Unidad 1 Biosíntesis de Estructuras Superficiales Parte I

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Unidad 1: Biosíntesis de Estructuras Superficiales
En esta Unidad estudiaremos los aspectos relevantes de la síntesis de 
estructuras superficiales en los microorganismos atendiendo a su diversidad en 
los tres dominios de la vida.
• Pared celular Bacteriana
 Biosíntesis de mureína.
 Biosíntesis de acido teicoicos
 Biosíntesis del lipopolisacárido (LPS)
• Pared celular en Archaeas
 Composición de los diferentes tipos de pared celular.
• Pared celular en Hongos
 Composición de la pared celular en hongos filamentosos y unicelulares
 Biosíntesis de Quitina
 Biosíntesis de Glucanos
Parte I. Biosíntesis de estructuras superficiales. 
Bacterias y Archaeas
PM: membrana plasmática
Pr: proteína
Pl: fosfolípido
Gl: glicolípido
PG: peptidoglucano; SP: polisacáridos; Pw: proteína adherida no covalentemente
aLTA: ácido lipoteicoico acilado; dLTA: ácido lipoteicoico deacilado
LTAt ácido lipoteicoico en proceso de secreción; W: restos de pared celular
Pg: proteína globular; Pe: proteína; B: flagelo
Saliendo del clásico esquema de la Pared celular bacteriana
Si sabemos de que está compuesta la pared celular bacteriana, 
sabremos que requiere para sintetizarla……
Se considera la 
unidad química 
de mureína o 
peptidoglucano
(es un 
disacárido 
tetrapéptido)
Esta unidad se 
repetirá 
formando la 
estructura de la 
pared 
bacteriana
FEMS Microbiol Rev 32 (2008) 149–167
La unidad de peptidoglucano dentro de la estructura de la pared
Dos unidades 
conectadas a 
través de sus 
tetrapéptidos
NAG- NAM
l
T
NAG-NAM
l
T
Pero… ¿todas las bacterias tendrán la 
misma composición de peptidoglucano??
Atención! El tetrapéptido asociado al ácido N-acetil Murámico
es variable, sobre todo a nivel del tercer aminoácido
¿Cómo se inicia la construcción de esta pared?
1. Glutamina:fructosa 6P 
aminotransferasa
2. Glucosamina P 
transacetilasa
3. N-acetil glucosamina 
fosfomutasa
4. UDP-Nacetil
glucosamina 
pirofosforilasa
5. Enoil piruvato
transferasa
6. UDP-Nacetil
enolpiruvoilglucosamin
a reductasa
Fructosa, 
molécula 
precursora
Sintetizando cada unidad de 
peptidoglucano en el citoplasma
Para que se enlace a la pared 
pre-existente por fuera de la 
membrana plasmática
Es llevada hacia 
el exterior
Un lípido de 
membrana lo 
hace posible
La pared celular creciendo con cada unidad añadida…
http://mmbr.asm.org/content/vol63/issue1/images/large/mr0190007003.jpeg
Incorporación de la unidad de peptidoglucano a la pared pre- existente
El lípido-PP (ej.Bactoprenol) que trae la unidad PG se enlaza 
a la pared liberando el anterior Lípido-PP para su reciclado
Inhibidores de la 
Síntesis de 
Peptidoglucano
1. Tunicamicina
2. Mureidomicina
3. Liposidomicina 
4. Vancomicina
5. Ramoplanina
6. Risina
7. Ristocetina
8. Moenomicina
9. Mersacidina
10.Nisina
11.Penicilina
12.Beta Lactámicos
13.Bacitracina
1,2,3,4
5,6
4,7,8,9,10
11,12
13
Inhibidor
NAM
NAG
Lip.Memb. 
Controlamos el crecimiento bacteriano inhibiendo la síntesis de pared
Ahora hagamos un ejercicio!! 
