LA CELULA PROCARIOTA.

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(1)

LA CELULA PROCARIOTA.

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN

(2)

Estructura de los

microorganismos

Célula procariota

Tamaño y morfología de las bacterias. Estructuras fundamentales Citoplasma Ribosomas bacterianos Nucleoide Membrana bacteriana y Membrana bacteriana y Pared peptidoglicano.

Bacterias positivas y Gram-negativas.

Tinciones.

Elementos facultativos de la célula procariota

Cápsula y capas mucosa.

Apéndices bacterianos: flagelos y fimbrias.

(3)

Clasificación de las células

microbianas

(estructura celular)

1.- Microorganismos Procariotas - Bacterias - Cianofíceas - Arqueobacterias 2.- Microorganismos Eucariotas - Algas - Algas - Hongos filamentosos y Levaduras - Protozoos

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Citoplasma

Fluido viscoso compuesto de una variedad de sustancias

• Ribosomas

• Gránulos de reserva • Espora

• Nucleoide

Es una región donde reside el cromosoma. A diferencia del núcleo de

los eucariotas, el

•nucleoide no está encerrado en una membrana.

ESTRUCTURA BACTERIANA

membrana. •Plásmidos

Membrana citoplásmática

Barrera entre el ambiente externo y el interior de la célula

Pared celular

Una barrera rígida que protege a la célula de una ruptura.

• Glicocalix

: Capa externa de la pared celular

• Apéndices:

Importantes para la movilidad y la adherencias a ciertas superficies

• Flagelos • Pili

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Procariotas son organismos pequeños (µm) 1 µm = 10-3 mm

Amplia diversidad de morfologías:

cocos

Morfología de los

procariotas

E. coli: 1µm-2µm cocos bacilos espirilos espiroquetas con apéndices filamentosos pleomorfismo -Nutrición -Movilidad -Adaptación

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Helicobacter

Pseudomonas

(7)

Bacillus anthracis

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(9)
(10)
(11)
(12)
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DNA BACTERIANO

DNA BACTERIANO

• Un cromosoma empaquetado ”nucleoide”

• Plásmidos: estructuras más pequeñas

• Tamaño del genoma: 0.5 to 6 Mb (500 a 6000

genes)

• Plásmidos: estructuras más pequeñas

cirulares de DNA

- DNA extracromosomal

- número de copias múltiple

- genes de resistencia a antibióticos

- genes que codifican para toxinas

- multiplicación independiente de la

división celular.

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Sitio de la síntesis de proteínas

60% RNA ribosomal & 40% proteína

consiste de 2 subunidades: grande & pequeña

La célula procariota difiere de la eucariota en el

tamaño y número de proteínas

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MEMBRANA CITOPLASMÁTICA

•Barrera que separa el interior del exterior de la célula, •Barrera de permeabilidad altamente selectiva ( 6 a 8nm) •Concentra y excreta metabolitos específicos

•Formada por una bicapa fosfolipídica hidrofílíca en el exterior e hidrofóbica en el interior con proteínas embebidas

•Los grupos hidrofílicos se asocian con el agua, proteínas hidrofílicas y otras sustancias cargadas como iones metálicos Ca2+ y Mg2+

•La estructura global de la membrana plasmática se estabiliza mediante puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas; además de Mg 2+ y Ca2+ que interaccionan con los grupos polares de carga negativa de los fosfolípidos.

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Composición química de las membranas…

La estructura de la mayoría de las membranas biológicas

consta de una bicapa fosfolipídica.

Los fosfolípidos poseen unidades altamente hidrofóbicas

(ácidos grasos) y unidades relativamente hidrofílicas

(glicerol-fosfato) y pueden presentarse en múltiples formas químicas

distintas debido a la variación en la composición de los ácidos

grasos y de los compuestos fosforilados que se unen al

esqueleto de glicerol.

Los fosfolípidos se agregan en soluciones acuosas, tienden a

formar bicapas de manera espontánea, los ácidos grasos

apuntan hacia el interior (manteniéndose en un entorno

hidrofóbico), mientras que las porciones hidrofílicas son las

expuestas a la fase acuosa.

La estructura de bicapa de las membranas seguramente

representa la organización más estable que pueden alcanzar

las moléculas lipídicas situadas en un entorno acuoso.

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La atracción de ácidos grasos no polares por la otra capa en una porción de una capa fosfolipídica brinda la explicación de la permeabilidad selectiva de la membrana celular

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Para observar las membranas plasmáticas al microscopio

electrónico, las células deben tratarse con ácido ósmico o

con cualquier otro compuesto denso a los electrones capaz

de combinarse con los componentes hidrofílicos de la

membrana.

