Es el compartimiento en el que se encuentra rodeado el citoplasma en algunas células procariotas.
El periplasma es una matriz concentrada similar a un gel en el espacio entre la membrana citoplásmica interna y la membrana externa bacteriana llamada espacio periplásmico en bacterias gramnegativas.
Utilizando la microscopía crioelectrónica, se ha encontrado que un espacio periplásmico mucho más pequeño también está presente en las bacterias grampositivas.
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.
Aunque las bacterias se dividen convencionalmente en dos grupos principales:
Grampositivas y gramnegativas: según su propiedad de retención de manchas de Gram, este sistema de clasificación es ambiguo, ya que puede referirse a tres aspectos distintos (resultado de tinción, organización de la envoltura celular, grupo taxonómico).
No necesariamente se unen para algunas especies bacterianas. Sin embargo, aunque la respuesta de tinción de Gram de las bacterias es un criterio empírico, su base se basa en las marcadas diferencias en la ultraestructura y composición química de los dos tipos principales de bacterias.
Estas bacterias se distinguen entre sí en función de la presencia o ausencia de una membrana lipídica externa, que es una característica más confiable y fundamental de las células bacterianas.
Todas las bacterias grampositivas están limitadas por una sola unidad de membrana lipídica; generalmente contienen una capa gruesa (20-80 nm) de peptidoglicano responsable de retener la tinción de Gram.
Una serie de otras bacterias que están unidas por una sola membrana pero que se tiñen de forma gramnegativa debido a la falta de la capa de peptidoglicano (es decir, micoplasmas) o su incapacidad para retener la tinción de Gram debido a su composición de pared celular.
También se muestran cercanas relación con las bacterias grampositivas.
Para las células bacterianas (procariotas) que están unidas por una membrana celular única, se ha propuesto el término «bacterias monodermas» o «procariotas monodermo».
A diferencia de las bacterias grampositivas, todas las bacterias gramnegativas arquetípicas están unidas por una membrana citoplásmica y 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 se forma y define el espacio periplásmico o compartimento periplásmico.
Estas células bacterianas con dos membranas han sido designadas como bacterias didérmicas. La distinción entre los procariotas monodermo y diderm se apoya en los indeles de firma conservados en varias proteínas importantes (a saber, DnaK, GroEL).
En las bacterias didérmicas, el periplasma contiene una pared celular delgada compuesta de peptidoglicano.
Además, incluye solutos como iones y proteínas, que participan en una amplia variedad de funciones que van desde:
- La unión de nutrientes, el transporte, el plegamiento, la degradación, la hidrólisis del sustrato, la síntesis de peptidoglicanos, el transporte de electrones y la alteración de sustancias tóxicas para la célula (metabolismo xenobiótico).
Es importante destacar que el periplasma carece de trifosfato de adenosina (ATP, por sus siglas en inglés).
Descubrimiento del periplasma
Una vez considerado un espacio vacío, el periplasma ahora se reconoce como una región especializada de gran importancia.
La existencia de una región entre las membranas de las bacterias gramnegativas se hizo evidente cuando la tecnología de microscopía electrónica se desarrolló hasta el punto en que las muestras podían conservarse químicamente, montarse en una resina y cortarse muy finamente.
Las llamadas secciones delgadas permitieron que los electrones pasaran a través de la muestra cuando se colocaron en el microscopio electrónico.
Las áreas que contenían más material proporcionaron más contraste y, por lo tanto, aparecieron más oscuras en la imagen electrónica.
La región entre las membranas externa e interna presentaba un aspecto blanco. Durante un tiempo, esto se interpretó como indicativo de un vacío. De esta apariencia visual surgió la idea de que el espacio carecía de función.
De hecho, la región fue descrita por primera vez como el espacio periplásmico.
Se desarrollaron técnicas que permitieron que la membrana externa se hiciera extremadamente permeable o que se eliminara por completo, al tiempo que se preservaba la integridad de la membrana subyacente y otra estructura de soporte de estrés llamada peptidoglicano.
