microbiologia general - Instituto de Investigaciones Biotecnológicas

MICROBIOLOGIA GENERAL
CURSO 2009
TEMA: Introducción a la Microbiología.
DOCENTE: Dra. Nora Iñón
Bibliografía recomendada:
Brock Biología de los Microorganismos de Madigan, Martiniko y Parke, 10a edición
(PEARSON, Prentice Hall).
Bioquímica de Stryer, Berg y Tymoczko, 5ta edición (Editorial Reverté)
Microbiology de Prescott, Harley y Klein 7ma edición (McGraw-Hill).
Sitio web recomendado: http://www.ugr.es/local/eianez
1
Microbiología
• Es el estudio de los microorganismos
• Como ciencia básica permite conocer los
procesos vitales en sistemas simples.
• Como ciencia aplicada permite solucionar
problemas prácticos, por ej. en medicina,
agricultura, industria, etc.
2
Características de la célula
• Las células microbianas son distintas a las
células de animales o de plantas.
• Crecen, se multiplican, generan energía.
• A diferencia de las células de animales o
de plantas, las células microbianas
pueden vivir en forma aislada de otras
células.
3
a y b: organismos pluricelulares, compuestos por muchos tejidos que forman órganos;
c y d: microorganismos. (c) bacterias rojas, (d) cianobacterias.
4
La microbiología estudia
• Las células vivas: como trabajan y como
existen en vida libre.
• La diversidad de los microorganismos.
• Como evolucionan.
• Los distintos procesos que llevan a cabo.
5
La microbiología es una ciencia
biológica
• Como ciencia básica es la herramienta
mas simple para el estudio de procesos
vitales.
• Como ciencia aplicada se puede utilizar
en distintos campos: para el estudio de la
producción animal; fertilidad de la tierra;
enfermedades humanas, de animales y de
plantas; procesos biotecnológicos o
“Biotecnología”, etc.
6
Los microorganismos como células
• Es la unidad fundamental de la vida.
• Posee membrana celular y en algunos
casos pared.
• En el citoplasma se encuentran sustancias
químicas, estructuras subcelulares y una
región nuclear o núcleo.
• Las células contienen proteínas, ácidos
nucleicos, lípidos y polisacáridos
7
Ancestro común
• Se piensa que todas las células provienen
de un ancestro común o ancestro
universal que a lo largo de millones de
años de evolución ha dado lugar a la gran
diversidad observada hoy en día.
8
Localización de las macromoléculas en la célula
a) Las proteínas se encuentran en toda la célula formando parte de estructuras
celulares y de las enzimas. b) ácidos nucleicos. El DNA (verde) se encuentra en el
nucleoide de las células procarióticas y en el núcleo de las células eucarióticas. El
RNA (naranja) se encuentra en el citoplasma (mRNA y tRNA) y en los ribosomas
(rRNA). (c) Los polisacáridos (amarillo) se localizan en la pared celular y, en
ocasiones, en gránulos de reserva internos. (d) Los lípidos (azul) se localizan en la
membrana citoplasmática, la pared celular y en gránulos de reserva.
9
Peso seco de una célula en
crecimiento de Escherichia coli
aproximadamente 2,8 x 10-13 g
Peso total (70 % agua) = 9,5 x 10-13 g
El 96% del peso seco de una célula es
debido a las macromoléculas y, dentro
de estas , las proteínas son las más
abundantes. Las proteínas se
encuentran por toda la célula y tienen
funciones estructurales y catalíticas. Le
sigue el ácido ribonucleico (RNA)
presente en los ribosomas (junto con
las proteínas), RNA mensajero y de
transferencia.
10
Las células tienen estructura y
tamaño definidos. Sufren cambios
continuamente sustituyendo cada
una de sus partes. Son unidades
dinámicas. Son sistemas abiertos
que cambian continuamente pero
que a la vez permanecen dentro de
ciertos límites.
11
Características de una célula
•
•
•
•
•
•
Metabolismo
Reproducción
Diferenciación
Comunicación
Movimiento
Evolución
12
Características de los sistemas vivos
1- Metabolismo. Toman sustancias
químicas del medio y las transforman,
conservan parte de la energía de dichas
sustancias de modo que las células
puedan usarla, y luego eliminan los
productos de desecho. La célula es por
lo tanto un sistema abierto.
2- Reproducción. Poseen la capacidad
de autoduplicarse es decir dirigir una
serie de reacciones químicas que
conducen a su propia síntesis.
Como resultado de los procesos
metabólicos, una célula crece y se
divide para formar dos células.
13
3- Diferenciación. Proceso por el cual
se forman nuevas sustancias o
estructuras. A menudo forma parte de
un ciclo de vida en el cual la células
forman
estructuras
especiales
relacionadas con la reproducción, la
dispersión o la supervivencia.
4Comunicación.
Las
células
responden a señales químicas en su
medio ambiente, tales como las
producidas por otras células. Pueden
comunicarse por medio de pequeñas
moléculas (como la AHL o lactona de
homoserina acilada), que se difunden y
pasan entre células vecinas.
Existen vias regulatorias que responden
a densidad de población o Quorum
sensing (percepcion en quorum).
14
5- Movimiento. Algunos organismos
vivos son capaces de moverse por
autopropulsión.
