Periplasm

El periplasma es una matriz concentrada similar a un gel en el espacio entre la membrana citoplasmática interna y la membrana externa bacteriana, denominada espacio periplásmico en bacterias Gram negativas (más precisamente, "didermos") . Mediante criomicroscopía electrónica se ha descubierto que también existe un espacio periplásmico mucho menor en bacterias Gram positivas (más precisamente, "monodermos"), 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 representa un porcentaje mucho menor en las bacterias Gram positivas. ^{[ 3 ]}

Aunque las bacterias se dividen convencionalmente en dos grupos principales —Gram-positivas y Gram-negativas, 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 para 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 "Gram-positivo" habitual no tiene membrana lipídica externa, mientras que la bacteria "Gram-negativa" típica sí la tiene. Los términos "didermo" y "monodermo", acuñados para referirse únicamente a esta distinción , son una característica más fiable y fundamental de las células bacterianas. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

Todas las bacterias Gram positivas están delimitadas por una membrana lipídica unitaria simple (es decir, monoderma); generalmente contienen una capa gruesa (20-80  nm) de peptidoglicano responsable de retener la tinción de Gram. Varias otras bacterias que están delimitadas por una sola membrana pero se tiñen de Gram negativas debido a la falta de la capa de peptidoglicano (por ejemplo, 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 Gram positivas. Para las células bacterianas (procariotas) que están delimitadas por una sola membrana celular, se ha propuesto el término "bacterias monodermas" o " procariotas monodermas". ^{[ 4 ] [ 8 ]} A diferencia de las bacterias Gram positivas, todas las bacterias Gram negativas arquetípicas están delimitadas 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 se han denominado bacterias didérmicas. ^{[ 4 ] [ 8 ]} La distinción entre procariotas monodermos y didérmicos está respaldada por inserciones/deleciones características conservadas 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 bacterias gramnegativas o didérmicas se encuentra entre la membrana interna y externa de la célula. El periplasma contiene peptidoglicano y las membranas que lo rodean contienen muchas proteínas de membrana integrales, que pueden participar en la señalización celular . Además, el periplasma alberga orgánulos de motilidad como el flagelo , que se extiende a través de ambas membranas que lo rodean. El periplasma se describe como gelatinoso debido a la alta abundancia de proteínas y peptidoglicano. El periplasma ocupa del 7% al 40% del volumen total de las bacterias didérmicas y contiene hasta el 30% de las proteínas celulares. ^{[ 10 ] [ 11 ]} La estructura del periplasma de las bacterias monodermas difiere de la de las didérmicas, ya que el llamado espacio periplásmico en las bacterias monodermas no está rodeado por dos membranas, sino por la membrana citoplasmática y la capa de peptidoglicano subyacente. ^{[ 12 ]} Por esta razón, el espacio periplásmico del monodermo también se denomina zona de la pared interna (ZPI). La ZPI sirve como primer destino de translocación para las proteínas que se transportan a través de la pared celular bacteriana del monodermo. ^{[ 12 ]}

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, transporte, plegamiento, degradación, hidrólisis de sustratos, hasta la síntesis de peptidoglicano, transporte de electrones y alteración de sustancias tóxicas para la célula ( metabolismo de xenobióticos ). ^{[ 13 ]} Es importante destacar que el periplasma carece de ATP . En el periplasma se encuentran varios tipos de enzimas, incluyendo fosfatasas alcalinas , fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos , fosfatasas ácidas y 5'-nucleotidasas . ^{[ 14 ]} Cabe señalar que el periplasma también contiene enzimas importantes para facilitar el plegamiento de proteínas . Por ejemplo, la proteína de enlace disulfuro A (DsbA) y la proteína de enlace disulfuro C (DsbC), responsables de catalizar la formación e isomerización del enlace peptídico, respectivamente, se identificaron en el periplasma de E. coli . ^{[ 15 ]} Dado que la formación de enlaces disulfuro suele ser un paso limitante en el plegamiento de las proteínas, estas enzimas oxidantes desempeñan un papel importante en el periplasma bacteriano. Además, el periplasma media la captación de ADN en varias cepas de bacterias transformables. ^{[ 16 ]}

La compartimentación que ofrece el espacio periplásmico da lugar a varias funciones importantes. Además de las ya mencionadas, el periplasma también interviene en el transporte de proteínas y el control de calidad, de forma análoga al retículo endoplasmático en eucariotas. ^{[ 17 ]} Asimismo, 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 a la célula que contribuye a promover su capacidad para resistir la presión de turgencia. Cabe destacar que orgánulos como el flagelo requieren el ensamblaje de polímeros dentro del periplasma para su correcto funcionamiento. Dado que el eje del flagelo se extiende a través del espacio periplásmico, su longitud está determinada por el posicionamiento de la membrana externa, inducido por su contracción, 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 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 bacterias gramnegativas son objetivos atractivos para las terapias con fármacos antimicrobianos. ^{[ 20 ]} Además, los componentes del periplasma realizan funciones vitales como la facilitación del plegamiento de proteínas, el transporte de proteínas, la señalización celular, la integridad estructural y la absorción de nutrientes, ^{[ 17 ]} lo que lo convierte en un rico en posibles objetivos farmacológicos. Aparte de las enzimas y los componentes estructurales que son vitales para la función y la supervivencia celular, el periplasma también contiene proteínas asociadas a la virulencia, como DsbA, que pueden ser objetivo de terapias antimicrobianas. ^{[ 21 ]} Debido a su función 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 antivirulencia. ^{[ 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 ambiente 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 de los factores de virulencia, esencial para la función proteica adecuada. ^{[ 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 está enraizado 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 bacteriana está sujeta a numerosas condiciones ambientales turbulentas, lo que resalta la importancia de la integridad estructural que proporciona 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 el tratamiento de bacterias durante muchas décadas. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Además, el periplasma también es relevante para los avances clínicos debido a su papel en la mediación de la captación de ADN transformante . ^{[ 16 ]}