Al microscopio electrónica de alta resolución, las

membranas se visualizan como dos líneas claras

separadas por una zona más oscura.

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Proteínas de membrana

Las proteínas de membrana poseen una región hidrofóbica que interacciona con las zonas apolares de las cadenas de ácidos grasos y zonas hidrofilicas que dan al exterior y al citoplasma Atraviesan las membranas y contienen dominios tanto en el interior como en el exterior de esta estructura.

• La capa externa de la membrana plasmática se orienta hacia el entorno, y establece contacto con una variedad de proteínas implicadas en la unión de sustratos y el procesamiento de macromoléculas para la formación de las subunidades que puedan ser transportadas al interior de la célula: proteínas periplásmicas.

• La cara interna de la membrana plasmática se orienta hacia el citoplasma e • La cara interna de la membrana plasmática se orienta hacia el citoplasma e interacciona con proteínas involucradas en reacciones de obtención de

energía y otras importantes funciones celulares.

• Algunas de las proteínas situadas en el periplasma y algunas de las

localizadas en la cara interna de la membrana se asocian firmemente con ésta, por lo que se comportan como proteínas unidas a membrana: proteínas integrales de membrana, interaccionan con las integrantes de la membrana para llevar a cabo determinados procesos celulares.

• Algunas de estas proteínas periféricas de membrana, como se les

denomina, son lipoproteínas y poseen una cola lipídica unida al extremo aminoterminal de la proteína, que permite el anclaje de la proteína a membrana:proteínas de membrana con anclaje lipídico.

(20)

En resumen,

la membrana puede ser considerada como un

mosaico fluido en el que existen proteínas

globulares con orientaciones específicas que

atraviesan la bicapa lipídica, que a pesar de

atraviesan la bicapa lipídica, que a pesar de

su estricta organización posee alta movilidad.

Este tipo de organización confiere

importantes propiedades funcionales a las

membranas…

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Esteroles y hopanoides: agentes reforzantes de

las membranas

• Una de las diferencias más significativas entre las membranas de procariotas y eucariotas es que las de estos últimos poseen esteroles. que pueden ser del 5 al 25% del total de los lípidos en las

membranas de los eucariotas. Esteroles y hopanoides que pueden aumentar la resistencia de la membrana debido a su estructura planar rígida

• Los esteroles son moléculas rígidas y planas, mientras que los ácidos grasos son flexibles. Favorece la estabilización de las membranas, pero las hace menos flexibles.

• La mayor rigidez de la membrana es una necesidad para los eucariotas para mantener a la célula • La mayor rigidez de la membrana es una necesidad para los eucariotas para mantener a la célula estable y funcional. La mayoría de ellos carecen de pared celular y al ser considerablemente más grandes, sus membranas están sometidas a tensiones físicas muy superiores, de ahí que sea necesaria una mayor rigidez.

Hopanoide

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Membranas de arqueas….

Los lípidos presentes en las

membranas de las arqueas son

únicos desde el punto de vista

químico.

Los lípidos de las arqueas poseen

enlaces éter responsables de la

unión entre el glicerol y las cadenas

laterales hidrofóbicas de ac. grasos

laterales hidrofóbicas de ac. grasos

A diferencia de las bacterias y los

eucariotas que tienen los

enlaces

éster

como responsables de la

unión entre el glicerol y los ácidos

grasos.

Además, carecen de ácidos grasos

y en su lugar tienen cadenas

laterales compuestas de unidades

repetitivas de una molécula

hidrocarbonada como el isopreno

de 5 átomos de C

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Los tipos principales de lípidos presentes en las especies de arqueas:

- diéteres de glicerol con cadenas laterales de 20 átomos de C: grupo

fitano

-tetraéteres de glicerol con cadenas laterales de 40 átomos de C

En las moléculas de tetraéter las cadenas laterales de fentanil de

cada molécula de glicerol se unen covalentemente entre sí. Este

hecho produce una monocapa en lugar de la bicapa lipídica.

Las monocapas lipídicas son más estables y resistentes a la

disgregación: arquebacterias hipertermofílicas, un tipo de procariotas

que se desarrollan en ambientes con temperaturas muy altas.

(24)

Principales funciones de la

membrana citoplasmática

(25)

Funciones….

Todos los nutrientes que entran en la célula deben atravesar

la membrana plasmática, y también a través de ella deben

pasar todas las sustancias de desecho.