Hay
diferentes
mecanismos responsables de la
movilidad en el mundo microbiano.
6- Evolución. A diferencia de las
estructuras inertes, las células pueden
evolucionar. A través del proceso de
evolución las células pueden cambiar
permanentemente sus características y
transmitir las nuevas propiedades a su
descendencia.
15
Las células como máquinas y como sistemas
codificados
- Como máquinas químicas: llevan a cabo
transformaciones químicas. Convierten energía de una
forma a otra, rompen moléculas, construyen moléculas.
Las fuerzas conductoras son las enzimas o
catalizadores que son proteínas capaces de acelerar la
velocidad de reacciones químicas específicas.
- Como sistemas codificados: son análogos a las
computadoras, que guardan y procesan la información
genética (DNA) que pasa finalmente a la descendencia
durante la reproducción.
El enlace entre estos dos atributos es el crecimiento, el
cual debe estar coordinado y regulado para lograr que
una célula se reproduzca con fidelidad.
16
Las células como dispositivos de codificación procesan la
información que se transmite a su descendencia o se
traduce de otra forma.
Función codificante:
transcripción
DNA
traducción
RNA
Proteína
La célula es un depósito de información de secuencias de
proteínas almacenadas en forma codificada. El código es el
código genético almacenado en el DNA
DNA: secuencia de nucleótidos.
Cada aminoácido de una proteína está codificada por una secuencia de
tres base o triplete. A pesar de la diferencia en la frecuencia del uso de
un determinado codón para codificar por un aminoácido determinado, el
código genético, con unas pocas excepciones, es el mismo para todos
los organismos.
17
Síntesis de tres tipos de moléculas informacionales
En todas las células los genes están
compuestos
de
ácido
desoxirribonucleico
(DNA).
La
información guardada en el DNA
codifica la secuencia de una proteína,
y lo hace a través de una molécula
intermediaria, el ácido ribonucleico
(RNA). La transferencia de la
información al RNA se denomina
transcripción, y la molécula de RNA
que lleva la información que codifica
una proteína se denomina RNA
mensajero (mRNA). Algunas regiones
del DNA que se transcribe codifican
también para otros tipos de RNA, tales
como el RNA de transferencia (tRNA)
y RNA ribosómico (rRNA). Gen es
entonces un segmento de DNA que
codifica para una proteína, un rRNA o
un tRNA.
18
Traducción. La secuencia específica de aminoácidos en cada
proteína está determinada por una secuencia específica de bases en
el mRNA. Existe una correspondencia lineal entre la secuencia de
bases de un gen y la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Se
necesitan tres bases del mRNA para codificar un solo aminoácido y
cada uno de estos tripletes se denomina codón. Este código genético
se traduce a proteína por medio de la maquinaria para la síntesis de
proteínas. Este sistema consta de ribosomas (compuestos a su vez de
proteínas y rRNA), tRNA y varias enzimas. La transferencia de
información de ácido nucleico a proteína es unidireccional; la
secuencia de la proteína no indica la secuencia del ácido nucleico.
Esta transferencia unidireccional de la información se conoce como
dogma central de la biología porque es compartida por todas las
formas de vida de nuestro planeta.
19
El código genético consiste de 64 codones. Tres de esos codones son reservados para “stops”,
y uno (AUG) es reservado para iniciación. Hay un solo codon (UGG) para el amino ácido
triptofano. Para el resto de los amino ácidos hay al menos 2, usualmente 4 y algunas veces 6.
Por ejemplo hay 6 codones (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG) para el aminoácido leucina.
20
Código genético y frecuencia de uso
en Escherichia coli y en humanos.
Los distintos codones que codifinan para un
mismo aminoácidos no son usados por los
diferentes organismos con la misma
frecuencia. De los 4 codones para glicina,
GGA es usado 26% del tiempo por genes
estructurales humanos y aproximadamente
9% del tiempo para las proteínas
codificadas por genes de la bacteria E. coli.
Lo mismo ocurre con el uso de los codones
stop.
Codon
Amino ácido
Frecuencia de uso
E. coli
humanos
GGA
glicina
0,09
0,26
UGA
stop
0,30
0,61
UAG
stop
0,09
0,17
UAA
stop
0,62
0,22
21
REPASO
Ácidos nucleicos
DNA y RNA o ácidos nucleicos son polinucleótidos. Son
macromoléculas formadas por monómeros llamados
nucleótidos. Un nucleótido se compone de tres unidades:
un azúcar de 5 átomos de carbono, la ribosa (en el RNA) y la
desoxiribosa (en el DNA), una base nitrogenada y una
molécula de fosfato, PO43-.
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Estructura básica de un nucleótido. Se muestra un ribonucleótido en el
RNA. Los deoxiribonucleótidos, en el DNA , tienen un átomo de H en
lugar de un grupo OH en el carbono 2´. Tanto los desoxiribonucleótidos
como los ribonucleótidos tienen un grupo fosfato en la posición 5´.