Lista los antibióticos (rojo) que actúan sobre la síntesis de pared 
celular bacteriana ubicando el paso o la reacción donde actúan
FEMS Microbiol Rev. 2008;32(2):149-167. 
(a) Escherichia coli (enlace 
directo 3–4 ); (b) S. aureus
(enlace 3-4 con puente
pentaglicina); 
(c) Curtobacterium
pointsettiae (enlace 2-4 
con un puente de D-
ornitina); (d) Micrococcus 
luteus (enlace 3-4 con un 
puente peptídico
ramificado). 
Enlaces 
peptídicos 
cruzados y 
puentes 
interpéptido
Otra fuente de variación en la pared bacteriana: los enlaces 
entre unidades de peptidoglucano
Otros ejemplos de unión entre tetrapéptidos en el peptidoglucano
Las enzimas que posibilitan el enlace de las nuevas 
unidades de peptidoglucano
• El crecimiento o elongación de la pared celular bacteriana 
ocurre cuando se van añadiendo unidades a la pared pre-
existente.
• Esta acción de importancia es catalizada por enzimas de 
acción transglucosidasa, transpeptidasa, endopeptidasa y 
carboxipeptidasa.
• A estas enzimas se les ha dado el nombre de PBPs por 
sus siglas del inglés Penicillin Binding Protein, o Proteínas 
de Enlace a la Penicilina.
• ………………Por qué llevan ese nombre?? 
Propiedades de las PBPs de Escherichia coli
PBP
Nº moléculas/ 
célula
Actividad enzimática 
conocida
Posibles funciones
PBP 1A, 
1B 1C
100 cada una Transglucosilasa/transpep
tidasa
Síntesis de PG durante la 
elongación celular
PBP 2 20 Transpeptidasa Crecimiento y determinación 
de la forma bacilar
PBP 3 50 Transglucosidasa/transpe
ptidasa
Síntesis de PG durante la 
septación (tabique)
PBP 4 110 D-D-endopeptidasa/
D-Dcarboxipeptidasa
Hidrólisis de los 
entrecruzamientos durante la 
elongación
PBP 5 1800 D-D-carboxipeptidasa Destrucción del pentapéptido
no entrecruzado
¿Por qué tantas PBPs ? ¿Por qué las acciones similares? 
¿Sólo es el caso de E.coli?
Observa que 
son diferentes 
estados 
fisiológicos!!
La Penicilina G se une covalente e irreversiblemente con la 
transpeptidasa (PBP)
PenicilinaG
Pero……………
Por qué se le 
une si no es su 
sustrato 
natural??
Unida a la penicilina, la 
enzima ya no está activa 
en su función!!
Enzima PBP
TRANSPEPTIDASA Y PENICILINA
Las proteinas de enlace a la penicilina (PBPs) actúan en los ultimos pasos de la síntesis de 
pared celular. Ellas reconocen la unidad ‘D-Ala D-Ala terminal para realizar la transpeptidación. 
La penicilina es estereoquímicamente similar a esa unidad y de allí que es reconocida por la 
PBP que se enlaza irreversiblemente a ella y se inactiva
liberada
Penicilina
Tres últimos aminoácidos 
del pentapéptido
Transpeptidasa
β-lactamasa
¿Cómo explicarías que la Vancomicina con este 
mecanismo pueda inhibir tanto la transglucosidación
como la transpeptidación?
Diversidad de la Estructura del peptidoglucano
• Existe una alta diversidad en la composición y secuencia de los péptidos del 
peptidoglucano en diferentes especies.
• En varias especies estudiadas la fina estructura del peptidoglucano varía 
significativamente con las condiciones de crecimiento.
• Los métodos analíticos modernos han permitido mostrar que las variaciones en la 
estructura del peptidoglucano pueden ocurrir en función de la edad, composición del 
medio, patogénesis o presencia de antibióticos.