Esto permitió extraer y examinar los contenidos del espacio periplásmico.
El periplasma, como se le llama ahora, demostró ser un verdadero compartimento celular. No es un espacio vacío, sino que está lleno de un fluido periplásmico que tiene una consistencia de gel.
El periplasma contiene una serie de proteínas que realizan diversas funciones. Algunas proteínas se unen a moléculas tales como azúcares, aminoácidos, vitaminas e iones.
Mediante la asociación con otras proteínas ligadas a la membrana citoplásmica, estas proteínas pueden liberar los compuestos unidos, que luego se pueden transportar al citoplasma de la bacteria.
Las proteínas, conocidas como chaperones, se liberan en el periplasma y se unen a otra molécula entrante. Otras proteínas degradan las moléculas grandes, como el ácido nucleico y las proteínas grandes, a un tamaño que es más fácil de transportar.
Estas proteínas periplásmicas incluyen proteasas, nucleasas y fosfatasas.
Las proteínas periplásmicas adicionales, incluida la betalactamasa, protegen la bacteria al degradar los antibióticos entrantes antes de que puedan penetrar en el citoplasma y su sitio de acción letal.
El periplasma representa un amortiguador entre el ambiente externo y el interior de la bacteria. Las bacterias grampositivas, que no tienen un periplasma, excretan enzimas degradantes que actúan más allá de la célula para digerir compuestos en formas que pueden ser absorbidas por la célula.
Espacio periplásmico
Entre las membranas interna y externa se encuentra el periplasma, un ambiente acuoso que contiene una alta concentración de proteínas y el peptidoglicano, que probablemente forma un gel hidratado.
En contraste con el ambiente reductor del citoplasma, el periplasma es un ambiente oxidante y, por lo tanto, los residuos de cisteína de las proteínas periplásmicas están frecuentemente involucrados en los enlaces disulfuro.
Una variedad de categorías funcionales de proteínas se encuentran en el periplasma, incluidas.
- Las oxidorreductasas disulfuro, las peptidil-prolil isomerasas, las chaperonas y las proteasas involucradas en el plegamiento y la degradación de las proteínas.
- Proteínas de unión al soluto que transportan azúcares, aminoácidos, iones y vitaminas a través del espacio.
- Proteínas de clasificación de lipoproteínas; enzimas desintoxicantes; y enzimas involucradas en la biogénesis de peptidoglicano, lipopolisacárido (LPS) y cápsula.
El periplasma bacteriano gramnegativo: el tamaño importa
Las bacterias gramnegativas están rodeadas por dos bicapas de membrana separadas por un espacio denominado periplasma.
El periplasma es un compartimento multipropósito separado del citoplasma cuyo entorno reductor distintivo permite mecanismos más eficientes y diversos de oxidación de proteínas, plegamiento y control de calidad.
El periplasma también contiene elementos estructurales y módulos de detección ambiental importantes, y permite que las nanomáquinas complejas abarquen la envoltura celular.
Trabajos recientes indican que el tamaño o la distancia intermembrana del periplasma está controlado por lipoproteínas periplásmicas que anclan la membrana externa al polímero peptidoglicano periplásmico.
Esta distancia intermembrana del periplasma es crítica para detectar el daño de la membrana externa y dicta la longitud del rotor periplasmático flagelar, que controla la motilidad.
Estos resultados emocionantes resuelven los debates de larga data sobre si la distancia periplásmica tiene una función biológica y aumentan la posibilidad de que los mecanismos para el mantenimiento del tamaño periplásmico puedan aprovecharse para el desarrollo de antibióticos.
Las bacterias gramnegativas, como los organelos de energía de las plantas y los animales (el cloroplasto y las mitocondrias), tienen dos capas de membrana denominadas membranas externas e internas.
El espacio entre estas dos membranas se denomina periplasma.
Mucho antes de los eucariotas unicelulares, el periplasma evolucionó como el primer compartimento extracitoplasmático para proporcionar una importante adaptación competitiva a las bacterias gramnegativas.
