ESTRUCTURA DE LA CÉLULA PROCARIONTE Y GENÉTICA BACTERIANA Características generales de la célula bacteriana Características Generales para su Estudio Características morfológicas de las células bacterianas: tamaño, forma y disposición o agrupación Tamaño: El tamaño es un parámetro que está determinado genéticamente, pero los valores concretos para cada raza o cepa de bacterias vienen influidos por una serie de condiciones ambientales (nutrientes, sales, temperatura, tensión superficial, etc). Unidad de medida: micras (μm), varía entre 0,2-2μm de diámetro y 2-8μm de longitud. Micrómetro ocular Forma: Cocos: células esféricas u ovoides Bacilos: células alargadas. Variaciones en cuanto a la longitud, anchura y forma de los extremos Formas incurvadas: bacilos curvos (en forma de coma), espirilos (rígidos y se mueven por flagelos) Espiroquetas (flexibles y se mueven por filamentos axiales Bacilos. Variedades Morfológicas o Ancho, longitud y forma de los extremos o Bacilos grandes o Coco-bacilos o Fusiformes o Filamentosos o Curvos Agrupación: Depende de dos factores: Plano(s) en que ocurre la división celular. Tendencia de las células hijas a permanecer unidas entre sí. Agrupaciones presentes en los cocos Diplococos: cocos en pares Estreptococos: cocos encadenas Estafilococos: cocos en racimos Tetracocos: cocos en tetradas Sarcinas: cocos en disposición cúbica Agrupaciones presentes en bacilos Bacilos aislados En cadena En pares En empalizada o en paquetes de cigarrillos (debido a un giro de 180°) Dos bacilos en ángulo ( en forma de letra V ó L) Varios bacilos formando “letras chinas” Ultra-Estructura de la Célula Bacteriana Envoltura celular reino “eubacterias” (bacterias verdaderas) Denominada también Cubierta celular, es el conjunto de capas integrales que rodean a la célula. Las cuales tienen a su cargo diversos procesos celulares que se llevan a cabo en los organelos internos de las células eucariotas. Es el sitio primario de las funciones que protegen a las bacterias contra amenazas químicas y biológicas; y conjuntamente con los apéndices, la cubierta hace posible que las bacterias colonicen superficies Glucocalix o capsula Es una capa de polímero viscoso, gelatinoso, que rodea a la célula (externo a la pared celular) Constituido por polisacáridos, polipéptidos o ambos. Antígeno capsular (AgK) Contribuye a la virulencia bacteriana Protege a la célula de la fagocitosis Participa en la adherencia bacteriana a superficies Previene la deshidratación celular Reservorio de nutrientes Depósito de productos de desecho excretados por el metabolismo celular Características y funciones de la pared celular Estructura compleja y semirígida responsable de la configuración de la célula. Rodea a la frágil membrana plasmática subyacente y protege a esta membrana y al interior de las células de los cambios adversos del medio externo. Está presente en la mayoría de los procariotas y es difícil de observar por microscopía óptica. Mantiene la forma celular Previene la lisis osmótica Esencial para el desarrollo y división bacteriana Contiene componentes que contribuyen a su patogenicidad (virulencia de algunas especies de bacterias) Puede proteger a la célula frente a sustancias tóxicas Es el sitio de acción de ciertos antibióticos Estructura del peptidoglucano Está compuesto por un disacárido repetitivo unido por polipeptidos, los cuales van a rodear y proteger a la celula. El disacárido esta formado por monosacáridos llamados N-acetilglucosamina (NAG) y acido N-acetilmuramico (NAM) y emparentados con la glucosa. Estos disacárido se unen para formar hileras que constituye un esqueleto de hidratos de carbono, y estas hileras se encuentran unidos por polipetidos. Pared celular de las bacterias grampositivas La pared celular esta compuesta por varias capas de peptidoglucanos que forman una estructura gruesa y rigida. Además contienen acidos teicoicos, que estan compuestos por alcohol y fosfato. Existen dos clases, el acido lipoteicoico, que abarca toda la capa de peptidoglucano y el acido teicoico propiamente dicho que esta unido a la capa de peptidoglucano. Su carga negativa, generada por los grupos fosfato, determina que estos compuestos se unan a cationes y regulen su movimiento a través de las células. También disminuyen el riesgo de lisis y son responsables de una gran parte de la especificidad antigénica. Pared celular de las bacterias