• Las futuras investigaciones deben dirigirse a determinar la arquitectura molecular del 
peptidoglucano en bacterias gram positivas y gram negativas. Ejm. Orientación de las 
cadenas de glucanos y péptidos con respecto al eje celular; patrón de distribución de los 
enlaces cruzados L-D; la existencia de péptidos diméricos y triméricos; los sitios de unión 
con otros polímeros; porosidad y elasticidad del sacculus, etc.
Los Acidos Teicoicos en las paredes de las Gram positivas
¿Que son los acidos teicoicos ?
¿Cómo están compuestos?
Todas las bacterias gram positivas tienen 
los mismos ácidos teicoicos? ¿Qué 
comparten? ¿En qué se diferencian?
¿Cómo se unen al peptidoglucano? 
¿Cumplen alguna función?
Existen ácidos ribitol-teicoicos y glicerol-teicoicos unidos al peptidoglucano
y también lipoteicoicos, unidos a la membrana citoplasmática … 
Unidades 
que se 
repiten 
formando 
un polímero
fosfatado
Estructura de los ácidos teicoicos. En los ac. teicoicos de glicerol, R puede ser alanina,
glucosa o glucosamina. En los ribitol teicoicos, R1 puede ser glucosa o
N.acetilglucosamina, R2 y/o R3 puede ser alanina. Cada unidad siempre ligada a un
grupo fosfato.
Annu. Rev. Microbiol. 2013.67:313-336.
Estructura de los Acidos Teicoicos
Glicerol-P Enlace Peptidoglucano
Los ac. teicoicos se unen covalentemente a la estructura del Peptidoglucano a 
través de unidades de enlace frecuentes, aún cuando existe variabilidad en ellas
Unidad de enlace frecuente
Síntesis de 
Ac. Teicoicos
Los ac. teicoicos se sintetizan en el citoplasmaya con su unidad de enlace , luego se unen a 
un lípido de membrana (P-C55) para ser llevados al exterior y unirse al Peptidoglucano.
Podemos determinar, 
qué pasos de la 
síntesis de ácidos 
teicoicos son 
comunes a la mayor 
parte de las bacterias 
gram positivas y a 
partir de qué pasos 
diverge???
Función de los Ac. teicoicos
• Regulación de la forma y división celular
• Regulación de la actividad de las autolisinas
• Regulación de la homeostasis
• Reconocimiento celular
• Protección contra los mecanismos de defensa del 
hospedero y antibióticos
Pared celular de una Micobacteria
Mycobacterium tuberculosis es una micobacteria gram positiva que tiene un 
tipo de pared muy particular. Ubiquemos esas características particulares y 
pensemos en las ventajas que pueden brindarle al patógeno.
Pared Celular de Micobacterias
• Las Micobacterias están clasificadas como bacteria gram positivas, las 
formas patogénicas como las que causan tuberculosis y lepra son 
parásitos intracelulares. En esta ubicación inhiben la respuesta de los 
macrófagos a las infecciones causando apoptosis y la secreción de 
citoquinas. 
• Estas actividades dependen de los constituyentes de la pared celular 
como los lipoarabinomananos (manósidos de fosfatidilinositol ) que 
además se encuentran unidos covalentemente a los arabinogalactanos
que se extienden por fuera de la superficie celular. 
• Los lípidoarabinomananos están también asociados con otra capa en la 
pared celular compuesta de ac. micólicos, un tipo de ácido graso. 
• Las Micobacterias están rodeadas por complejos de ac. micólico-
arabinogalactano y peptidoglucano y una cápsula rica en polisacáridos de 
arabinomananos y mananos. Utilizan proteínas de tipo porinas para el 
trasnporte de moléculas hidrofílicas
Superficie de una bacteria Gram negativa
Cuántos distintos componentes tenemos en la membrana externa
de las bacterias Gram negativas?