23
Nucleótidos
Las bases nitrogenadas presentes en los ácidos nucleicos pertenecen a
dos clases. Las bases puricas, adenina y guanina, contienen dos anillos
heterocíclicos fusionados (que contienen más de un tipo de átomo),
mientras que las bases pirimidínicas, timina, citosina y uracilo, contienen
un único anillo heterocíclico de seis elementos (que tiene más de una
clase de átomos). Mientras que la guanina, adenina y citosina se
encuentra tanto en el DNA como en el RNA, la timina se presenta (salvo
raras excepciones) sólo en el DNA y el uracilo sólo en el RNA. En un
nucleótido, una base se une a una pentosa por enlace glicosídico entre el
átomo de C1 del azúcar y el átomo de N1 (en bases pirimidínicas) o el N9
(en bases púricas). Una base unida al azúcar, sin el fosfato se denomina
nucleósido. Por lo tanto, los nucleótidos son nucleósidos que contienen
uno o más grupos de fosfato.
24
Bases pirimidínicas y bases púricas
Estructura de las bases del DNA y del RNA. No se indica el uracilo (U),
pero su estructura es la misma que la de la timina, excepto que carece
del grupo metileno en el carbono 5. Para establecer la unión de la base
al carbono 1´del azucar fosfato, las bases pirimidínicas lo hacen a
través del N-1 del anillo y las bases púricas mediante el N-9 del anillo.
25
Componentes del trifosfato de
adenosina.
Los nucleótidos, en especial el
trifosfato de adenosina o
adenosina trifosfaro (ATP) actúa
como fuente de energía química
liberando, mediante la ruptura
de un enlace fosfato, suficiente
energía como para suministrar
la requerida para muchas
reacciones celulares.
26
Estructura parcial de
una molécula de DNA.
Las bases pueden ser
adenina, guanina, citosina o
timina.
El esqueleto de un ácido
nucleico es un polímero en el
que alternan moléculas de
azúcar y de fosfato. Los
nucleótidos
están unidos
covalentemente por medio de
un fosfato entre el C 3´ de un
azúcar y el C 5´de otro azúcar
adyacente. Esta unión es un
enlace fosfodiester ya que
un mismo fosfato se une por
enlace éster a dos azúcares
separados.
27
Estructura simplificada del DNA y del RNA donde solo se muestran
las bases nitrogenadas
b) En el DNA las 2 cadenas de DNA son complementarias en su
secuencia de bases y están unidas por puentes de hidrógeno.
c) En el RNA se muestra en (i) solo la estructura primaria y en (ii) una
secuencia que permite una estructura secundaria.
28
Apareamiento específico entre la
adenina (A) y la timina (T) y entre la
guanina (G) y la citosina (C)
mediante puentes de hidrógeno.
Estos dos pares de bases son los
típicos de los DNA bicatenarios. Los
átomos que se encuentran en el
surco principal de la doble hélice y
que interactúan con las proteínas se
resaltan en rojo. También se indican
los esqueletos de desoxirribosa
fosfato de las dos cadenas del DNA
29
El DNA sufre dos transformaciones principales:
transcripción traducción.
replicación y
El aparato de traducción es una maquinaria muy compleja y es el centro
mismo de la función celular. Es el atributo central y fundamental de la
célula. Con pequeñas variaciones es prácticamente el mismo en todos
los organismos. Ha sido probablemente una adquisición muy temprana
en la historia de la Tierra y se ha mantenido sin grandes variaciones
hasta ahora. Durante el crecimiento celular y división debe haber una
duplicación del código genético. La fidelidad de la copia debe ser muy
alta. Los errores suelen dar mutaciones. En general son perjudiciales. En
raros casos son beneficiosas y dan una ventaja selectiva permitiendo, si
el medio ambiente es adecuado, una selección natural. Esto forma parte
del proceso de evolución
Teoría de Darwin: mutación
selección
evolución
30
La evolución necesita reproducción, variación y presión selectiva
El proceso evolutivo. Hay varios principios básicos comunes a los
sistemas en evolución, tanto si son simples colecciones de
moléculas como poblaciones de organismos en competición.
1- La propiedad fundamental de los sistemas en evolución es su
capacidad para replicarse o reproducirse. Sin su capacidad de
reproducirse, cada “especie molecular” que pueda aparecer está
condenada a su extinción, tan pronto las moléculas individuales se
degraden. Las moléculas capaces de replicarse seguirán
representadas en la población, incluso si el tiempo de vida de cada
molécula individual sigue siendo corto.
2- El segundo principio fundamental de la evolución es la variación.
Los sistemas que se replican deben sufrir cambios. Si un sistema se
replica siempre perfectamente, la molécula replicada será igual a
las moléculas progenitoras y la evolución no podrá tener lugar.
31
3- El tercer principio básico de la evolución es la competición. Las
moléculas que se replican compiten entre sí por los recursos
disponibles, tales como los precursores químicos, y la competición
permite que ocurra el proceso biológico de la evolución por la
selección natural. La variación producirá distintas poblaciones de
moléculas. Algunas de las variantes que surjan pueden estar, por
casualidad, mejor adaptadas que las moléculas progenitoras para
sobrevivir y replicarse en las condiciones predominantes. Las
condiciones predominantes ejercen una presión selectiva que
proporciona una ventaja a una de las variantes. Estas moléculas que
son más capaces de sobrevivir y replicarse, aumentarán en
concentración relativa. Por tanto surgen nuevas moléculas que son
más capaces de replicarse en las condiciones de su entorno. El mismo
principio es válido para los organismos actuales. Los organismos se
reproducen, presentan variaciones entre organismos individuales y
compiten por los recursos; las variantes con ventajas evolutivas se
reproducirán con más éxito.
