Curso avanzado en Bioquímica del Suelo 6. (Salvador González Carcedo) La naturaleza de los aportes naturales. b.1) Paredes y membranas de bacterias y arqueobacterias.

Siguiendo el recorrido de las habituales simplificaciones ahora toca hablar de los microorganismos.  Cuando uno lee infinidad de trabajos sobre suelos, aportes orgánicos en base a compost, lodos y cosas así se encuentra continuamente aquel vocablo.  Pero al analizar su uso en los “paper” de Edafología no se sabe, salvo honrosas excepciones, si se refiere a pequeños animales, bacterias, arqueas u hongos (por simplificar), aunque presiento que pretende hablar de todos ellos en su conjunto. Es evidentemente que el autor “queda bien” en un “sistema aceptado por casi todos los edafólogos”, y demostrativo del desconocimiento reinante sobre la bio y quimio-biodiversidad del suelo y de los aportes orgánicos en cuestión.  Y lo digo no solo desde el punto de vista de la clasificación de la NECROMASA que aportan, sino también de las actividades y funciones metabólicas que hay que desarrollar (investigar) para degradar aquellos materiales orgánicos.

Para introducirnos en el tema, la aparición sobre la Tierra de estos dos reinos (bacterias y arqueas) ocurre en momentos distintos. La variedad en su composición química cuali y cuantitativa, configuración molecular y grado de empaquetamiento y organización hacen de las membranas y paredes bacterianas un mundo aparte y estrictamente distinto al de las arqueobacterias y es desde estas últimas curiosamente desde donde aparecen las células eucariontes (vegetales y animales).  Y ello debemos de tenerlo en cuenta, dado que su conocimiento nos lo ponen a nuestra disposición microbiólogos y bioquímicos estructurales.

Para empezar voy a centrarme primero en las diferencias que hay entre las bacterias Gram positivas y Gram negativas, pero sin olvidarme de que bacterias y arqueas son seres evolutivamente diferentes en el tiempo y radicalmente distintos desde el punto de vista de la composición y actividad metabólica. 

Sobre la organización general que diferencia a ambos grupos:

Podemos establecer la existencia de una pared, una o dos membranas lipídicas y un espacio periplásmico.  Pero el orden de aparición, el grosor de los espacios ocupados y la composición molecular y estructural de cada una de las organizaciones antedichas es variable.

a)      La pared de las Bacterias Gram positivas (G+) parte de un peptidoglicano básico mureina que conforma un sáculo de mureina de hasta 40 capas, resultado de la polimerización de su glicopéptido y su integración con ácidos teicóicos. Su grosor es tal, que no queda casi “espacio interperiplásmico” por lo que su conectividad con la membrana plasmática es importante.

b)      La organización de la bacterias Gram negativas (G-) desde fuera hacia adentro presenta una membrana externa (bicapa lipídica, con porinas y lipopolisacáridos) seguida de un gran espacio periplásmico muy rico en peptidoglucanos que embeben enzimas y subdividido en dos áreas por una monocapa de pared celular. Finalmente aparece la membrana plasmática (bicapa lipídica). Además de poder presentar flagelos, las Gram –  puede tener pili.

Establezcamos ahora cómo son las moléculas constitutivas.

El monómero de mureina, presente en la pared celular de bacterias G+ está constituido por un dímero glucídico: N-acetil glucosamina (NAC) y N- acetilmurámico (NAM) unidos mediante un enlace osídico (beta 1-4). Del radical láctico de NAM cuelga un oligopéptido que suele estar formado por pentaglicina (Gram +) o por otras secuencias como la D-alanina, glutámico, aminopimélico y alanina.  En las Gram – el ácido meso-aminopilélico es obligado y la lisina nunca aparece. La síntesis del ácido murámico, característica de todas las eubacterias, puede impedirse con antibióticos (penicilina, cefalosporinas y amoxicilina) frenado así las infecciones derivadas.