Membrana 
Externa
Proteínas de enlace
Para amino acidos (ejm. histidina, arginina) 
Para azúcares (ejm. glucosa, maltosa) 
Para vitaminas (ejm. tiamina, vitamina B12) 
Para iones (ejm. fosfato, sulfato) 
Enzimas de biosíntesis
Para ensamblaje de peptidoglucano (ejm. transglicosilasas, 
carboxipeptidasas, transpeptidasas) 
Para secreción y ensamblaje de subunidades en las fimbrias (ejm. 
chaperoninas) 
Enzimas degradativas
fosfatasas 
proteasas 
Enzimas detoxificantes
Beta-lactamasas (ejm. penicilinasa) 
Enzimas aminoglicosido-fosforilante
Proteínas de 
periplasma en E. 
coli.
En el Periplasma abundan las proteínas. 
Y tienen diferentes funciones
Proteínas de la Membrana Externa de las bacterias Gram negativas
Proteínas canal o porinas, permiten el paso de moléculas 
hidrofílicas pero con un límite de tamaño (700Da)
E. coli E.coli/P. aeruginosa P. aeruginosa
Nombre Regulación Presentes en
OmpF Reprimidas en condiciones de alta
osmolaridad externa.
E. coli
Salmonella
OmpC Expresadas en condiciones de alta
osmolaridad externa
E. coli
Salmonella
OmpD Su expression es dependiente del tenor de 
cAMP
Salmonella
PhoE Reprimidas en condiciones de alto fosfato
externo.
E. coli
Salmonella
Porinas clásicas de E. coli y Salmonella
LIPOPROTEINA: En la cisteína del extremo amino terminal de la fracción 
peptídica se encuentran unidos un ácido graso y un diacilglicérido. En el 
extremo carboxi terminal el aminoácido lisina se une al péptidoglucano. 
Kovacs-Simon A et al. Infect. Immun. 2011;79:548-561
Las lipoproteínas no sólo se encuentran en las bacterias gram
negativas… y no siempre anclan al peptidoglucano
OM: Membrana 
Externa
PG: peptidoglucano
CM: membrana 
citoplasmática
AG: arabinogalactano
ML: capa de ácido 
micólico
C: material tipo 
cápsula
La síntesis de la Lipoproteína paso a paso. 
Kovacs-Simon A et al. Infect. Immun. 2011;79:548-561
(A) Preprolipoproteina, con un 
péptido señal N-terminal el cual
posee una secuencia consenso
característica llamada lipobox . 
(B) Durante la maduración de la 
lipoproteína, el grupo tiol de la 
cisteína invariable del lipobox es
modificada por una molécula de 
diacilglicérido mediante la 
lipoproteína diacilgliceril
transferasa (Lgt), la cual sirve como
un anclaje a membrana. 
(C) Después de esta lipidación la, 
lipoproteina señal peptidasa (Lsp) 
corta el péptido señal, dejando a la 
cisteína como el nuevo residuo
amino terminal que formará la 
lipoproteina en una bacteria Gram-
positiva. 
(D) En bacterias Gram-negativas y 
en algunas Gram positivas, la 
lipoproteína madura tendrá un ácido
graso unido por enlace amida al 
residuo cisteína N-terminal 
mediante la lipoprotein N-acil
transferasa (Lnt). 
Funciones de la Lipoproteína
• Han sido identificados diferentes roles de las lipoproteínas 
en bacterias patógenas como Mycobacterium tuberculosis, 
Streptococcus pneumoniae, Borrelia burgdorferi, 
Haemophilus influenzae y Neisseria meningitidis, ya sea 
gram negativas o gram positivas.
• Tienen un rol fundamental en la adhesión a las células 
hospederas, modulación de los procesos inflamatorios y en 
la translocación de factores de virulencia hacia las células 
del hospedero.
• Se les asocia además a una función reguladora de las 
proteínas PBP en la síntesis de pared.
