El periplasma es una matriz gelatinosa concentrada en el espacio entre la membrana citoplasmática interna y la membrana externa bacteriana, llamada espacio periplásmico en las bacterias Gram-negativas (más precisamente "didermis") . Mediante el uso de criomicroscopía electrónica, se ha descubierto que también existe un espacio periplásmico mucho más pequeño en las bacterias Gram-positivas (más precisamente "monodermis"), entre la pared celular y la membrana plasmática. [1] [2] El periplasma puede constituir hasta el 40% del volumen celular total de las bacterias Gram-negativas, pero es un porcentaje mucho menor en las bacterias Gram-positivas. [3]
Aunque las bacterias se dividen convencionalmente en dos grupos principales (grampositivas y gramnegativas) según su propiedad de retención de la tinción de Gram , este sistema de clasificación es ambiguo, ya que puede referirse a tres aspectos distintos (resultado de la tinción, organización de la envoltura celular, grupo taxonómico), que no necesariamente coinciden en algunas especies bacterianas. [4] [5] [6] [7] En la mayoría de las situaciones, como en este artículo, la tinción de Gram refleja las marcadas diferencias en la ultraestructura y la composición química de los dos tipos principales de bacterias. El tipo "grampositivo" habitual no tiene una membrana lipídica externa, mientras que la bacteria "gramnegativa" típica sí la tiene. Los términos "didermo" y "monodermo", acuñados para referirse solo a esta distinción , son una característica más confiable y fundamental de las células bacterianas. [4] [8]
Todas las bacterias Gram-positivas están limitadas por una membrana lipídica unitaria (es decir, monodermo); generalmente contienen una capa gruesa (20-80 nm) de peptidoglicano responsable de retener la tinción de Gram. Una serie de otras bacterias que están limitadas por una sola membrana pero se tiñen como Gram-negativas debido a la falta de la capa de peptidoglicano (es decir, micoplasmas) o su incapacidad para retener la tinción de Gram debido a la composición de su pared celular, también muestran una relación cercana con las bacterias Gram-positivas. Para las células bacterianas (procariotas) que están limitadas por una sola membrana celular, se ha propuesto el término "bacterias monodermo" o " procariotas monodermo". [4] [8] A diferencia de las bacterias Gram-positivas, todas las bacterias Gram-negativas arquetípicas están limitadas por una membrana citoplasmática, así como por una membrana celular externa; contienen solo una capa delgada de peptidoglicano (2-3 nm) entre estas membranas. La presencia de membranas celulares internas y externas forma y define el espacio periplásmico o compartimento periplásmico. Estas células bacterianas con dos membranas han sido designadas como bacterias didérmicas. [4] [8] La distinción entre los procariotas monodérmicos y didérmicos está respaldada por indeles característicos conservados en varias proteínas importantes (por ejemplo, DnaK y GroEL ). [4] [5] [8] [9]
Como se muestra en la figura de la derecha, el espacio periplásmico en las bacterias gramnegativas o didermas se encuentra entre la membrana interna y externa de la célula. El periplasma contiene peptidoglicano y las membranas que encierran el espacio periplásmico contienen muchas proteínas integrales de membrana, que pueden participar en la señalización celular . Además, el periplasma alberga orgánulos de motilidad como el flagelo , que abarca ambas membranas que encierran el periplasma. El periplasma se describe como gelatinoso debido a la gran abundancia de proteínas y peptidoglicano. El periplasma ocupa del 7% al 40% del volumen total de las bacterias didermas y contiene hasta el 30% de las proteínas celulares. [10] [11] La estructura del periplasma monodérmico difiere de la de las bacterias didermas ya que el llamado espacio periplásmico en las bacterias monodérmicas no está encerrado por dos membranas, sino que está encerrado por la membrana citoplasmática y la capa de peptidoglicano debajo. [12] Por esta razón, el espacio periplásmico del monodermo también se conoce como zona de la pared interna (IWZ). La IWZ sirve como el primer destino de translocación para las proteínas que se transportan a través de la pared celular bacteriana del monodermo. [12]
En las bacterias diderm , el periplasma contiene una pared celular delgada compuesta de peptidoglicano . Además, incluye solutos como iones y proteínas, que están involucrados en una amplia variedad de funciones que van desde la unión de nutrientes, transporte, plegamiento, degradación, hidrólisis del sustrato, hasta la síntesis de peptidoglicano, transporte de electrones y alteración de sustancias tóxicas para la célula ( metabolismo xenobiótico ). [13] Es importante destacar que el periplasma está desprovisto de ATP . Varios tipos de enzimas están presentes en el periplasma, incluidas las fosfatasas alcalinas , las fosfodiesterasas cíclicas , las fosfatasas ácidas y las 5'-nucleotidasas . [14] Es de destacar que el periplasma también contiene enzimas importantes para la facilitación del plegamiento de proteínas . Por ejemplo, la proteína de enlace disulfuro A (DsbA) y la proteína de enlace disulfuro C (DsbC), que son responsables de catalizar la formación de enlaces peptídicos y la isomerización, respectivamente, se identificaron en el periplasma de E. Coli . [15] Como la formación de enlaces disulfuro es con frecuencia un paso limitante de la velocidad en el plegamiento de las proteínas, estas enzimas oxidantes desempeñan un papel importante en el periplasma de las bacterias. Además, el periplasma media la captación de ADN en varias cepas de bacterias transformables. [16]