gramnegativas Esta compuesta por una sola capa o muy pocas de peptidoglucano y una membrana externa. El peptiglucano esta unido a lipoproteínas de la membrana externa y se encuentra en el periplasma, una sustancia gelatinosa localizada entre la membrana externa y la membrana plasmática, la cual contiene enzimas degradantes y proteínas de transporte. NO contiene acidos teicoicos. Su membrana externa esta compuesta por lipopolisacaridos, lipoproteínas y fosfolípidos. Su intensa negatividad dificulta la fagocitosis y la actividad del complemento. También impide el paso de ciertos antibióticos, de enzimas digestivas, detergentes y de ciertos colorantes. Sin embargo, tiene porinas que permiten el paso de nutrientes. También porta receptores para fagos y tiene propiedades patogénicas Lipoproteína de Braun: Proteína más importante de la membrana externa. Conocida también como lipoproteína de mureína. Proteína pequeña (Peso molecular ~ 7.200). Sirve para anclar la membrana externa a la capa de peptidoglucano Lipopolisacaridos: Se trata de una macromolécula exclusiva de la lámina externa de la membrana externa de bacterias Gram-negativas, responsable de muchas de las propiedades biológicas de estas bacterias. Se le conoce también con el nombre de endotoxina (toxina termoestable, no difusible). Se trata de un glucolípido complejo, que podemos considerar compuesto de tres regiones o dominios: lípido A, que es la porción más proximal, y de carácter hidrofóbico; Nucleo polisacárido o centro (KDO) Región distal que es de carácter hidrofílico y constituye el antígeno somático O de las bacterias Gram-negativas. (Esta porción condiciona la virulencia) La función como endotoxina se debe a la región del lípido A. Sus propiedades como endotoxina están en el origen de muchos síntomas patológicos propiciados por patógenos Gram-negativos: Pirogénico Modificación en el recuento de células sanguíneas Coagulación intravascular diseminada (CID) Factor de necrosis tumoral Disminuye la presión arterial Colapso vascular Shock Con respecto al espacio periplasmico, se encuentra delimitado por la membrana externa y la interna (m. celular), mide entre 12-15 nm tiene una consistencia gelatinosa y contiene una capa de peptidoglicano y proteínas que intervienen en el transporte de nutrientes necesarios para la célula Comparación Pared Celular Gram Positiva y GramNegativa La PCGN es químicamente más compleja que la PCGP La PCGP contiene más aminoácidos que la PCGN Los ácidos teicoicos son exclusivos de las PCGP El contenido de lípidos de la PCGN es superior al de las PCGP El LPS, membrana externa y espacio periplásmico sonexclusivos de la PCGN En las PCGN, el peptidoglucano constituye una fracciónmucho más pequeña del total de la pared, en comparación ala PCGP Pared celular atípica Micoplasmas: bacterias atípicas desprovistas de paredcelular, presentan pleomorfismo Micobacterias: Pared celular con peptidoglucano y gran cantidad de ácidos micólicos(60%). NaG es sustituido por N-glucolil-murámico. Peptidoglucano unido al arabinogalactano (polímero de arabinosa y galactosa) por enlaces glicolípidos Citoplasma Sitio celular donde ocurren numerosas reacciones del metabolismo, crecimiento y replicación celular. Es la matriz interna de la célula bacteriana y esta delimitado por la membrana celular, presenta una consistencia acuosa, semi-transparente y elástica, Está dividido en dos regiones: Área nuclear: Contiene el cromosoma bacteriano Rica en ADN Área citoplasmática: Rica en ribosomas Aspecto granular Cromosoma Denominado también nucleoide, cuerpo nuclear, componente nuclear, cuerpo de cromatina Carece de membrana nuclear que lo delimite Constituido por una sola molécula de ADN de doble cadena circular Compuesto: 60% ADN, algo de ARN y pequeña cantidad de proteínas similares a las histonas Representa sólo un 2-3% del peso seco celular Ocupa el 10% o más del volumen celular Contiene la información genética de la especie Plásmidos Junto con el cromosoma, constituyen el genóforo bacteriano Elementos genéticos extra-cromosómicos ADN doble cadena circular Capacidad de replicación autónoma Generalmente, contienen 5-100 genes no indispensables Pueden transmitirse de una célula a otra Inclusiones citoplasmáticas Acúmulos de sustancias de reserva intracitoplasmáticos, insolubles Agregados de varios compuestos normalmente involucrados en almacenar reservas energéticas o “bloques estructurales” para la célula Se desarrollan cuando la célula está en presencia de exceso de nutrientes Frecuentemente observados en condiciones de laboratorio Gránulos Gránulos de Azufre Volutina (polifosfatos): gránulos metacromáticos Lípidos: Ácido poli-B-hidroxibutírico (PHB), poli-B-hidroxialcanoatos (PHA), Hidrocarburos Carbohidratos: glucógeno yalmidón Azufre Cianoficina (polímero de arginina y aspartato) Sales minerales (carbonatos) Ficobilisoma PHB Granulos metacromaticos Apéndices bacterianos Cápsula (Glicocálix): Capa de polímero viscoso, gelatinoso, que rodea a lacélula (externo a la pared celular). Constituido por polisacáridos, polipéptidos o ambos. Consistencia compacta y fuertemente unido a la pared celular, el glicocálix se denomina Cápsula. Flagelos: Apéndices filiformes, helicoidales Diámetro: 12 a 30 nm. Composición proteica: flagelina Altamente antigénicos (Antígeno flagelar o Ag H) Crecimiento apical Más comunes en bacilo Detectables por: Microscopía de campo oscuro, Microscopía de contraste de fases, Microscopía electrónica, Microscopía óptica (Preparaciones especiales) Funciones: Motilidad y Quimiotaxis Los procariotas son capaces de moverse y lo hacen principalmente mediante los flagelos pero también mediante filamento axial (espiroquetas helicoidales) y deslizamiento sobre superficies sólidas (in vitro): mixobacterias, cianobacterias y micoplasmas Taxis es: Filamento axial: Apéndices filiformes que se encuentran en el espacio periplásmico. Se originan en polos opuestos y se superponen en el centro sin presentar conexiones evidentes. Permiten el movimiento por desplazamiento en ondas helicoidales. Presente en espiroquetas: Treponema spp. Borrelia spp. Leptospira spp Penetran medios viscosos y tejidos Al rotar contra el cuerpo de la célula, le imparten un movimiento de arrollamiento helicoidal opuesto en rotación al del giro del filamento axial. Movimiento similar al de un sacacorchos Pilis o Fimbrias: Denominados también: pelos, fimbrias o fibrillas. Son apéndices bacterianos de aspecto filiforme con un diámetro: 0.004a 0.008 µm. Sólo se pueden observar conmicroscopio electrónico y están presentes en bacterias Gramnegativas y son más numerosos y cortos que los flagelos. Composición proteica: Pilina Funciones: Adherencia (Factores de colonización) Transferencia de material genético (Pilis sexual) Categorías: Adhesinas, Lectinas, Evasinas, Agresinas, Pilis sexuales Esporas Son células en estado de latencia con capacidad germinativa y una baja concentración hídrica. Son altamente resistentes a la desecación, calor y agentes químicos y presentan una alta concentración de calcio y ácido dipicolínico. Ademas, poseen altos niveles de pequeñas proteínas acido-solubes de la espora (SASPs). Por un lado, estas se unen al DNA y lo protegen de las radiaciones ultravioletas, desecación y calor seco. Por otro lado, sirven como fuente de carbono y energía para el desarrollo de una nueva célula vegetativa a partir de la endospora (germinación) Géneros esporulados: Bacillus Clostridium Localización de la espora: Central Terminal Sub-terminal Esporulación Proceso mediante el cual una célula vegetativa da origen a una célula en estado de latencia (espora). La bacteria debe estar ávida de nutrientes importantes (carbono, nitrógeno y fósforo) La bacteria debe tener alta densidad para permitir la secreción y reconocimiento del factor 1 de diferenciación extracelular (EDF-1) La bacteria debe encontrarse en fase estacionaria decrecimiento Germinación Proceso mediante el cual una espora da origen a una célula vegetativa metabólicamente activa. Etapas: Activación: calor, abrasión, acidez y compuestos con grupos SH libres Inicio: condiciones ambientales favorables, efector (L-alanina oadenosina), activa autolisinas, degradan el peptidoglucano cortical. Captación de agua, se libera ácido dipicolínico y se degradan enzimáticamente algunos componentes de la espora. Excrecencia o Crecimiento: aparición de una nueva célula vegetativa, metabólicamente activa con capacidad de dividirse Genética bacteriana La genética es la ciencia de la herencia y estudia que son los genes, como transporta la información, como se replican y transmiten a generaciones ulteriores de células y la expresión de la información dentro de un organismo. La información genética contenida en una celula se denomina genoma, e incluye sus cromosomas y