LIPOPOLISACARIDO (LPS)
Síntesis del 
Lípido A
Acilación
Formación del 
disacárido y 
acción kinasa
Transferencia de 
KDO y última 
acilación
Síntesis del Ac. 3-dioxi-D-manooctulosónico (KDO)
isomerasa
D-Ribulosa-5-P D-Arabinosa-5-P
sintetasa
D-Arabinosa-5-P + PEP KDO-8-P + Pi
fosfatasa
KDO-8-P KDO + Pi
Estructura del LPS y sus variantes
Región 
altamente 
variable
Región mayormente 
conservada
Región variable 
entre géneros
Difrentes estructuras del Antígeno O
Síntesis del Antígeno “O” y ligazón al núcleo polisacárido del LPS en S. typhimurium
El antígeno O 
inicia su 
síntesis 
adicionando 
azúcares a un 
lípido de 
membrana
Y finalmente 
se liga a la 
cadena 
oligosacárida
pre-existente 
elongándola
en una 
unidad y 
desplazando 
al Lipido-PP
Diversidad de Estructuras de Pared Celular en Archaeas
Pared celular en diversas arqueas. GC, Glicocalix ; GG, 
Glutaminilglucano; HP, Heteropolisacarido; LP, Lipoglucano; 
MC, Metanocondroitina; OCM, Membrana externa; PM, 
Pseudomureina; PS, Envoltura proteica; SL, Capa S.
Frontiers in 
Microbiology. Nov. 2014 
| Volume5 | Article 624 .
En muchas eubacterias (sobre todo Gram-positivas) y archaeas es una 
estructura que envuelve a la pared celular. Puede tener capas con simetría 
oblicua, cuadrada o hexagonal con dimensiones en el rango de 3 a 30 nm
por unidad de proteínas o glicoproteínas. 
Función:
En muchas arqueas: 
– Hace las funciones de la pared celular (da forma y rigidez). 
En Eubacterias: 
– Tamiz molecular protector frente a agentes antibacterianos 
– Protección frente a fluctuaciones iónicas, de pH, etc
– En algunas patógenas, protección frente a fagocitosis
En Geobacillus stearothermophilus la glucosilación de la proteína ocurre a 
través de rhamnosiltransferasas…
Diferentes sitios de acción de las rhamnosiltransferasas Proteína
100nm
Thermoanaerobacter thermohydrosulfuricus
CAPA S con clara simetría de estructuras proteicas 
Deinococcus radiodurans
Capa S de Bacteria Capa S de Archaea
(Acetogenium kivui) 
Aeromonas salmonicida
Azotobacter vinelandii
Bacillus brevis
Bacillus polymyxa
Bacillus sphaericus
Caulobacter crescentus
Clostridium aceticum
(Clostridium thermohydrosulfuricum) 
(Clostridium thermosaccharolyticum) 
(Comamonas acidovorans) 
Delftia acidovorans
= Comamonas acidovorans
Deinococcus radiodurans
Phormidium uncinatum
Sporosarcina ureae
Thermoanaerobacter kivui
= Acetogenium kivui
Thermoanaerobacter thermoydrosulfuricus
= Clostridium thermohydrosulfuricum
Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum
= Clostridium thermosaccharolyticum
Acidianus (Sulfolobus) brierleyi
Archaeoglobus fulgidus
Desulfurococcus mobilisDesulfurolobus ambivalens
Halobacterium halobium (salinarum) 
Halobacterium volcanii
Hyperthermus botylicus
Methanoplanus limicola
Pyrobaculum islandicum
Pyrobaculum organotrophum
Pyrodictium brockii
Pyrodictium occultum
Sulfolobus acidocaldarius
Sulfolobus shibatae
Sulfolobus solfataricus
Staphylothermus marinus
Thermococcus celer
Thermoproteus tenax
CAPSULA BACTERIANA
COMPOSICION QUIMICA DE CAPSULAS y EXOPOLISACÁRIDOS BACTERIANOS
Bacteria Composición Subunidades estructurales
Bacteria Gram-positiva
Bacillus anthracis
polipéptido (ácido 
poliglutamico) Acido D-glutámico
Bacillus megaterium Polipéptido y polisacárido
Acido D-glutamic, amino azúcares, 
azúcares
Streptococcus mutans polisacárido (dextrano) glucosa
Streptococcus 
pneumoniae
polisacáridos
azúcares, amino azúcares, ácidos 
urónicos
Streptococcus pyogenes
polisacárido (ácido 
hialurónico)
N-acetil-glucosamina y ácido 
glucurónico
Bacteria Gram-
negativa
Acetobacter xylinum polisacárido (celulosa) glucosa
Escherichia coli polisacárido (ácido colónico)
glucosa, galactosa, fucosa, ácido 
glucurónicp
Pseudomonas 
aeruginosa
polisacárido ácido manurónico
Azotobacter vinelandii
polisacárido
ácido glucurónico
Agrobacterium 
tumefaciens
polisacárido (glucano) glucosa
Azúcares
Pentosas: ribosa y arabinosa en 
especies de Mycobacterium
Hexosas: glucosa, manosa, 
galactosa y fructosa.
