10 Membrana y Sistemas de Transporte
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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