El término permeabilidad se utiliza para describir la

propiedad de las membranas que permite que determinados

compuestos puedan atravesarlas. Sin embargo, la mayoría

de las moléculas que atraviesan la membrana no lo hacen

de las moléculas que atraviesan la membrana no lo hacen

de forma pasiva; la membrana posee permeabilidad

selectiva.

Muchas de las moléculas que atraviesan las membranas son

en realidad transportadas a través de ellas.

(26)

La membrana citoplasmática es una barrera de permeabilidad

El interior de la célula (el citoplasma) consiste en una solución en

fase acuosa de sales, azúcares, aminoácidos, vitaminas,

coenzimas y una gran variedad de sustancias solubles. Las

características hidrofóbicas de la porción interna de la membrana

le permiten funcionar como una barrera estricta, impidiendo el

paso libre de los compuestos polares.

Compuestos pequeños no polares y sustancias solubles en fases

hidrofóbicas, como ácidos grasos, alcoholes y benceno, son

capaces de atravesar la barrera libremente gracias a su

hidrofóbicas, como ácidos grasos, alcoholes y benceno, son

capaces de atravesar la barrera libremente gracias a su

solubilidad en la fase lipídica de la membrana.

Moléculas cargadas como ácidos orgánicos, aminoácidos y sales

inorgánicas (hidrofílicas), no atraviesan la membrana, por lo que

deben ser transportadas de forma específica. El ión de hidrógeno,

H+, no atraviesa libremente de forma pasiva la membrana, porque

esta hidratado, en la forma de ion hidronio (H30+).

El agua es una molécula capaz de atravesar libremente la

membrana, por ser pequeña y carecer de carga, pasa entre las

moléculas de fosfolípidos. Aquoporinas: proteínas que forman

canales intramembranales

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Proteínas de membrana están implicadas en el transporte y otras funciones a través de la

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• La permeabilidad se

muestra en una escala

relativa, en relación con

la permeabilidad del

agua a la que se le

asigna el 100%.

Sustancia Porcentaje de permeabilidad Agua 100

asigna el 100%.

La mayoría de las

sustancias no son

capaces de entrar en la

célula de forma pasiva,

por lo que los procesos

de transporte son críticos

para el funcionamiento

de las células.

Glicerol Glucosa 0,1 0,001 Triptófano 0,0001 Ion Cloruro (Cl -) Ion Potasio (K+) Ion Sodio (Na+)

0,0000001 0,00000001 0.00000001

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Necesidad de proteínas transportadoras:

para

acumular nutrientes dentro de la célula en contra de

un gradiente de concentración.

Proteínas transportadoras: •Saturación •Especificidad •Especificidad

•Regulación por parte de

la célula

Pocas sustancias Lenta

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Tres sistemas de Transporte de Membrana

• Transporte simple

• Transporte tipo fosfotransferasa (traslocación de grupo) • Transporte tipo ABC (ATP-binding cassette)

una sola proteína transmembranal y dirigido por la fuerza motriz de protones

una serie de proteínas que cooperen n el sistema de transporte

El transporte simple y el sistema ABC transportan sustancias sin modificarlas químicamente, mientras que la translocación de grupo ocasiona la modificación química (fosforilación) de la sustancia

transportada a expensas del fosfoenolpiruvato

cooperen n el sistema de transporte

Consta de tres componentes: proteina de unión al sustrato, un transportador integrado a la membrana

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Estructura de los transportadores transmembranales

12 dominios proteicos alineadas en círculo formando un canal a través de la

membrana (12 hélices de tipo alfa hélice que se pliegan hacia atrás y adelante y que cambian su configuración )

Tipos de procesos de transporte

Las tres clases de transportadores son • Uniportadores (unidireccional)

• Simportadores (co-transporte con H+) • Antiportadores (en ambos sentidos) • Antiportadores (en ambos sentidos)

En los casos de transporte de tipo antiporte y simporte, la molécula co-transportada se indica en amarillo

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Captación de lactosa por Escherichia coli: transportador simple: la Lac Permeasa

Captación del disacárido que requiere energía vía la fuerza motriz de protones (PMF) que es posteriormente regenerado

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Alteración química de la sustancia transportada (glucosa, fructosa, manosa) por fosforilacion mediante el sistema de la fosfotransferasa

TRANSLOCATION DE GRUPO:

sistema fosfotransferasa de E. coli

proteína integral de membrana

El sistema consta de 5 proteínas: Enzimas (Enz) I,IIa,IIb,y IIc y HPr. La

transferencia secuencial de fosfato tiene lugar desde el fosfoenolpiruvato (alta energía). A través de las proteínas, hasta la enzima IIc. Esta última es la auténtica responsable del transporte y fosforilación del azúcar. Las Enz II son especificas.