Desoxiazúcares: fucosa y 
ramnosa
Acidos urónicos: ácido 
glucurónico y galacturónico
Aminoazúcares: glucosamina y 
galactosamina frecuentemente 
N-acetiladas.
No-azúcares
N-acetil, aminoacidos, glicerol, 
ribitol, ac. láctico, ac. succínico 
entre otros
Componentes generales
Streptococcus pneumoniae Bacillus anthracis Streptococcus pyogenes . 
S. pneumoniae . La cápsula de este patógeno le permite escapar de los fagocitos en el 
pulmón.
B.anthracis , su cápsula es igualmente antifagocítica.
S. pyogenes, su cápsula es compuesta de ac. hialurónico, el mismo polímero presente 
en el tejido conectivo humano, por ello previene el reconocimiento de los fagocitos 
del sistema inmune. 
Producción de los 
polímeros bacterianos 
Dextranos , Levanos y 
Mutanos.
¿Qué uso tienen los polímeros de superficie producidos por 
bacterias?
DEXTRANOS.- El primer uso industrial de los dextranos bacterianos fue como sustituto de plasma sanguíneo 
(ejm.Leuconostoc mesenteroides) . Otra de las aplicaciones es como tamiz molecular para la purificación de proteínas, 
ac. nucleicos y polisacáridos (ejm. Sephadex). En clínica se utiliza el dextrano hierro, para combatir la deficiencia de 
hierro en las anemias y el dextrano sulfato, por sus propiedades anticoagulantes similares a la heparina, y como antiviral 
contra el virus del dengue o el virus de la gripe. En la industria alimentaria se utilizan en cremas, productos de 
panadería, jarabes de fructosa y helados. Sin embargo, los dextranos no están aprobados explícitamente como aditivos 
alimentarios ni en Europa ni en Estados Unidos. En los últimos años se observa un aumento en el número de patentes 
basadas en bacterias productoras de dextrano así como en nuevas aplicaciones de los mismos como prebióticos, 
agentes bioactivos y/o agentes anticorrosión, en cosmética y en productos horneados. 
LEVANOS . Los levanos pueden ser usados como alimento o como aditivo alimentario con efectos probióticos y 
hipocolestererolemicos. Muestran propiedades como proliferadores celulares, humectantes de piel, anti–irritativos en piel
como parte de los componentes de los cosméticos. Los derivados de levano sulfatados, fosfatados o acetilados han sido
ensayados como agentes anti-SIDA. Adicionalmente son usados como material de cubierta en la formulación de 
medicamentos. A nivel industrial los levanos tienen variadas aplicaciones como surfactantes o como parte de sistemas
de particionamiento de proteínas.
MUTANOS. Los mutanos son sintetizados en la película salivaria mediante glucosiltransferasas y promueven la 
adherencia de las bacterias orales que colonizan la dentadura humana y que juegan un rol esencial en la acumulación 
de la placa dental. La investigación actual se enfoca en producir mutanasas que puedan hidrolizar este polímero y 
prevenir las caries