plásmidos. Los cromosomas con estructuras que contienen DNA y que físicamente portan información hereditaria: los cromosomas contienen los genes. Los genes son segmentos de ADN que codifican productos funcionales El GENOTIPO de un organismo es su constitución genética (su colección de genes, su ADN completo), la información que codifica la totalidad de las características particulares del organismo. El FENOTIPO se refiere a las propiedades reales y expresadas, como la capacidad del organismo de llevar a cabo una reacción química particular. Es la manifestación del genotipo. Es la colección de proteínas de un organismo. ADN y cromosomas Las bacterias tienen un cromosoma circular único formado por una sola molécula circular de ADN asociada con proteínas. El genoma bacteriano es el conjunto total de genes que porta una bacteria tanto en su cromosoma como en sus elementos genéticos extracromosómicos El cromosoma de E. Coli consta de una sola molécula circular bicatenaria de ADN que contiene aprox. 4,6millones de pares de bases y casi 1mm de longitud, o sea que es 1000 veces más largo que la célula completa. Sin embargo, el cromosoma sólo constituye alrededor del 10% del volumen de la célula porque el ADN está retorcido o super enrollado Flujo de la información genética La replicación del DNA posibilita el flujo de la información genética de una generación a la siguiente. Como se muestra en la figura, el ADN se replica antes de la división celular, de modo que cada célula de la descendencia recibe un cromosoma idéntico al de la progenitora Replicación del ADN En la replicación del ADN una molécula de ADN “parental” de doble cadena se convierte en dos moléculas “hijas” (primera copia) idénticas. La clave para entender la replicación del ADN es la estructura complementaria de las secuencias de bases nitrogenadas en la molécula de ADN: una cadena actúa como molde para la formación de la otra cadena La replicación del ADN de algunas bacterias, por ejemplo de E. Coli, se produce de modo bidireccional alrededor del cromosoma. Dos horquillas de replicación se desplazan en direcciones opuestas desde el orgen de la replicación. Dado que el cromosoma bacteriano es un bucle cerrado, las horquillas de replicación finalmente se encuentran cuando se completa la replicación. Regulación de la expresión génica bacteriana La maquinaria genética de una célula y su maquinaria metabólica están integradas y son independientes. La característica común de todas las reacciones metabólicas es que son catalizadas por enzimas y que la inhibición por retroalimentación detiene a las enzimas que ya han sido sintetizadas. Ahora analizaremos los mecanismos para evitar la síntesis de enzimas que son necesarias. Los genes, a través de la transcripción y la traducción dirigen la sisntesis de proteínas, muchas de las cuales funcionan como enzimas (utilizadas para el metabolismo celular). Como la síntesis de proteínas requiere un enorme gasto de energía, su regulación es importante para la economía de la energía. La célula conserva energía mediante la síntesis de proteínas necesarias en un momento particular Represión e inducción Regulan la transcripción de ARNm y por consiguiente la síntesis de enzimas por ellos. Estos mecanismo controlan la formación y la cantidad de enzimas en la célula, mas no su actividad Represión es el mecanismo regulador que inhibe la expresión génica y disminuye la síntesis de enzimas. Suele ser una respuesta al exceso de un producto final de una via metabólica, provoca una disminución de la velocidad de síntesis de enzimas que conducen a la formación de ese producto Esta mediada por proteínas denominadas represores, que bloquean la capacidad del ARN polimerasa de iniciar la transcripción de los genes reprimidos. En estado basal un gen reprimible está activado Inducción es el proceso que activa la transcripción de un gen o de varios genes. Una sustancia que induce la transcripción de un gen se denomina inductor, y las enzimas que se sintetizan en presencia de inductores son enzimas inducibles. En estado basal un gen inducible esta inactivado Modelo del operón de la expresión génica Los detalles del control de la expresión génica por inducción y represión se describen mediante este modelo formulado por unos franceses en el 61’ en el que explican la regulación de la síntesis de proteínas. El modelo se basaba en estudios de la inducción de las