El periplasma es una matriz concentrada similar a un gel en el espacio entre la membrana citoplasmática interna y la membrana externa bacteriana llamada espacio periplásmico en las bacterias gramnegativas (más exactamente "diderm") . Utilizando microscopía crioelectrónica se ha descubierto que también hay un espacio periplásmico mucho más pequeño en las bacterias grampositivas (más exactamente, "monodermo"), entre la pared celular y la membrana plasmática. [1] [2] El periplasma puede constituir hasta el 40% del volumen celular total de las bacterias gramnegativas, pero es un porcentaje mucho menor en las bacterias grampositivas. [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, taxonómico). grupo), que no necesariamente se fusionan para algunas especies bacterianas. [4] [5] [6] [7] En la mayoría de situaciones como la de 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 habitual "grampositivo" no tiene una membrana lipídica externa, mientras que la típica bacteria "gramnegativa" sí la tiene. Los términos "diderm" y "monoderm", acuñados para referirse únicamente a esta distinción , son una característica más confiable y fundamental de las células bacterianas. [4] [8]
Todas las bacterias grampositivas están unidas por una sola unidad de membrana lipídica (es decir, monodermo); generalmente contienen una capa gruesa (20-80 nm) de peptidoglicano responsable de retener la tinción de Gram. Varias otras bacterias que están unidas por una única membrana pero que se tiñen como gramnegativas debido a la falta de la capa de peptidoglicano (es decir, micoplasmas) o a su incapacidad para retener la tinción de Gram debido a la composición de su pared celular, también muestran una estrecha relación con las bacterias grampositivas. Para las células bacterianas (procariotas) que están unidas por una única membrana celular, se ha propuesto el término "bacterias monodermos" o " procariotas monodermos". [4] [8] A diferencia de las bacterias grampositivas, todas las bacterias gramnegativas arquetípicas están limitadas por una membrana citoplasmática y por una membrana celular externa; contienen sólo una fina capa de peptidoglicano (2 a 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 denominadas bacterias diderm. [4] [8] La distinción entre los procariotas monodermo y didermo está respaldada por indeles característicos conservados en una serie de 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 diderm 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 se extiende por 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 diderm y contiene hasta el 30% de proteínas celulares. [10] [11] La estructura del periplasma monodermo difiere de la de las bacterias diderm ya que el llamado espacio periplásmico en las bacterias monodermo no está rodeado por dos membranas, sino más bien por la membrana citoplasmática y la capa de peptidoglicano debajo. [12] Por esta razón, el espacio periplásmico monodermo también se conoce como zona de la pared interna (IWZ). La IWZ sirve como primer destino de translocación de proteínas que se transportan a través de la pared celular bacteriana monodermo. [12]
En las bacterias diderm , el periplasma contiene una delgada pared celular compuesta de peptidoglicano . Además, incluye solutos como iones y proteínas, que intervienen en una amplia variedad de funciones que van desde la unión de nutrientes, transporte, plegamiento, degradación, hidrólisis de sustratos, hasta la síntesis de peptidoglicanos, transporte de electrones y alteración de sustancias tóxicas para la célula ( metabolismo xenobiótico ). [13] Es importante destacar que el periplasma carece 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 facilitar el plegamiento de proteínas . Por ejemplo, en el periplasma de E. coli se identificaron la proteína A del enlace disulfuro (DsbA) y la proteína C del enlace disulfuro (DsbC), que son responsables de catalizar la formación y la isomerización del enlace peptídico, respectivamente . [15] Como la formación de enlaces disulfuro es frecuentemente un paso limitante de la velocidad en el plegamiento de 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. [dieciséis]
La compartimentación que ofrece el espacio periplásmico da lugar a varias funciones importantes. Aparte de los mencionados anteriormente, el periplasma también funciona en el transporte de proteínas y el control de calidad, de forma análoga al retículo endoplásmico 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 resistir la presión de turgencia. En particular, los orgánulos como el flagelo requieren el ensamblaje de polímeros dentro del periplasma para su correcto funcionamiento. A medida que el eje impulsor del flagelo atraviesa el espacio periplásmico, su longitud está dictada 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 sensor de estrés. Cuando RcsF no interactúa 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 tanto, el tamaño del periplasma juega un papel importante en la señalización del estrés. [18] [17]
Como las bacterias son el patógeno responsable de muchas infecciones y enfermedades, los componentes bioquímicos y estructurales que distinguen las células bacterianas que causan 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 los gramnegativos son objetivos atractivos para las terapias con fármacos antimicrobianos. [20] Además, 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 la supervivencia de las células, el periplasma también contiene proteínas asociadas a la virulencia, como la DsbA, que pueden ser objeto de terapias antimicrobianas. [21] Debido a su papel en la catalización 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 antivirulencia. [22]
El espacio periplásmico está profundamente interconectado con la patogénesis de la enfermedad en el contexto de una infección microbiana. Muchos de los factores de virulencia asociados con la patogenicidad bacteriana son proteínas de secreción, que a menudo están sujetas a modificaciones postraduccionales, 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 el funcionamiento adecuado de las proteínas. [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 componentes estructurales periplásmicos [17] [23] y, por lo tanto, es otro objetivo relacionado con la patogénesis para 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 que brinda el periplasma. En particular, la síntesis de peptidoglicanos es vital para la producción de la pared celular, y los inhibidores de la síntesis de peptidoglicanos han sido de interés clínico para atacar 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 . [dieciséis]