32
El proceso molecular en células incluye
las replicación de la información genética
(que lleva a la división celular) y la
producción de proteínas a través de los
procesos de transcripción y traducción
33
Fidelidad de la replicación del DNA y fenómeno de mutación
La parte de arriba de la figura muestra un evento de
replicación normal; la parte de debajo de la figura
esquematiza la introducción de una mutación
34
Si la doble hélice de DNA se abre, puede
sintetizarse
una
nueva
cadena
complementaria de cada una de las cadenas
parentales. La replicación del DNA es un
proceso semiconservativo por lo cual cada
una de las dobles hélices nuevas contiene una
cadena nueva y una vieja. La molécula de
DNA que es copiada para formar una
complementaria se llama molde. La nueva
molécula de DNA no está covalentemente
conectada con la vieja cadena de DNA.
35
El precursor de cada nucleótido nuevo
en la cadena de DNA es un nucleótido
5´-trifosfato del cual se eliminan los dos
fosfatos terminales y el fosfato interno
se une covalentemente al OH 3´ libre
de la ribosa de la cadena creciente.
Esta restricción química impone que: la
replicación del DNA siempre ocurre
desde el extremo 5´ al hidroxilo del
extremo 3´, uniéndose el fosfato 5´ de
cada nucleótido nuevo que se
incorpora al hidroxilo 3´ del nucleótido
añadido previamente. Las enzimas que
catalizan la adición de nucleótidos se
denominan DNA polimerasas. Todas
las DNA polimerasas sintetizan el
nuevo DNA en la dirección 5´→3´. No
se conoce ninguna polimerasa que
pueda iniciar una cadena. Todas estas
enzimas pueden únicamente añadir un
nucleótido a un 3´-OH preexistente.
36
Estructura del complejo RNA-DNA que se forma al iniciar la
síntesis del DNA.
Cuando la doble hélice se abre al comienzo de la replicación, primero
actúa una enzima que polimeriza RNA, lo que da como resultado la
síntesis de este RNA iniciador. Una enzima específica que polimeriza
RNA, llamada primasa, participa en la síntesis del iniciador,
sintetizando un fragmento corto de RNA. En el extremo creciente de
este RNA iniciador, existe un grupo 3´-OH al cual la DNA polimerasa
añade el primer desoxirribonucleótido. Por lo tanto, la subsecuente
elongación de la molécula se produce como DNA y no como RNA. De
esta manera la nueva molécula sintetizada tiene una estructura como la
representada en la figura. El iniciador puede ser eventualmente
eliminado.
37
Reproducción de una célula. Para que una célula se reproduzca debe disponer
de un suministro adecuado de energía y de precursores para la síntesis de
nuevas macromoléculas, el material genético debe duplicarse para que durante la
división celular cada célula reciba una copia. Los genes deben expresarse
(mediante los procesos de transcripción y traducción) para formar las cantidades
requeridas de proteínas y macromoléculas necesarias para hacer la nueva célula.
38
Resumiendo
-Una célula no está en equilibrio con su entorno
- Es un sistema abierto que toma energía la cual utiliza en
parte para mantener su propia estructura.
-Si se destruye su estructura, la célula muere.
-La estructura celular es la base de la función celular.
-Las células se autoduplican. Las células reproducen las
células.
-Si la reproducción es correcta se origina una célula viva.
39
El origen de la vida
La composición química promedio de una célula viva es muy
distinta a la de la Tierra. Los elementos clave como por ej C,
H, O, N, P y S son mucho mas abundantes en los
organismos vivos que en la materia no viva como por
ejemplo la corteza de la tierra.
La célula es un sistema químico selectivo compuesto
principalmente de C, H, O, N, P y S, (los elementos
principales de la vida).
Esto enfatiza la naturaleza especial y no al azar de una
célula viviente.
40
Diferencias químicas entre un organismo vivo y la Tierra
41
Según el famoso patólogo celular alemán
Rudolph Virchow: “Omnis cellula e cellula” que
quiere decir:
“Toda célula proviene de una célula”.
La pregunta es entonces ¿De donde proviene la
primera célula?
Se piensa que proviene de una estructura procelular
42
En 1920 Oparin en la Unión Soviética y Haldane en
Inglaterra sugirieron que hubo un período de evolución
química prebiótica antes de la aparición de la primera célula
Acción de la luz UV
Rayos
Calor volcánico
Superficies inorgánicas
(catalizadores)
Concentración por períodos
de congelamiento o ciclos de
desecación
Diversos compuestos
orgánicos.
Polimerización de estos
caldos.
Catalizadores proteicos.
Confinamiento de un
sistema autocatalítico en
una célula rodeada por una
membrana.
Evolución desarrollando
vías biosintéticas.
43
El planeta Tierra tiene aproximadamente 4.500 millones de años. Hay
evidencias fósiles de que organismos que se asemejan morfológicamente
a las bacterias modernas, existieron hace ya 3.500 millones de años. A
partir de resultados de estudios programados y de descubrimientos
accidentales se ha podido construir una vía evolutiva hipotética, pero
plausible, desde el mundo prebiótico hasta el presente. Podemos
imaginar que distintas etapas llevaron a la aparición de las especies
vivas modernas.