El conocimiento temprano y el descubrimiento del periplasma se desarrollaron incluso antes de su visualización morfológica.
En la década de 1960, los científicos intentaban comprender cómo las enzimas tóxicas implicadas en la degradación de importantes moléculas biológicas, como las ribonucleasas y las fosfatasas producidas por la bacteria gramnegativa Escherichia coli, no eran tóxicas para la célula.
Los métodos de extracción bioquímica sugirieron un compartimiento separado, ya que dicha extracción conserva el citoplasma unido a la membrana interna, y estos esferoplastos podrían crecer nuevamente y sintetizar más enzimas.
El desarrollo de la microscopía electrónica condujo a la visualización de las dos bicapas de membrana separadas por el periplasma.
La membrana adicional permite la creación del periplasma como un compartimento celular separado cuyas funciones novedosas probablemente proporcionaron una ventaja selectiva significativa y quizás incluso más importante que la exclusión de toxinas.
Estas funciones novedosas incluyen el transporte de proteínas, el plegamiento, la oxidación y el control de calidad similares al retículo endoplásmico de células eucariotas.
El periplasma también permite el secuestro de enzimas que pueden ser tóxicas en el citoplasma, importantes funciones de señalización y regulación de la división celular.
Además, contribuye a la capacidad de la célula para soportar la presión de la turgencia al proporcionar sistemas estructurales que funcionan en conjunto con la membrana externa.
Como peptidoglicanos y lipoproteínas, sistemas de salida de múltiples fármacos y solutos específicos que contribuyen a un Donnan o potencial iónico a través de la membrana externa.
El periplasma también contiene las plataformas de ensamblaje involucradas en la secreción de proteínas beta-barril de estructura única, lipoproteínas y glicerolfosfolípidos a la membrana externa.
La membrana externa es un orgánulo único conectado a otras partes de la envoltura celular a través del periplasma. Las bacterias grampositivas carecen de una membrana externa pero tienen un polímero de peptidoglicano más extenso que protege su superficie.
En contraste con la membrana interna bacteriana, que es una bicapa de glicerolfosfolípidos similar a la de la mayoría de las membranas de mamíferos y que tiene un flujo específico caracterizado por difusión lateral, la membrana externa tiene un flujo restringido.
Es una bicapa única, con el folleto interno que tiene un contenido típico de glicerolfosfolípido de fosfotidiletanolamina, fosfatidilglicerol y cardiolipina y el folleto externo en gran parte compuesto de un glicolípido único, lipopolisacárido (LPS).
Los fosfatos de lipopolisacáridos confieren una carga negativa a la superficie, y se crea un potencial de Donnan específico a través de la membrana externa hacia el periplasma.
La membrana externa funciona como una barrera selectiva que permite el transporte de nutrientes valiosos al tiempo que proporciona una barrera contra los compuestos tóxicos, como los compuestos antimicrobianos catiónicos producidos por todos los organismos, incluidas muchas bacterias grampositivas.
Otro componente de esta barrera son las proteínas de la membrana externa con una estructura única de barril beta que se insertan en la membrana externa a través de un sistema chaperón periplásmico específico.
Estas proteínas se ensamblan en la membrana externa como puntos específicos, lo que indica que la membrana externa probablemente se ensambla en parches discretos específicos que contienen proteínas y la bicapa lipídica asimétrica única.
Entre estas proteínas de la membrana externa se incluyen las porinas, que pueden actuar como canales selectivos que permiten que los sustratos hidrófilos de un tamaño específico entren al periplasma.
Afortunadamente para los humanos, estas porinas transportan antibióticos beta-lactámicos hidrófilos, lo que permite su penetración en el periplasma, donde se dirigen a la síntesis del importante elemento estructural de la pared celular: el peptidoglicano polimérico.
La membrana externa en algunas bacterias está anclada al polímero peptidoglicano a través de abundantes lipoproteínas, que se insertan en el prospecto interno de la membrana externa a través de sistemas de secreción específicos.