enzimas del catabolismo de la lactosa en E. coli. Además de la B-galactosidasa, estas enzimas incluyen la lac permeasa, que participa en el transporte de la lactosa a la celula, y la transacetilasa que metaboliza ciertos disacáridos distintos de la lactosa. Los genes para las tres enzimas que participan en la capación y la utilización de la lactosa están próximos entre si en el cromosoma bacteiano y se regulan juntos. Mutación: cambio en el material genético Una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN. Un cambio en la secuencia de bases de un gen en ocasión producirá un cambio en el producto codificado por ese gen TRANSICIÓN: Cambio de una purina o pirimidina por otra purina o pirimidina. TRANSVERSIÓN: cambio de purina por pirimidina o viceversa Tipos de mutaciones El tipo de mutación mas frecuente que afecta a un único par de bases es la sustitución de bases en la que una única base en un punto de la secuencia del ADN es sustituida por otra base diferente. Cuando el ADN se replica el resultado es la sustitución de un par de bases. Si la sustitución de bases produce una sustitución de aminoácidos en la proteína sintetizada este cambio en el ADN se conoce como mutación de cambio de sentido Una sustitución de bases que produce un codón de terminación se denomina mutacion terminadora. Mediante la creación de un codón de terminación (sin sentido) en la mitad de la molécula de ARNm algunas sustituciones de bases impiden efectivamente la síntesis de una proteína funcional completa, solo se sintetiza un fragmento. Además de las mutaciones de pares de bases en el ADN también hay modificaciones denominadas mutaciones de cambio del marco de lectura en las cuales un par de nucleótidos o algunos pares de nucleótidos presentan deleción o se insertan en el ADN. Cambian el agrupamiento de tres codones por el ARNt durante la traducción Las sustituciones de bases y las mutaciones de cambio del marco de lectura pueden aparecer de forma espontánea debido a errores durante la replicación del ADN. Suceden en ausencia de agentes productores de mutaciones. Mutagenos Agentes ambientales que de forma directa o indirecta causan mutaciones Químicos: una de las principales sustancias químicas conocidas como mutagenos es el acido nitroso, el cual puede convertir la base adenina (A) en una forma que ya no se aparea con la timina (T) sino que lo hace con la citosina. Otro tipo de mutageno quimico consiste en los análogos de nucleosidos, que tienen una estructura similar a la de las bases nitrogenadas normales pero sus propiedades de apareamiento de bases están alteradas. Estos se incorporar al azar al ADN celular en el lugar de la bases normales y en la replicación causan errores. Radiaciones: Los rayos X y los rayos gamma son mutaenos poderosos por su capacidad de ionizar atomos y moléculas. Producen que los electrones salten hacia afuera de sus orbitas y bombardeen otras moléculas, y pueden combinarse con bases en el ADN y conducir a errores. Otra forma es la luz ultra violeta, que forma enlaces covalentes lesivos entre ciertas bases, produciendo dimeros de bases que se entrecruzan. Frecuencia de las mutaciones La tasa de mutación es la probabilidad de que un gen mute cuando una célula se divide. Esta tasa suele establecerse como una potencia de 10 y debido a que las mutaciones son muy raras, el exponente siempre es un número negativo. Las mutaciones suelen producirse más o menos al azar a lo largo de un cromosoma. La aparición de cromosomas aleatorios con baja frecuencia es un aspecto esencial de la adaptación de las diversas especies a su ambiente; la evolución requiere que la diversidad genética se genere al azar y con una tasa reducida. Casi todas las mutaciones son perjudiciales y es probable que sean eliminadas de la dotación génica cuando la celula individual muere o sean neutras. Sin embargo algunas mutaciones pueden ser beneficiosas. Por ejemplo, una mutación que confiere resistencia a los antibióticos es beneficiosa para una población de bacterias que está expuesta de manera regular a los antibióticos. Una vez que un rasgo de este tipo ha aparecido a través de la mutación las células que portan el gen mutado tienen más probabilidades de sobrevivir y reproducirse que otras células siempre que el ambiente permanezca igual. Muy pronto la mayoría de las células de la población tendrá el gen; habrá sucedido un cambio evolutivo en