1ra etapa. Producción inicial de algunas de las moléculas claves de la
vida (ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono y lípidos) mediante
procesos no biológicos.
2da etapa. Transición de la bioquímica prebiótica a sistemas capaces de
replicarse. Con el paso del tiempo estos sistemas se hicieron cada vez
más complejos, permitiendo la formación de las células vivas.
Bioquímica prebiótica
sistemas capaces de replicarse
célula
44
3ra etapa. Evolucionaron los mecanismos para convertir la energía
de las fuentes químicas y del Sol en formas que pudieran ser
utilizadas para dirigir las reacciones químicas. Estos procesos de
conversión de energía están interconectados con las vías para
sintetizar los componentes de los ácidos nucleicos, las proteínas y
otras sustancias clave, a partir de moléculas más sencillas. Con el
perfeccionamiento de los procesos de transformación de la energía y
de las vías de biosíntesis se desarrollaron una gran variedad de
organismos unicelulares.
4ta etapa. Evolución de los mecanismos que permitían a las células
ajustar su bioquímica a entornos diferentes y, a menudo cambiantes.
Organismos con estas capacidades pudieron formar colonias
compuestas por grupos de células capaces de interaccionar y
algunos finalmente evolucionaron hacia organismos pluricelulares
complejos.
Organismos células capaces de interaccionar organismos complejos
45
Señalamos que la vida apareció aproximadamente 1000 millones de
años después de la formación de la Tierra. Pero antes de que la vida
pudiese existir fue necesario que otro proceso fundamental tuviese
lugar. Esto es, la síntesis de moléculas orgánicas, necesarias para los
sistemas vivos, a partir de moléculas sencillas presentes en el entorno.
Muchos componentes de las macromoléculas bioquímicas se
pueden producir en reacciones prebióticas sencillas.
Entre las distintas teorías que compiten para explicar las condiciones
del mundo prebiótico, ninguna es totalmente satisfactoria o está libre de
interrogantes. Una teoría sostiene que la primera atmósfera de la Tierra
era muy reductora, rica en metano, amoníaco, agua, e hidrógeno y que
esta atmósfera estaba sometida a grandes cantidades de radiación
solar y relámpagos. De momento supondremos que esas condiciones
fueron las de la Tierra prebiótica.
¿Se pueden sintetizar moléculas complejas en esas condiciones?
46
En los años 50, Stanley Miller y Harold Urey elaboraron una
respuesta a esta pregunta. Hicieron saltar una descarga eléctrica,
simulando relámpagos, a través de una mezcla de metano,
amoníaco, agua e hidrógeno. Asombrosamente, estos
experimentos dieron una mezcla de compuestos orgánicos muy
determinada, que incluía aminoácidos y otras sustancias
fundamentales para la bioquímica.
H20 agua
NH3 amoníaco
chispas eléctricas
aminoácidos
CH4 metano
H2
hidrógeno
47
El proceso produce los aminoácidos glicina y alanina con un
rendimiento aproximado del 2% y pequeñas cantidades de
ácido glutámico y leucina.
48
El ácido cianhídrico (HCN), otro componente probable de la
atmósfera primitiva, se condensa al exponerse al calor o a la luz
para producir adenina, una de las cuatro bases de los ácidos
nucleicos. Otras moléculas sencillas se combinan para formar el
resto de las bases. Una gran cantidad de azúcares, incluyendo la
ribosa, se pueden formar a partir del formaldehido en
condiciones prebióticas.
49
¿Cuál fue el origen de la información genética?
¿Cómo se originó el código genético?, es decir la posibilidad de
almacenar información que pueda ser traducida en la formación de
macromoléculas.
Como un sistema primitivo de replicación y expansión de la
información es probable que el RNA fuese la primera macromolécula
portadora de información combinando las funciones de catalizadores y
de moldes (templados) en la misma molécula. Recientemente Cech y
Altman, en forma independiente, descubrieron que ciertas moléculas de
RNA podían ser catalizadores eficientes. A estos RNA catalizadores se
los denominó ribozimas. Las ribozimas cortan su propia cadena en
lugares específicos y pueden aumentar la longitud uniendo los
extremos generados en dichos cortes.
El descubrimiento de las ribozimas ha sugerido la posibilidad de que
las moléculas de RNA catalíticas pudieran haber desempeñado
papeles esenciales en las etapas tempranas de la evolución de la vida.
50
La capacidad catalítica de las moléculas de RNA está relacionada con la
posibilidad de adoptar estructuras específicas y complejas. La ribozima
“cabeza de martillo” identificada por primera vez en un virus de plantas
induce la hidrólisis de moléculas de RNA determinadas en lugares
específicos. La ribozima, que necesita Mg++ y otros iones para que
tenga lugar la hidrólisis, forma un complejo con la molécula de RNA
sustrato, que puede adoptar entonces, una conformación reactiva.
51
Finalmente el almacenamiento de información habría
pasado a ser el DNA (compuesto mas estable y menos
versátil), mediante la transcripción inversa, mientras que
la actividad catalítica habría sido asumida por las enzimas
proteicas (mas flexibles y eficaces).