Una variedad de complejos de proteínas importantes funcionan como nanomáquinas y utilizan la hidrólisis del trifosfato de adenosina para secretar macromoléculas o convertir un orgánulo de motilidad denominado flagelos.
Por lo tanto, la membrana externa y la membrana interna también están conectadas a través del periplasma por complejos de proteínas que abarcan la membrana.
Por lo tanto, la membrana externa se compone de parches claramente ensamblados que comprenden un orgánulo complejo que puede unirse a la capa de peptidoglicano y la membrana interna a través de enlaces de proteínas covalentes y no covalentes.
El ensamblaje de la membrana externa y su enlace con el peptidoglicano y el citoplasma crea un espacio entre la membrana interna y la membrana externa, que es el periplasma.
A pesar de las funciones importantes contenidas dentro del espacio periplásmico, durante muchos años ha habido un debate sobre la distancia o el tamaño intermembranales de este compartimiento y si existe una separación uniforme entre las membranas interna y externa en toda la célula.
Hubo preocupación de que muchas de las visualizaciones de este espacio como de un tamaño específico eran artefactos de fijación para la obtención de imágenes mediante microscopía electrónica y que, de hecho, el espacio era en realidad solo un espacio potencial.
Los primeros estudios de microscopía electrónica de Bayer demostraron adherencias entre la membrana externa y la interna que destruyeron parte de estos espacios.
Sugirió que los puntos de adhesión eran áreas en las que el lípido externo principal, el lipopolisacárido, se administraba a la membrana externa desde su sitio de síntesis en la membrana interna.
Sin embargo, su trabajo fue posteriormente desacreditado por derivarse de la observación de posibles artefactos de fijación.
Aunque muchos expertos de hoy creen que puede haber adherencias reales basadas en proteínas entre las membranas debido a que algunos sistemas de flujo de salida y transporte no contienen componentes de dimensiones suficientes para abarcar el espacio visualizado.
La presencia de áreas específicas en las que las membranas están muy juntas explicaría cómo podrían funcionar algunas de estas bombas de flujo y de flujo de salida del casete de unión al trifosfato de adenosina.
Estos sistemas tienen componentes proteicos periplásmicos que son esenciales para el flujo de salida, lipopolisacáridos u otros transportes de glicolípidos, pero carecen de un tamaño intrínseco o de naturaleza polimérica lo suficientemente grande como para alcanzar la membrana externa y, por lo tanto, proporcionan un mecanismo para promover el transporte.
Además, el periplasma contiene muchos otros componentes que requieren al menos algo de volumen para el espacio periplásmico, principalmente la capa polimérica de peptidoglicano que rodea la célula.
En la actualidad, no está claro cómo estos transportadores evitan este polímero y el ancho del periplasma para entrar en contacto con la membrana.
Aunque un trabajo reciente que demuestra que las lipoproteínas de la membrana externa pueden coordinar la síntesis de peptidoglicanos a través del contacto directo indica que al menos algunas proteínas pueden pasar por los poros en peptidoglicano para cumplir funciones importantes.
Funciones del periplasma
El periplasma de bacterias gramnegativas proporciona un entorno único y desafiante para el plegamiento y la estabilización de proteínas, ya que no tiene trifosfato de adenosina y está altamente expuesto a las fluctuaciones en el entorno externo.
La falta de fuente de energía proporciona una barrera particular para los procesos que requieren la entrada de energía, por ejemplo, la biosíntesis en la membrana externa.
Para superar estos dos problemas, organismos como la E. coli emplean una serie de chaperonas generales y especializadas que ayudan con la función normal del periplasma y también alivian los efectos del estrés ambiental.
Se clasifican las chaperonas del periplasma en dos categorías según sus propiedades funcionales:
Las chaperonas plegables, que desempeñan una función análoga a las proteínas de choque térmico clásicas del citoplasma como GroEL/GroES y DnaK, y las chaperonas portadoras, que están involucradas en la estabilización y transporte de sustratos específicos.
Sin embargo, se hace evidente al intentar asignar chaperones como SurA o PapD que existe una superposición sustancial entre las dos clases.