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Sistema de transporte ABC (ATP-binding cassette

)

Transporte dependiente de proteínas periplasmáticas de unión situadas en el periplasma (Gram negativas)

200 tipos diferentes de transporte en procariotas: azucares, aa y comp inorgánicos Proteínas periplasmática de unión (alta afinidad por sustrato ,10-6 M, proteína

trans-membranales y proteína ATP quinasa hidrolítica: Sistema de transporte ABC (ATP-binding

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Transporte de proteinas al exterior

• las proteínas son exportadas

fuera de la mp. ó insertas en la mp a través de la acción de proteínas llamadas translocasas , que son específicas para el tipo de

proteínas exportada

•E.j. translocasa Sec: consta de 7 proteínas

proteínas

• Esencial para ayudar al transporte de enzimas (exoenzimas) para

atacar nutrientes insolubles (almidón) o toxinas proteicas

Sistema de secreción tipo III:

toxinas proteicas que se traslocan directamente de la bacteria al

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|Representación esquemática de las sub-unidades proteicas de translocasa bacteriana del Sistema SEC y SecYEG: Transportador transmembranal.

La translocasa consiste en un pe-proteina SecYEG que conduce a una canal (amarillo) y la ATPase motora SecA ( roja ). SecYEG se puede asociar con protienas auxiliares c SecDFYajC and YidC (verde)95, 98. SecA, SecY and SecDFYajC son conocidas por formar oligómeros de alto peso molecular, pero su real estado

oligomerico in the functional holoenzyme no ha sido determinada concluyentemente.. b | Un esquema general del proceso de secreción c Secretory pre-proteins (thick orange line) are synthesized with señal peptítdica amino-terminal (rectángulo naranja) and are targeted to the translocase either by the ribosome-bound signal-recognition particle (SRP; blue) tan rápido como esta emerge del tunel de salida del ribosoma (this is co-translational translocation, which occurs mainly with membrane proteins and proteins with extremely hydrophobic signal peptides) or by the tetrameric SecB chaperone (pink) after translation has largely been completed (this is co- and post-translational translocation, which occurs mainly with secretory proteins) (stage 1). Both targeting routes merge at the membrane at SecYEG or SecYEG complexed with SecA. Some pre-proteins are targeted by SRP to SecYEG, but if they have substantial hydrophilic stretches SecA is also required26. FtsY (pink)

and SecA act as receptors for SRP and SecB, respectively. For simplicity, SecYEG is presented without any auxiliary

subunits. Pre-proteins are translocated through SecYEG (stage 2) and they fold at the trans side of the membrane or integrate into the lipid bilayer after signal-peptide cleavage by the signal peptidase27(SPase I; magenta) (stage 3). Signal peptides of lipoproteins require cleavage by SPase II (not shown). Energy is provided by ATP

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Pared celular: protege la célula de la lisis osmótica

generada por la gran concentración de solutos

Confiere rigidez

Cytoplasm

Cytoplasm

Cell membrane

Cell Wall

The cell wall is outside of cell membrane

– rigid, protecting cell from osmotic lysis.

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10 % 90 %

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PEPTIDOGLICANO

Subunidad :repeticiones

alternadas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmuramico: él último se une por enlaces cruzados entre cadenas cortas de péptidos

(L-Peptidoglicano: capa rígida, polisacárido

cadenas cortas de péptidos

alanina, D-alanina,D-ácido glutámico, y lisina oÁcido diaminopimélico)

.

• Gram positivas – varias hojas de péptidoglicano

• Gram negativas – una o dos hojas de péptidoglicano

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Sólo en especies de bacterias Gram -: enlace peptídico directo: entre el grupo amino de DAP y el COOH- de D-Ala.

Gram +: puente interpeptídico: varia según el tipo y número de aa.

Sólo en especies de bacterias La mayoria de los Gram +: Lis- DAP

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PARED CELULAR DE BACTERIAS GRAM-POSITIVAS

90 % de PG

ácidos teicoicos: polisacáridos ácidos o polialcoholes cargados

negativamente (unidades de glicerolfosfato o ribitolfosfato) que se unen covalentemente a ac. muramico del PG y entre si: esteres fosfato

Probablemente los aminoácidos y los azúcares también están unidos. Unen Ca++ y Mg++ para su transporte .

Con lípidos de la membrana = ácidos lipoteicoicos

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PROTOPLASTOS Y LISOZIMA

La lisozima fue descubierto por Alexander Fleming (penicilina): rompe los enlaces β-1,4 glicosídicos entre NAG y NAM debilitando la PC.