No existe indicio alguno de cómo podría haber sido el
mecanismo elemental de traducción previo al actual, en el
cual participan mas de 100 componentes.
52
Potencial genético de una célula
¿Cuántos genes tiene una célula?
Escherichia coli tiene aproximadamente 4,6 millones de pares
de bases (4.600 kilobases). Si un gen en promedio tiene 1.1
kb, significa que la célula tiene aproximadamente 4.300
genes, si todo el DNA codificara para proteínas. Pero no todo
el DNA codifica para proteínas. Se estima que E. coli tiene
unos 3000 genes , de los cuales 1000-2000 son expresados
en algún momento particular. Las células eucarióticas pueden
tener muchos mas. Por ej la célula humana tiene 1000 veces
mas DNA que la célula de E. coli y alrededor de 7 veces su
número de genes. La mayor parte del DNA en las células
eucarióticas es no-codificante.
53
¿Cuántas proteínas hay en una célula?
Una
única
célula
de
Escherichia
coli
contiene
aproximadamente 1900 clases de proteínas diferentes y un
total de 2,4 millones de moléculas de proteínas individuales,
algunas de ellas en gran número (mas de 100.000) y otras en
pequeño número (menos de 100). La célula tiene algunos
medios para controlar la expresión (transcripción y traducción)
de sus genes y debido a esto no todos los genes son
expresados en la misma extensión o al mismo tiempo. Tanto
las células procariotas como eucariotas controlan la expresión
de sus genes de modo que no todos ellos se expresan con la
misma frecuencia o al mismo tiempo.
54
Glosario
Cromosoma: elemento genético que lleva genes esenciales para el
funcionamiento de la célula.
Citoplasma: contenido celular que se encuentra dentro de la membrana
citoplasmática, excepto el núcleo (si existe).
Genoma: el conjunto de genes de un organismo.
Nucleoide: masa total del DNA que constituye el cromosoma de las
células procarióticas.
Núcleo: una estructura rodeada por una membrana que contiene los
cromosomas en células eucarióticas.
Plásmido: un elemento genético extracromosómico que no es necesario
para el crecimiento.
Ribosoma: partícula citoplasmática donde se realiza el proceso de la
síntesis de proteínas.
55
Procariota: una célula que carece de un núcleo delimitado
por una membrana nuclear y de otros orgánulos.
Eucariota: una célula con un núcleo delimitado por una
membrana nuclear y que en general presenta otros
orgánulos, como las mitocondrias o los cloroplastos que
contiene su propio DNA (normalmente en disposición
circular, como en Bacteria) y sus propios ribosomas. Los
organismos pertenecen al dominio Eukarya.
Filogenia: relaciones evolutivas entre organismos.
Dominio: el nivel mas elevado de la clasificación biológica
(Bacteria, Archaea y Eukarya)
56
Estructura celular y relación estructura función
Todas las células tienen una barrera llamada membrana citoplasmática
o celular que separa el interior del exterior de la célula. En el interior se
encuentra el citoplasma, donde se llevan a cabo las funciones de la
célula. Los principales componentes del citoplasma son: agua,
macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos), ribosomas, pequeñas
moléculas orgánicas precursores de macromoléculas y varios iones
inorgánicos. En los ribosomas se sintetizan las proteínas. Están
compuestos por ácido ribonucleico (RNA) y proteínas que interaccionan
con proteínas solubles y con el RNA mensajero. La pared celular se
encuentra en el exterior, rodeando la membrana plasmática, es
relativamente permeable y otorga rigidez estructural a las células. Los
vegetales y la mayoría de los MOs poseen pared, la mayoría de las células
animales carecen de ella pero tiene un citoesqueleto.
57
Células eucariotas y procariotas
Se pueden distinguir por un análisis detallado de la
estructura celular interna. Las células eucarióticas son
generalmente mas grandes y estructuralmente mas
complejas que las procarióticas presentando estructuras
limitadas por membranas llamadas orgánulos. Los
orgánulos comprenden el núcleo, las mitocondrias y los
cloroplastos (presentes solo en las células fotosintéticas).
Las mitocondrias y los cloroplastos desempeñan funciones
específicas en la generación de energía, llevando a cabo la
respiración y la fotosíntesis, respectivamente.
Los microorganismos eucarióticos comprenden las algas, los
hongos y los protozoos. Todos los metazoos (animales y
plantas) están formados por células eucarióticas.
58
Estructura interna de las células microbianas
a) Diagrama de un procariota
b) Diagrama de un eucariota
59
60
Maiting: apareamiento
61
Organización del DNA. Núcleo versus Nucleoide. Los
genomas presentan una organización diferente en células
procariotas y en células eucariotas. En procariotas, el DNA se
encuentra como una molécula larga de dos cadenas
formando el cromosoma bacteriano que se condensa para dar
una masa visible llamada nucleoide. En la mayoría de los
procariotas el DNA es circular, y en general, poseen un
cromosoma único que contiene una sola copia de cada gen,
por lo cual son genéticamente haploides. Pueden tener
también pequeñas cantidades de DNA extracromosómico,
llamados plásmidos que les confieren propiedades
particulares no esenciales y en general requeridas para la
supervivencia.
62
En eucariotas, el DNA se encuentra dentro del núcleo
organizado en cromosomas. El número de cromosomas
depende del organismo y a diferencia de los procariotas
contienen dos copias de cada gen, por lo tanto son diploides.
Saccharomices cerevisiae tiene 8 pares de cromosomas,
células humanas tiene 23 pares de cromosomas
Los cromosomas contienen, además de DNA, proteínas que
favorecen el plegamiento y el empaquetamiento del DNA, así
como proteínas necesarias para la expresión génica.
Durante la división celular el núcleo se divide (luego de
duplicarse el número de cromosomas) mediante el proceso
de mitosis originándose 2 células hijas idénticas.
63
Empaquetamiento de DNA alrededor de un núcleo de
histonas para formar un nucleosoma.
Los
nucleosomas
se
ordenan a lo largo de la
cadena
del
DNA
asemejando bolas en una
cuerda. Esta conformación
es típica del DNA en las
células eucarióticas.
Histonas centrales
64
Características que diferencian a procarióticas de los eucarióticas
-Cromosoma circular único (nucleoide), en lugar de un núcleo con
múltiples cromosomas.
-Ausencia de membrana nuclear y aparato mitótico.
-Ausencia de histonas verdaderas, nucleosomas.
-Ausencia de intrones en los genes que codifican proteínas y escasa
presencia de los mismos en los que codifican tRNA.
-La transcripción se acopla con la traducción. El extremo del mRNA no
está poliadenilado (excepto en arqueobacteria)
-mRNA generalmente poligénico.
-El ribosoma es 70S en lugar de 80S; ligeras diferencias de forma,
longitud de moléculas de rRNA y número de moléculas proteicas.
-Pared celular con compuestos exclusivos (por ejemplo: ácido.
Murámico, D-aminoácidos, frecuentemente ácido diaminopimélico,..).
65
-Ausencia de esteroides y fosfatidilcolina en la membrana.
-Ausencia de vesículas endocíticas.
-Ausencia de retículo endoplásmico (aunque algunas bacterias
autotróficas pueden presentar algunas invaginaciones de la membrana
citoplasmática).
-Ausencia de mitocondrias y otros orgánulos limitados por membranas
(con algunas excepciones).
-Ausencia de triglicéridos (en algunos grupos el carbono se almacena en
forma de ácido poli-beta-hidroxibutírico
-Movimiento por rotación de flagelos
-Características metabólicas exclusivas: fijación de nitrógeno, respiración
anaeróbica (con aceptores de electrones distintos al oxígeno),
fotosíntesis sin producción de oxígeno.
66
Por muchos años se pensó que los organismos procarióticos carecían
de un citoesqueleto que le permitiera tener un nivel de organización
citoplasmática similar a los organismos eucarioticos. Recientemente
se han identificado los tres elementos del citoesqueleto de eucariotes
(microfilamentos, filamentos intermedios y microtubulos) en Bacteria y
uno de ellos en Archaea. Los elementos del citoesqueleto de Bacteria
son similares estructuralmente a su contraparte en eucariotas y tienen
funciones similares: los mismos participan en la división celular,
localizan proteínas en ciertos sitios de la célula y determinan la forma
de la misma.
67
MreB (la contraparte en células
eucarióticas es la actina). Se
observa en muchas bacterias en
forma de bastón. En Bacillus
subtilis es llamada Mbl. MreB
forma filamentos en espiral
alrededor del interior de la célula
determinando la forma de la
misma y ayuda a mover
cromosomas a polos opuestos
de la misma.
68
Mb corresponde a megapares de bases. Todos los genomas procarióticos indicados han sido
secuenciados. Todos los organismos del listado son unicelulares
69
a) Micrografía de células de bacterias
b) Sección longitudinal de una célula bacteriana vista con
microscopio electrónico.
c) Interpretación artística en 3 dimensiones de una bacteria
Gram negativa.
70
Micrografía electrónica de una sección de una célula del
dominio Bacteria.
Helicobacterium modesticaldum
La célula mide 1x3 μm. El área
clara representa el nucleoide,
región de la célula que contiene
el DNA. Corte longitudinal.
71
72
Micrografía electrónica de una célula de Saccharomyces
cerevisiae (Dominio Eukarya). La célula mide 8 μm de
diámetro
Núcleo
Membrana
citoplasmática
Pared celular
Membrana interna
Mitocondria
73
Estructura interna de células microbianas
Pared celular
a
citoplasma
b
Mitocondria
c
d
Nucleolo
Procariote a) diagrama y b) microscopía electrónica
Núcleo
Eucariote c) diagrama y d) microscopía electrónica
74
Los virus
-no son células
-No son sistemas abiertos dinámicos
-Son estructuras estáticas y muy estables
-Incapaz de cambiar o reponer estructuras
por si mismos
-Necesitan de la maquinaria de la célula
para replicarse y para sintetizar sus
proteínas
-No tienen metabolismo propio
-No tienen aparato de traducción
-Son mucho más pequeños que las células
75
Tamaño de los virus y estructura
a) Partículas de adenovirus (tamaño 100 nm de diámetro)
b) Tamaño de una partícula de virus y comparación con bacterias y
células animales
76
Clasificación de los organismos:
-Se clasificaron primero como animales o plantas pero luego
aparecieron los microorganismos.