La formación del sáculo de mureina se consigue gracias a

·         La capacidad de polimerización del dímero, dando lugar polisacáridos no ramificados (fibras moleculares) en las que se mantiene la alternancia (NAC-NAM)

·         La formación de puentes entre las “fibras” con participación de un pentapéptido de glicocola (pentaglicina) como elemento de enlace. Así se forma una estructura rígida y covalente en forma de jaula que rodea la totalidad de la célula, y que hace, del peptidoglicano conformado, una de las moléculas de mayor tamaño conocidas.

En las bacterias Gram – el enlace para conformar la monocapa la realizan los aminoácidos que conforma propiamente la mureina monómero.

Los ácidos teicóicos que participan en la pared de las bacterias G+ son polímeros lineales de una secuencia polialcohol (glicerol o ribitol) – fosfato. Sobre cada alditol se sitúa una molécula de NAC, y los otros hidroxilos libres del polialcohol se unen covalentemente a monosacáridos simples o derivados, o a D-aminoácidos (D-alanina). A su vez, los ácidos teicóicos se unen covalentemente al ácido murámico conectando diversas capas de peptidoglicano.

Los lipopolisacáridos (LPS) de la G- tienen una estructura propia y diferenciadora del resto de componentes bacterianos de pared y membrana.

Presentan dos partes: El lípido A y la cadena de polisacárido.  

·   El lípido A con una parte glucosídica que corresponde a dos moléculas de N-acetil-glucosamina (glucosaminadisacárido o NAG) fosforiladas. Su estructura equivale al glicerol de fosfolípidos. Sus grupos hidroxilos se esterifican con ácidos grasos C₁₂, C₁₆, C₁₈, que al ser hidrofóbicos se orientan hacia el interior, y sirven para anclar toda la estructura en la membrana externa de las bacterias Gram-

·   Una cadena compleja de polisacárido, que se proyecta al exterior, en la que se distinguen dos zonas:

·         un núcleo: zona central R, formado por ácido 2-ceto-3-deoxi-octanóico  (KDO), heptosa, glucosa y glucosamina, que está unida a una de las NAG del lípido A.

·         un antígeno-O “somático”: serie de 3 a 5 monosacáridos que se repiten. Es distintiva de cada especie y causante de la respuesta inmunológica que generan estas bacterias.

Entre las funciones de los LPS se encuentra el de i) incapacitar a las defensas del huésped, ii) proporcionar carga negativa a la superficie de la membrana y  iii) estabilizarla.

Las LPS constituyen una de las endotoxinas bacterianas más activas, son fuente de origen de fiebre, diarrea y provocan una fuerte respuesta inmune, siendo uno de los agentes responsables del llamado <shock endotóxico> producido cuando las células del sistema inmune entran en contacto con él.  Tienen gran importancia en el diagnóstico bacteriológico y en la identificación de infecciones. Distintas cepas se diferencian entre sí por las llamadas cadenas laterales O- específicas ya señaladas, hecho que puede ponerse de manifiesto por métodos inmunológicos. Ocupa desde membrana plasmática a membrana externa, tiene aparentemente una consistencia gelatinosa.

El espacio periplásmico de las bacterias G(-) tiene un gran interés para el suelo. ·  En numerosas bacterias contiene abundancia de enzimas como por ejemplo aquellas que inician la degradación de substratos como la glucosa, o la transformación de compuestos inorgánicos como los nitratos.  También se encuentran las depolimerasas que actúan sobre los biopolímeros (proteasas, polisacaridasas, nucleasas y otros).  Otras enzimas presentes en el espacio periplásmico son las b-lactamasas responsables de la destrucción de los antibióticos b-lactámicos y, por tanto, de la resistencia de ciertas bacterias a ellos (para evitarlo en clínica, se combina la amoxicilina con el ácido clavulámico). Asimismo allí se encuentran sensores químicos capaces de detectar variaciones ambientales.