Se encuentra en virus bacterianos, lágrimas, saliva.

Protoplastos se pueden obtener por tratamiento con lisozima: solución

sacarosa equilibra la presión osmótica de la célula (condiciones isotónicas) y no penetra en la célula, la lizosima digere el PG pero el agua no entra, no hay lisis: protoplasto (pérdida de pared)

Esferoplastos: con restos de pared

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Bacterias que carecen de pared celular

• Ejemplo: Mycoplasma: especies de

Mycoplasma tiene formas extremadamente

variables ya que no tienen pared celular rígida.

• Ni la penicilina ni la lisozima afecta a estos organismos

• Mycoplasma y otras bacterias pueden sobrevivir sin pared celular ya que su membrana es más resistente debido a la

presencia de esteroles

Thermoplasma (Archaea) no tiene pared,

pero sí membranas especiales (calor-ácido)

Viven en hábitats osmóticamente protegidos (como el cuerpo de los animales Ej: formas L (Instituto Lister )

(45)

Variaciones extremas de morfología de

Mycoplasma pneumoniae

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Membrana externa de Bacterias Gram-negativas

Bacterias Gram-negativas: (10%PG) se caracterizan por una membrana externa de lipopolisacárido (LPS): fosfolípidos, proteínas y polisácarídos.

La Porción polisacarídica del LPS:

Núcleo de polisacárido (cetodoxioctonato (KDO),heptosas, gal, glu y NAG

Polisacárido O-específico (glu, manosa, gal., ramnosa, manosa y

dideoxiazúcares (abecuosa, paratosa) que se unen en secuencias de 4 o 5 unidades repetidas.

La porción lipídica:

Lípido A: ac. grasos pon enlace éster con grupos amino de un disácrido

Lípido A: ac. grasos pon enlace éster con grupos amino de un disácrido

compuesto por NAGP y el disacárido se une al nucleo por KDO. Acidos grasos : caproico, láurico, mirístico, palmítico y esteárico.

• Lípido A del LPS tiene propiedades de endotoxina, que puede causa graves síntomas en humanos (Salmonella,Shigella, Escherichia)

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Lipopolysaccharide

Core • Heptoses O-antigen Highly variable n Antígeno O: formado por 50-100 unidades de disacáridos Permite distinguir Una especie en serotipos LPS

Esta presente solo en bacterias gram negativas. Es la ENDOTOXINA, factor de virulencia que caracteriza la acción patogena de éstas.

Lipid A

• Glucosamine disaccharide • Beta hydroxy fatty acids • Heptoses

• Ketodeoxyoctonic acid

Core: polisacárido ramificado

Lípido A: disacárido de glucosamina Responsable de la acción

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Porinas:

Proteínas transmembranales de tres

subunidades idénticas de 1 nm de diámetro Permiten el transporte de pequeñas

moléculas hidrofílicas de bajo peso molecular Porinas específicas e inespecíficas.

Espacio periplasmático:

12 a 15 nm entre la membrana

citoplasmática y la superficie interna de la membrana externa:

Diversas clases de proteinas : enzimas hidrolíticas, proteínas de unión y

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Relación entre la pared

Relación entre la pared celular

celular

y la coloración de Gram

y la coloración de Gram

Gram Positiva

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El alcohol penetra rápidamente la membrana enriquecida de lípidos de las bacterias Gram-negativas y extrae el cristal insoluble formado por el

complejo violeta-ioduro de la célula. En Gram positivas el alcohol deshidrata el PG, cierra los poros e impide la salida del CV-Iodo.

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BACTERIAS

Figure 2 - Gram stain of

Gram -

E. coli

cells

Figure 1 - A Gram stain of

Gram +

Staphylococcus

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Pared en Arqueas. Pseudopeptidoglicano

El esqueleto del pseudopéptidoglicano está formado por unidades

alternativas de acetilglucosamina y ácido

N-acetiltalosaminurónico.

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Pared de Archae

• La pared de Archae de pseudopeptidoglicano, que formado por ácido N-acetiltalosaminurónico que reemplaza al ácido N-acetilmurámico del

peptidoglican.

•El esqueleto del pseudopeptidoglican se une por enlaces β-1,3 en lugar de enlaces β-1,4 del peptidoglican

•Pared formada puede estar formada por proteínas, polisacáridos o

glicoproteínas Ej Methanosarcina (glucosa, ac glucurónico, galactosamina. Acetato) Halococcus (sulfato)

Archaea también tienen un capa paracristalina (capa S) proteína/ glicoproteina simetría hexagonal. Barrera de permeabilidad externa y elementos de

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