pequeña escala Transferencia y recombinación génica Se denomina recombinación genética al intercambio de genes entre dos moléculas de ADN para formar nuevas combinaciones de genes en un cromosoma. Si dos cromosomas se rompen y se vuelven a unir se denomina entrecruzamiento, y algunos de los genes que portan se entremezclaran. La transferencia génica vertical sucede cuando los genes pasan de un organismo a su descendencia, como las plantas y los animales. La transferencia génica horizontal es el paso de genes entre bacterias de manera lateral, es decir, a otros microorganismos de la misma generación. Transformación bacteriana Proceso mediante el cual los genes se transfieren de una bacteria a otra como ADN “desnudo” en solución. Experimento de Griffith (1928) Mecanismo de transformación genética bacteriana La transformación sucede naturalmente entre muy pocos géneros de bacterias, como Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Acinetobacter y ciertas cepas de los géneros Streptococcus y Staphylococcus. Cuando una célula receptora se halla en un estado fisiológico en el cual puede captar el ADN donante se dice que es competente. La competencia es resultado de alteraciones de la pared celular que la tornan permeable a las moléculas de ADN grandes. Conjugación bacteriana Otro mecanismo por el cual se transfiere material genético de una bacteria a otra es la conjugación. La conjugación es medida por una clase de plasmido, un fragmento circular de ADN que se replica independiente del cromosoma de la celula. Sin embargo, estos poseen genes no esenciales. Transducción bacteriana En este otro mecanismo el ADN bacteriano se transfiere de una celula donante a una celula receptora dentro de un virus que infecta bacterias, denominado bacteriófago. Plasmidos Son fragmentos circulares autorreplicantes del ADN que contienen genes y que constituyen entre el 1 y el 5% del tamaño del cromosoma bacteriano. Transposones Son segmentos pequeños de ADN que pueden trasladarse (ser transpuestos) de una región de una molecula de ADN a otra. Tienen de 700 a 4000 pares de bases de longitud Genes y evolución La actividad génica puede ser controlada por mecanismos reguladores internos de la células y lo genes mismo pueden ser alterados o reordenados por mutacion, transposición y recombinación. Todos estos procesos proveen diversidad en la descendencia de las células. La diversidad proporciona la materia prima para le evolución y la selección natural la fuerza directriz. La selección natural puede actuar sobre diversas poblaciones para asegurar la supervivencia de las que se adapten a ese ambiente particular. Las diferentes clases de microorganismo que existen en la actualidad son resultado de una larga historia de evolución. Los microorganismos han sufrido cambios continuos por alteraciones en sus propiedad genéticas y la adquisición de adaptaciones a hábitat muy diferentes Biotecnología y ADN recombinante La biotecnología es el empleo de microorganismos, células o componentes celulares para elaborar un producto. En la actualidad se utilizan microorganismos como si fueran fabricas para producir sustancias químicas que los microorganismos no sintetizan naturalmente. Esto ultimo es posibilitado por la inserción de genes en las células mediante la tecnología del ADNr Métodos y técnicas mas importantes de la biotecnología Enzimas de restricción: son una clase especial de enzimas que cortan el ADN presente en muchas bacterias. Lo importante en las técnicas de ADNr es que la enzima de restricción reconozca y corte, o digiera, solo una secuencia particular de bases en el ADN y que corte esa secuencia del mismo modo cada vez. Vectores: varios tipos diferentes de moléculas de ADN pueden actuar como vectores, se introducen en una célula y se replican. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR): es una técnica que permite amplificar rápidamente muestras pequeñas de ADN, es decir, aumentar su cantidad para que sea suficiente para analizarlas Aplicaciones del ADNr Pueden aplicarse de diversos modos, como para producir sustancias útiles de una manera mas eficiente y menos costosa. Otra es obtener información del ADN clonado que sea útil en el marco de la investigación básica, la medicina aplicada o la medicina forense. Un tercer modo es utilizar genes clonados para alterar las características de células u organismos Aplicaciones terapéuticas: