ALTERACIÓN DE LA ESTRUCTURA MICROBIANA Y MECANISMOS DE

INVASIÓN Y SUPERVIVENCIA

Antígenos membranales. Membrana externa: endotoxinas, porinas y permisas.

Sistema de fosfoenol piruvato, sideróforos y otros. Modificación de la función

Membrana y mecanismos de transporte

Pared celular y membrana:

¿límite o continuidad celular?

• Pared celular bacteriana: Conformada por una variedad

de macromoléculas y polímeros que proveen una

cubierta que rodea al protoplasto definiendo la

morfología celular.

• En bacterias Gram-positivas la pared esta conformada

por peptidoglicanos asociados a polímeros.

• En Gram-negativas consiste de una membrana externa

y una capa subyacente delgada de peptidoglicano.

Transportadores en E. coli K12 (www.ecocyc.org)

Clasificación de sistemas de transporte

• http://www.tcdb.org/ • [1] Saier MH Jr, Yen MR, Noto K, Tamang DG, Elkan C. (2009), The Transporter

Classification Database: recent advances, Nucl. Acids Res., 37: D274-8. [19022853]

• [2] Saier MH Jr, Tran CV, Barabote RD. (2006), TCDB: the Transporter Classification Database for membrane transport protein analyses and information, Nucl. Acids Res., 34: D181-6. [16381841]

Lista de familias y subfamilias incluidas en el TC System

http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/mtp/

1. Canales/poros 1.A Canales tipo- (-Type) 1.B Porinas barril-β (β-barrel) 1.C Toxinas formadoras de poros (proteínas y péptidos) 1.D Canales no sintetizados ribosomalmente

2. Transportadores dirigidos por potencial electroquímico 2.A. Porteradores (uniporteadores, simporteadores, antiporteadores). 2.B Porteadores no sintetizados ribosomalmente

3. Transportadores activos primarios 3.A Transportadores dirigidos por la hidrólisis de enlaces P-P 3.B Transportadores dirigidos por descarboxilación 3.C Transportadores dirigidos por metiltrasnferencia 3.D Transportadores dirigidos por oxidorreducción 3.E Transportadores dirigidos por absorción de luz

4. Translocadores 4.A Grupo de translocadores dirigidos por fosfotransferasa

5. Acarreadores de transporte de electrones 5.A. Transmembrane 2-Electron Transfer Carriers 5.B. Transmembrane 1-Electron Transfer Carriers

8. Factores accesorios involucrados en el transporte 8.A Proteínas transportadoras auxiliares

9. Sistemas de transporte caracterizados de forma incompleta 9.A Transportadores reconocidos de mecanismo bioquímico

desconocido 9.B Proteínas transportadoras putativas pero no caracterizadas 9.C Transportadores funcionalmente caracterizados pero que carecen

de secuencias identificadas.

Características 1. Canales/poros

Canales tipo facilitadores: Las proteínas de esta categoría tienen canales transmembranales que consisten principalmente de un spanner tipo -hélice o β-cadena.

Los sistemas de transporte de este tipo catalizan la difusión facilitada (por un proceso independiente de energía) por el paso de a través de poros acuosos o canales transmembranales o canales sin evidencia de un mecanismo mediado por un acarreador. No exhiben estéreo especificidad para una especie molecular en particular.

Porina C, OmpC en membrana externa

Proteína receptora del fago lambda: LamB

Receptor de alta afinidad de matosa: MalT

2. Transportadores dirigidos por potencial electroquímico

Algunos azúcares, aminoácidos, nucleósidos y moléculas pequeñas (Na+) son

transportados por una proteína uniporteadora la cual mueve un soluto a través de la membrana en presencia de un gradiente de concentración

(++++ +). Mediado por un cambio de conformación selectivo entre el soluto y el

transportador. Algunos azúcares, aminoácidos e iones (p.e sulfatos y fosfatos) son

cotransportados por proteínas simporteadoras , las cuales usan la fuerza protón motriz para mover un soluto en contra de de un gradiente de concentración. Transportan de forma simultánea dos solutos a través de la membrana.

Los antiporteadores acoplan el transporte de dos o más solutos en direcciones

opuestas a través de la membrana.

MdfA/Cmr MFS multidrug transporter

Resistencia a cm, tet, eri

3.Transportadores activos primarios. Estos transportadores usan una fuente primaria de energía para

dirigir el transporte activo de un soluto en contra del gradiente de concentración.

Las fuentes primarias de E conocidas acopladas al transporte son química, eléctrica y solar.

Transportadores Sistema ABC (ATP-binding cassette) forman

una de las familias conocidas más grandes y ampliamente distribuidas en bacterias, arqueas y eucariontes.

Acoplan la hidrólisis de ATP para activar el transporte de una gran variedad sustratos: iones, azúcares, lípidos, esteroles, péptidos, proteínas y drogas (http://www.genome.jp/kegg/pathway/ko/ko02010.html).

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes

Transportadores Sistema ABC (ATP-binding cassette) Procariontes: conformados por tres componentes, codificados por

genes organizados en operones

Dos proteínas de membrana integrales

(6 segmentos transmembranales)

Dos proteínas periféricas:

Hidrolizan ATP

Periplásmica (lipoproteína):

Unión a substrato

http://www.genome.jp/kegg/pathway/ko/ko02010.html

Polypeptide: galactose ABC transporter - periplasmic binding protein

(http://ecocyc.org/ECOLI/NEW-IMAGE?type=GENE&object=EG10593)

Transportadores Sistema ABC (ATP-binding cassette) Eucariontes:

Región transmembranales

fusionada con las proteínas

de unión a ATP

(multidomain protein, MDP) y

el dominio de unión a

nicleótido (NBD)

http://www.genome.jp/kegg/pathway/ko/ko02010.html

(P-glicoproteína) mamífero

4. Traslocadores

El sistema de fosfotransferasa (PTS) dependiente de fosfoenolpiruvato (PEP) es un mecanismo de obtención de crabohidrtaos en bacteria para la toma de carbohidratos (hexosas, hexitoles, disacáridos), utilizando como fuente de E el PEP.

http://www.genome.jp/kegg/pathway/ko/ko02060.html

Componente citoplasmático:

E1,

HPr: Histidin phosphocarrier protein

Cmplejo EII:

Permeasa azúcar específico

Escalante et al., In: Smolke, C. D. (Ed). The Metabolic Pathway Engineering Handbook: Fundamentals.

Vol. I. Chapter 1. CRC Press. Boca Raton, FL. pp: 1.1-1.20. ISBN 978-1-4398-0296-0.

5. Acarreadores de transporte de electrones. Sistemas transmembranales de flujo de electrones. Estos

sistemas catalizan el flujo de electrones a través de la membrana biológica a partir de donadores localizados de un lado a aceptores al otro lado.

Estos sistemas contribuyen a favor o en contra del potencial de membrana, dependiendo de la dirección del flujo de electrones. De importancia en los aspectos energéticos de la célula.

8. Factores accesorios involucrados en el transporte. Proteínas transportadoras auxiliares. Se incluyen proteínas que se

pueden funcionar con o forman complejos proteínas de transporte. P. e., proteínas de fusión a membrana que facilitan el transporte a

través las dos membranas en Gram-negativos en un solo paso dirigido por ATP o fpm, como fuente de E, utilizados por el transportador de la membrana citoplasmática.

Las proteínas acopladas y proteínas reguladoras que no participan en en el transporte pueden ser otro posible ejemplo.

En algunos casos, las proteínas auxiliares son consideradas como parte de sistema de transporte en el cual participan, sin embrago se ubican en esta categoría.

9. Sistemas de transporte caracterizados de forma incompleta Transportadores sin clasificación conocida.

Sistemas se secreción

bacterianos

Los sistemas de secreción de proteínas juegan un papel muy importante en la modulación de las interacciones de la bacteria con su ambiente. Esto es particularmente importante para el caso de bacterias simbióticas (como también en patogénicas, comensales o mutualistas), las cuales interaccionan con diversos hospederos .

En el caso de bacterias Gram-negativas, la secreción requiere de la translocación a través de la membrana interna y externa, para lo cual ha desarrollado una gran diversidad de “maquinarias moleculares” para este propósito.

Durante un proceso de infección cierto número de proteínas están destinadas a entrar a una célula hospedera (efectores y toxinas), para lo cual existen sistemas de secreción que translocan proteínas no solo a través de la célula “secretora”, sino que lo hacen también a través de la a través de la membrana del hospedero.

En bacterias Gram-negativas, algunas proteínas secretadas son exportadas a

través de la membrana interna y externa en un solo paso por los sistemas

Tipo I, III, IV o VI.

Otras proteínas son secretadas al espacio periplásmico vía el sistema

universal Sec o el sistema de dos argininas (Tat) y entonces son translocadas

a través de los sistemas Tipo III, V o menos común, a través de los sistemas I

o IV.

En bacterias Gram-positivas , las proteínas son secretadas a través de la membrana por el sistema SEC o Tat. Sin embargo, en otras Gram-positivas como las micobacterias, que tienen una pared celular impermeable (micomemebrana), existe un sistema de secreción especial de Tipo VII que transloca proteínas a través de la membrana y la pared a través de un canal no muy caracterizado

Sistema de secreción general

(Sec) el sistema de dos argininas

(Tat):

Sistema universal en eubacterias,

arqueas y eucariontes.

En arqueas y Gram-positivas las

dos vías son responsables de la

secresión de proteínas a través de

la membrana plasmática y en

Gram-negativas son responsables

del exporte al periplasma.

Sistema de secreción Tipo I (T1SS):

Involucrado en interacciones planta

microorganismo (patógeno de arroz

Xanthomonas oryzae pv. Oryzae).

Factores de virulencia como

metaloproteases, adhesinas y glicanasas

encontrados en patógenos de plantas:

Agrobacterium tumefaciens, Pseudomonas

syringae pv tomato, Ralstonia

solanacearum, Xanthomonas axonopodis pv.

citri y Xylella

fastidiosa .

Exporte de proteínas involucradas en la

simbiosis de Rhizobium-leguminosas y

formación de biofilms.

La proteína TolC de Sinorhizobium meliloti

que afecta la simbiosis y en Mesorhizobium

loti y Bradyrhizobium japonicum.

Sistema de secreción Tipo II (T2SS):

Conocido como el sistema dependiente de Sec ya

que las proteínas que pasan a través de él

alcanzan primero el periplasma a través de la vía

Sec.

Esta presente en Proteobacterias (Gram-negativas):

simbiontes obligados a especies de vida libre.

Puede haber más de un T2SS.

Requerido para la virulencia de Vibrio

Cholerae (toxina del cólera), Legionella pneumonphila,

y E. coli enterotoxigénica (toxina lábil al calor) y en

patógenos de plantas Ralstonia solanacearum,

Pectobacterium atrosepticum (Erwinia carotovora

subsp.

atroseptica), Xanthomonas campestris pv. campestris,

Pseudomonas aeruginosa (exotoxina A) y las

pectinasas y pectato liasas de los patógenos de plantas

Dickeya dadantii (Erwinia chrysanthemi), Erwinia

amylovora y Xanthomonas campestris pv. campestris.

Sistema de secreción Tipo III (T3SS):

Se encuentra en bacterias Gram-

negativas que interaccionan con

hospederos animales y vegetales,

tanto patógenos como mutualistas.

Se le llama inyectosoma y parece

tener un origen evolutivo común con

el flagelo.

Su principal función es liberar

proteínas efectoras e a través de la

membrana bacteriana y el citoplasma

del hospedero donde pueden

modular diversas funciones

celulares como respuestas inmunes

y de defensa.

Se han identificado los T3SS en

mutualistas rizobiales que fijan

nitrógeno en plantas, en mutualistas de

la mosca tse-tse fly (Sodalis

glossinidius), mutualistas de nemátodo

(Photorhabdus

Luminescens) y en comensales de

humanos (Pantoea agglomerans).

Sistema de secreción Tipo IV (T4SS):

Sistema único en su habilidad de

transportar ácidos nucleicos en adición

a proteínas a células de plantas y

animales, levaduras y otras bacterias.

El complejo T4SS une las membranas

de dos bacterias Gram-negativas y la

membrana y el ambiente celular de una

Gram-positivas

Sistemas homólogos en Agrobacterium

tumefaciens C58 (VirB), Helicobacter pylori

(CAG; ComB), Pseudomonas aeruginosa

(TraS/TraB), Bordetella pertussis (Ptl), E.

coli (Tra), Legionella pneumophila (Dot) y

mutualistas rizobiales que fijan nitrógeno

en plantas Mesorhizobium loti .

Aunque este sistema ha ganado

atención por su papel en patogénesis,

no todas las bacterias lo tienen.

Sistema de secreción Tipo V (T5SS):

Muchas de las proteínas secretadas

por este sistema caracterizadas a la

fecha contribuyen a la virulencia de

patógenos de humanos y animales e

incluyen proteínas como AIDA-I y Ag43

de E. coli, Hia de Haemophilus

influenzae, YadA de Yersinia

enteroliticola y Prn de Bordetella

pertussis; toxinas como VacA de

Helicobacter pylori; proteasas como IgA

de Neisseria gonorrheae y N.

meningitides, SepA de Shigella flexneri

y PrtS de Serratia marcescens;

proteínas de la capa S como rOmpB de

Rickettsia sp. y Hsr de Helicobacter

pylori. Adhesinas HecA/HecB del

patógeno de plantas Dickeya dadantii

(Erwinia chrysanthemii) y citolisnas

como ShlA/ShlB de Serratia

marcescens, HpmA/HpmB de Proteus

mirabilis y EthA/EthB de Edwardsiellla

tarda.

Sistema de secreción Tipo VI (T6SS):

Sistema caracterizado recientemente (phage-

tail-spike-like injectisome) que tiene el

potencial de introducir proteínas efectoras

directamente al citoplasma de la célula

hospedera.

Más de un cuarto de genomas secuenciados

poseen genes de T6SS (Proteobacterias,

plactomices y acidobacterias).

Es requerido para la virulencia de patógenos

animales y de humanos tales como Vibrio

cholerae, Edwardsiella tarda, Pseudomonas

aeruginosa, Francisella tularensis, y

Burkholderia mallei, en patógenos de plantas:

Agrobacterium tumefaciens, Pectobacterium

atrosepticum y Xanthomonas oryzae.

Colonización de raíces (Mesorhizobium

loti y Rhizobium leguminosarum.

Sistema de secreción Tipo VII (T7SS):

Presente en micobacterias

(micomemembrana) .

Requerido para factores de virulencia y

hemolisis del patógeno de peces

Mycobacterium marinum, y para la

conjugación de especies no patógenas

de Mycobacterium smegmatis .

Se han identificado genes

relacionados con la síntesis de T7SS

en los patógenos Corynebacterium

diphtheriae y Nocardia, en genomas de

bacterias no patógenas y patógenas

de Gram-positive que carecen de

micomebrana como especies de

Streptomyces

y firmicutes (Bacillus y Clostridium

spp., Staphylococcus aureus,

Streptococcus agalactiae y Listeria

monocytogenes).

Se requiere para la virulencia en

Staphylococcus aureus pero no en

Listeria monocytogenes.

Bacterial secretion system - Reference pathway