Hablemos un poco de las “archaeas”

Proceden directamente del progenote que las bacterias, y se las atribuye una antigüedad de 3.500 millones de años, cuando la atmósfera carecía de oxígeno.  Actualmente de este reino mantienen su actividad tres grandes grupos, según la clasificación de su DNA:

·         Euryarchaeota: incluye productoras de metano (metanógenicas) y archaeas de ambientes salinos (halofílicos: regiones con muy alta concentración de sal (NaCl); requieren para crecer una concentración de al menos  10% de cloruro de sodio).

·         Crenarchaeota: viven en ambientes hipertermófilos (> 75ºC), aunque en el suelo se encuentran especies que viven a temperaturas moderadas.

·         Korarchaeota: se conoce solamente su secuencia de DNA. Hasta el momento no se conoce nada sobre su hábitat.

Vista esta clasificación queda claro porque hay que incluir estos grupos.

Los lípidos presentes en las membranas son únicos en la biología: diéteres de glicerol fosfato. Si bien la molécula básica sigue siendo el glicerol, este pertenece a la serie L (quiral respecto al resto de las membranas biológicas, serie D) y en lugar de ácidos grasos (C_14-18) poseen cadenas laterales formadas por polímeros de isopreno (C₂₀), y la unión del glicerol con estas cadenas (isoprenoídicas) se realiza mediante un enlace eter.

Las cadenas laterales de isopreno se pueden ensamblar juntas. Esto puede significar que las dos cadenas laterales de un solo fosfolípido pueden ensamblarse juntas, o pueden ser ensambladas a las cadenas laterales de otro fosfolípido en el otro lado de la membrana.

Las ramas laterales tienen capacidad para formar los anillos de carbono. Esto sucede cuando una de las ramas laterales se enlaza con otro átomo abajo de la cadena para hacer un anillo de cinco átomos de carbono. Tales anillos se piensan para proporcionar estabilidad estructural a la membrana, puesto que parecen ser más comunes entre las especies que viven en altas temperaturas. Pueden trabajar de la misma manera que el colesterol (terpeno) hace en células eucarióticas para estabilizar las membranas.

En algunas archaeas, los éteres las cadenas laterales (fentanil) se unen entre sí por enlaces covalentes formando una monocapa en lugar de la bicapa característica de las membranas, siendo más estables, densas y resistentes, lo cual conviene a las hipertemófilas.

Ningún otro grupo de organismos puede formar tales fosfolípidos de transmembrana.

Algunas arqueobacterias metanogénicas poseen la pared celular formada por un compuesto similar al peptidoglicano de las bacterias, por lo que denomina pseudopeptidoglicano, con enlaces glucosídicos 1,3 en lugar de los 1,4 de los peptidoglicano.

En otras archaeas la pared se compone de polisacaridos, glicoproteínas o proteínas. El tipo de pared más común es la capa superficial paracristalina (capa S) formada por proteína o glucoproteína, de simetría hexagonal.  La pared celular impide la lisis celular y le confiere la forma a la célula. Las paredes de las Archaea son resistentes naturalmente a la lisozima, debido a la ausencia de peptidoglicano.  La única arqueobacteria que carece de pared es elThermoplasma.

Uff, todavía estoy sorprendido de lo que he escrito, y lo estaré más si habéis llegado hasta aquí.  Gracias por vuestra constancia mis trescientos sufridos amigos virtuales.

El profe se vuelve mas duro…   pero tiene que pensar en una respuesta a una pregunta demandada por el “cuerpo lectoral” ¿Qué es eso del humus…?.  La verdad es que me está haciendo sudar tinta, con la de respuestas facilonas que hay por la literatura.  Este y el capítulo anterior junto con algunos que faltan son el “Antecesor” de una respuesta, por cierto, nada fácil.

En todo caso, no olviden este apartado, me referiré al mismo desde varios ángulos de aplicación

Saludos  

Salvador González Carcedo