una serie de sistemas que regulan la división de acuerdo
con las circunstancias del ciclo celular. La división celular puede detenerse o
posponerse cuando las condiciones no son las óptimas. FtsZ es el componente
principal del divisoma y del que dependen, directa o indirectamente, el resto de
proteínas del divisoma para ensamblar, por lo cual es la diana de algunos de estos
mecanismos reguladores.
2.- Regulación dependiente del ciclo celular
SulA – proteína activada durante la respuesta SOS de E.coli , daño al DNA,
bloquea la formación del anillo Z B.subtilis→ YneA
UgtP – mantenimiento en la relación tamaño celular nutrientes,
forma parte de una ruta biosintética de glucolípidos
UDP-Glucosa presente – UgtP se reparte por todo la célula, 
retrasa la división celular en situaciones del alta disponibilidad de 
nutrientes
MciZ – Regulador negativo, impide formación de anillo Z durante el proceso 
de esporulación
Regulación de la división celular bacteriana
3. Regulación espacial
Sistema MinCD: MinC – proteína efectora, sobreexpresión 
suprime la división
MinD – regulación negativa de polimerización de 
FstZ, actúa en presencia de MinC, oscila de polo a polo 
regulación espacial con MinE, regulador negativo de MinCD
Unión MinE (DivIVA en B.subtilis) con MinD resulta su 
separación de la membrana
MinD se ensambla en el polo opuesto con MinC,
concentración mayor en los polos, menor en el ecuador
Regulación de la división celular bacteriana
3. Regulación espacial
Oclusión nuclear 
Evita la formación del anillo Z en lugares donde se 
encuentra el ADN cromosómico
En E.coli → SlmA en B. subtilis→ Noc Interaccionan con el 
ADN cromosómico
MipZ→ ATPasa, encontrado en C. crescentus, interacciones con 
ParB, desestabiliza a los polímeros de FstZ.
The morphogenesis of different bacterial shapes
requires the spatiotemporal modulation of the PG
synthesis machinery.
La forma celular está influida por diversos factores ambientales;
nutrientes, adherencia, estrategias de dispersión, requeriemiento
para movilidad, depredación.
La forma puede conferir ventajas de sobrevivencia.
• La forma de Helicobacter pylori permite atravezar la mucosa
estomacal?
• Streptomyces coelicolor, encuentra un ambiente favorable, forma
un micelio vegetativo ramificado que le permite introducirse
profundamente en el sustrato. Cuando el ambiente es
desfavorable, las hifas se extienden a la superficie, para formar
hifas aereas. Estas últimas se diferencian y forman esporas para
su dispersión.
El caso Epulopiscium
El caso Bacillus