De hecho, quizás solo las pequeñas chaperonas diméricas como FkpA y DsbC estén totalmente limitadas a una de las dos actividades.
El funcionamiento normal del periplasma se basa tanto en chaperones portadores como en chaperones plegables.
Para una correcta exportación de la mayor parte de las proteínas integrales de la membrana externa, que por necesidad exponen grandes parches de área de superficie lipófila, existe un requisito absoluto para al menos uno de los dos chaperones Skp o SurA.
Estas dos chaperonas son capaces de recoger proteínas de la membrana externa a medida que emergen en el estado desplegado del translocón Sec y las llevan al complejo BAM en la membrana externa, que luego cataliza la inserción de la membrana.
En este caso, las dos chaperonas funcionarían esencialmente como proteínas portadoras de la proteína membane externa.
Cabe señalar que también hay informes de que algunas proteínas de la membrana externa cruzan el periplasma en un estado relativamente plegado y esto podría representar una ruta alternativa para la biogénesis de la membrana externa.
De hecho, no se informa de que las secretinas formadoras de poros de muchos sistemas de secreción bacteriana utilicen la vía estándar de Skp/SurA y, en cambio, se cree que se localizan en la membrana externa con la ayuda de «pilotines» específicos, por lo que se autoensamblan en sus estructuras multiméricas finales.
Las lipoproteínas también tienen un requisito específico de chaperona, ya que sus anclajes hidrófobos de lípidos no pueden atravesar el periplasma sin la ayuda de LolA.
El complejo LolCDE en la membrana interna consume trifosfato de adenosina para cargar las lipoproteínas en LolA, que las transporta a través del periplasma y las entrega a LolB para la inserción de la membrana.
Los chaperones de la ruta chaperona/ujier desempeñan un papel similar en la biogénesis de pilus, tomando subunidades de pilus y transportándolas al sitio de ensamblaje del pilus, el ujier.
Sin embargo, su participación en el plegamiento correcto de las subunidades de pilus difumina aún más la distinción entre plegado y transporte.
Una de las características clave de las chaperonas portadoras identificadas hasta ahora es la capacidad de compensar la falta de trifosfato de adenosina en el periplasma.
Dichas funciones energéticas, requeridas únicamente por el entorno específico en el que residen sus sustratos, se pueden dividir en dos categorías:
Transducción de energía, en la que la energía se almacena en los pasos de ensamblaje de energía en la membrana externa, y mecanismos de trampa cinética, donde las proteínas secretadas son plegados en conformaciones de las que no se pueden desplegar una vez que se retira la chaperona.
Estas dos funciones distintas son útiles para comprender las funciones de las chaperonas periplásmicas; sin embargo, no son de ninguna manera exclusivos:
La ruta chaperona/ujier utiliza ambos mecanismos para asegurar una producción rápida y eficiente de pili que son altamente estables una vez que se muestran en la superficie de la celda.
Los sistemas de transducción de energía en el periplasma incluyen las vías de inserción para las proteínas de membrana y la vía de biogénesis chaperona/ujier pilus.
Por ejemplo, se cree que SurA y Skp almacenan la energía de plegamiento de las proteínas de la membrana externa, ayudando con su inserción en la membrana externa.
De manera similar, PapD solo pliega parcialmente sus subunidades de pilus afines, almacenando el resto de la energía de plegado para impulsar la reacción DSE.
Y la carga de lipoproteínas en LolA hace uso de la hidrólisis del trifosfato de adenosina en la membrana interna, utilizando esta energía para impulsar su subestado a LolB.
Los sistemas de secreción bacteriana también requieren sistemas de transducción de energía para impulsar la exportación de sus sustratos a través de la membrana externa.
Sin embargo, la mayoría de estos son complejos grandes que abarcan toda la envoltura celular y se cree que utilizan la energía del trifosfato de adenosina directamente.
La excepción a esto son los sistemas de secreción de tipo V (autotransportadores y sistemas de secreción de dos socios) que utilizan un dominio de translocador de formación de poros para segregar un dominio de pasajero funcional.