La compartimentación que proporciona el espacio periplásmico da lugar a varias funciones importantes. Aparte de las mencionadas anteriormente, el periplasma también funciona en el transporte de proteínas y el control de calidad, de forma análoga al retículo endoplasmático en eucariotas. [17] Además, la separación del periplasma del citoplasma permite la compartimentación de enzimas que podrían ser tóxicas en el citoplasma. [17] Algunos peptidoglicanos y lipoproteínas ubicados en el periplasma proporcionan un sistema de soporte estructural para la célula que ayuda a promover la capacidad de la célula para soportar la presión de turgencia. En particular, los orgánulos como el flagelo requieren el ensamblaje de polímeros dentro del periplasma para un funcionamiento adecuado. Como el eje impulsor del flagelo abarca el espacio periplásmico, su longitud está determinada por la posición de la membrana externa inducida por su contracción, que está mediada por polímeros periplásmicos. [17] El periplasma también funciona en la señalización celular , como en el caso de la lipoproteína RcsF, que tiene un dominio globular que reside en el periplasma y actúa como un sensor de estrés. Cuando RcsF no puede interactuar con BamA, como en el caso de un periplasma agrandado, RcsF no se exporta a la superficie celular y puede desencadenar la cascada de señalización de Rcs. Por lo tanto, el tamaño del periplasma juega un papel importante en la señalización del estrés. [18] [17]
Como las bacterias son los patógenos responsables de muchas infecciones y enfermedades, los componentes bioquímicos y estructurales que distinguen a las células bacterianas causantes de enfermedades de las células eucariotas nativas son de gran interés desde una perspectiva clínica. [19] Las bacterias gramnegativas tienden a ser más resistentes a los antimicrobianos que las bacterias grampositivas, y también poseen un espacio periplásmico mucho más significativo entre sus dos bicapas de membrana. Dado que los eucariotas no poseen un espacio periplásmico, las estructuras y enzimas que se encuentran en el periplasma de las gramnegativas son objetivos atractivos para las terapias con medicamentos antimicrobianos. [20] Además, las funciones vitales como la facilitación del plegamiento de proteínas, el transporte de proteínas, la señalización celular, la integridad estructural y la absorción de nutrientes son realizadas por componentes del periplasma, [17] lo que lo hace rico en posibles objetivos farmacológicos. Además de las enzimas y los componentes estructurales que son vitales para la función y supervivencia celular, el periplasma también contiene proteínas asociadas a la virulencia, como DsbA, que pueden ser el objetivo de las terapias antimicrobianas. [21] Debido a su papel en la catálisis de la formación de enlaces disulfuro para una variedad de factores de virulencia, el sistema DsbA/DsbB ha sido de particular interés como objetivo para fármacos antivirulentos. [22]
El espacio periplásmico está profundamente interconectado con la patogénesis de la enfermedad en el contexto de la infección microbiana. Muchos de los factores de virulencia asociados con la patogenicidad bacteriana son proteínas de secreción, que a menudo están sujetas a modificación postraduccional, incluida la formación de enlaces disulfuro. [23] El entorno oxidativo del periplasma contiene proteínas Dsb (formación de enlaces disulfuro) que catalizan dichas modificaciones postraduccionales y, por lo tanto, desempeñan un papel importante en el establecimiento de la estructura terciaria y cuaternaria del factor de virulencia esencial para la función adecuada de la proteína. [23] Además de las proteínas Dsb que se encuentran en el periplasma, los orgánulos de motilidad como el flagelo también son esenciales para la infección del huésped. El flagelo tiene sus raíces en el periplasma y se estabiliza mediante la interacción con los componentes estructurales periplásmicos, [17] [23] y, por lo tanto, es otro objetivo relacionado con la patogénesis de los agentes antimicrobianos. Durante la infección de un huésped, la célula de una bacteria está sujeta a muchas condiciones ambientales turbulentas, lo que resalta la importancia de la integridad estructural proporcionada por el periplasma. En particular, la síntesis de peptidoglicano es vital para la producción de la pared celular, y los inhibidores de la síntesis de peptidoglicano han sido de interés clínico para atacar a las bacterias durante muchas décadas. [24] [25] Además, el periplasma también es relevante para los desarrollos clínicos por su papel en la mediación de la captación de ADN transformante . [16]