Los procesos de secreción detallados de estos sistemas aún no se han establecido, pero en muchos casos se piensa que el paso final de la exportación se debe al plegamiento del dominio del pasajero en el lado extracelular de la membrana externa.
Esto implicaría un mecanismo mediante el cual se evita el plegado prematuro en el lado periplásmico de la membrana, tal vez involucrando chaperonas periplásmicas extrínsecas o un dominio con actividad IMC.
El mecanismo de trampa cinética de las chaperonas periplásmicas, utilizado por los propéptidos de la proteasa, las vías de la chaperona/ujier y posiblemente los factores de plegamiento de la lipasa, hace uso de la capacidad de algunas chaperonas para catalizar el plegado directamente.
Al reducir la barrera de energía al plegado o al ensamblaje, permiten que ocurran reacciones no covalentes en una escala de tiempo que sea fisiológicamente relevante.
Sin embargo, una vez que sus proteínas diana se han secretado o trasladado a la superficie celular, las chaperonas ya no están presentes y, por lo tanto, la reacción inversa se bloquea mediante una barrera cinética efectiva.
Esta función de las chaperonas explica la alta estabilidad de los pili involucrados en la adhesión bacteriana y de algunas proteasas secretadas.
Aunque las chaperonas mejor caracterizadas en el periplasma tienen sustratos específicos y funcionalidad chaperona portadora, se han identificado una variedad de chaperonas y catalizadores de plegamiento más generales en el periplasma, incluyendo DegP, FkpA, DsbC, DsbG y PpiD.
Estos podrían estar potencialmente involucrados en el plegamiento normal de cualquier otro tipo de proteína, incluidas las proteínas unidas a la membrana, secretadas o solubles.
Sin embargo, aparte de la actividad de formación de enlaces disulfuro de las enzimas Dsb y la función proteolítica de DegP, hay poca evidencia de su requerimiento directo en condiciones fisiológicas normales.
En cambio, un papel probable para este grupo de proteínas es la protección contra el despliegue de proteínas causado por factores extrínsecos como el choque térmico.
Tales cambios ambientales pueden hacer que las proteínas nativas se desplieguen, reduciendo sus niveles dentro del periplasma y exponiendo las superficies hidrófobas normalmente enterradas al ambiente externo.
En estas circunstancias, las chaperonas con una función por lo demás poco entendida podrían unirse a estas superficies hidrófobas, impidiendo la agregación y permitiendo que las proteínas parcialmente desplegadas alcancen nuevamente su estado de plegamiento adecuado.
Se ha demostrado que muy pocas proteínas periplásmicas solubles requieren la presencia de chaperonas para su correcto plegamiento o estabilización en condiciones normales.
De hecho, la mayoría de los estudios que identificaron la actividad chaperona en las chaperonas mencionadas anteriormente han usado sustratos citoplasmáticos modelo, en lugar de las proteínas periplásmicas que encontrarían in vivo.
Se ha sugerido que esta falta de objetivos de chaperona establecidos en el periplasma podría explicarse por una resistencia inherente de todas las proteínas periplásmicas a la agregación.
Y aunque las conclusiones detalladas del artículo anterior son cuestionables, no obstante, es plausible que las proteínas periplásmicas hayan evolucionado en una propensión a plegarse adecuadamente sin asistencia externa y permanecer estables en una variedad de condiciones diferentes.
Sin embargo, como se ilustra en el ejemplo específico de la respuesta de choque ácido, existe un requisito definido para la protección de las proteínas contra el estrés por plegamiento, y parece probable que las chaperonas conservadas dentro del periplasma sean responsables de esta protección.
Sería interesante comprender más a fondo las diversas funciones de la chaperona general en el plegamiento y la estabilización de proteínas, y cómo su interacción mantiene vivas las células bacterianas en condiciones variables.
La comprensión de estos procesos podría no solo conducir a sistemas de expresión recombinantes mejorados en bacterias, sino que también brindaría objetivos para agentes antibacterianos que actúan solo en condiciones específicas.