-Se descubrió luego que todos los organismos vivos se podían dividir en
dos tipos celulares distintos (procariotes y eucariotes) con base en
diferencias fundamentales en la estructura celular.
Todos los animales y plantas son eucariotes, como lo son tres grupos
importantes de microorganismos: algas, hongos y protozoos.
77
Relación evolutiva entre organismos
Relación estructural no necesariamente
implica relación evolutiva. Hoy en día se
utiliza un método que compara la estructura
del RNA ribosomal como una medida de las
relaciones filogenéticas o evolutivas. De estos
estudios surgen tres linages celulares
evolutivamente distintos, dos de los cuales
son procariotes en estructura y uno es
eucariote. A estos grupos se les dio el
nombre de Bacteria, Archaea y Eukarya.
Todos estos grupos se piensa que vienen de
un ancestro común o “ancestro universal”.
78
Los procariotas comprenden las Bacteria y las Archaea.
Bacteria y Archaea comparten estructura celular, pero se
diferencian mucho por su historia evolutiva o filogenia.
Por estudios de evolución molecular en procariotas,
específicamente las relaciones filogenéticas deducidas luego
de comparar las secuencias de macromoléculas esenciales,
en especial los RNAs ribosómicos, se llegó a la conclusión
que Archaea y Bacteria no están relacionadas
evolutivamente. Mas aún, las especies de Archaea están más
relacionadas con los eucariotas que con las especies del
dominio Bacteria. Este hecho ha sido ratificado por estudios
comparativos realizados con otras macromoléculas de
especies de los tres dominios. Por lo tanto, la diversificación
evolutiva, a partir del ancestro común fue en dos direcciones,
hacia Bacteria y hacia otra cosa que finalmente se diversificó
dando origen a los dominios Archaea y Eukarya.
79
Árbol filogenético de la vida construido a partir de la comparación de las
secuencias del RNA ribosómico. El árbol está formado por tres dominios
de organismos: Bacteria y Archaea, que presentas células procarióticas, y
Eukarya (células eucarióticas). El grupo en rosa son macroorganismos, el
resto de los organismos son microorganismos. Como todas las células de
los animales y plantas son eucarióticas, se deduce que los
microorganismos eucarióticos fueron los precursores de los organismos
pluricelulares.
80
Secuenciación del gen de RNA ribosómico y filogenia
a) Se rompen la células; b) se aisla el gen que codifica el RNA ribosómico y
se amplifica el número de copias por la técnica de PCR (reacción en cadena
de la polimerasa); c) el gen es secuenciado; d) las secuencias obtenidas se
alinean por computadora; Un programa informático realiza comparaciones
por pares y genera un árbol (e) que refleja las diferencias en la secuencia del
RNA ribosómico del organismo analizado. Si en el análisis se usa una
muestra natural, los genes del RNA ribosómico aislados de los diferentes
organismos de una muestra deben ser clonados antes de ser amplificados y
secuenciados.
81
Micrografías electrónicas de secciones de células pertenecientes
a cada uno de los tres dominios de organismos: a) Bacteria, b)
Archaea y c) Eukarya.
82
estructura
Los organismos se definen por estudios de
composición genética
comportamiento
Los microbiólogos usan el sistema de nomenclatura binomial
desarrollado por Linneo para plantas y animales.
Serie de organismos relacionados se le da un nombre o “género” dentro
de este género se separan las distintas “especies” u organismos de
diferente tipo. Por ej. Escherichia coli, Brucella abortus, Brucella
melitensis, Brucella suis, Agrobacterium tumefaciens, Agrobacterium
rhizogenes, Bacillus anthracis, Bacillus subtilis, Sinorhizobium meliloti,
etc. En general, los nombres derivan del latín o griego latinizado que
describen alguna propiedad típica de la especie y se escriben en letras
itálicas o cursivas. Por ej. Se han descripto más de 100 especies
diferentes del género Bacillus, tales como Bacillus (B.) subtilis, B.
cereus y B. tearothermophilus. Estos nombres específicos significan
“fino”, “ceroso” y “amante del calor”. En general describen las
características morfológicas, fisiológicas o ecológicas importantes de c/u
83
Los microorganismos y sus ambientes naturales
Población: grupo de células relacionadas.
Hábitat: ambiente natural en el que vive una población.
Ecología: estudio de los organismos en sus ambientes naturales.
Comunidades: conjuntos de poblaciones que viven juntas en un mismo
hábitat.
Ecosistema: es el conjunto de los organismos y de los componentes
físicos y químicos del medio.
Interacciones entre poblaciones
beneficiosas
perjudiciales
Los MOs también interaccionan con el medio ambiente de su hábitat y
pueden modificarlo.
La comunidad en un hábitat determinado está definida en gran parte por
las características físicas y químicas de ese medio. Estas características
pueden cambiar con el tiempo debido al metabolismo propio de los
organismos. Los MOs son parte importante de los ecosistemas.
84
Con el tiempo un ecosistema microbiano puede cambiar
gradualmente, tanto desde el punto de vista físico como
químico. El oxígeno es un buen ejemplo. El O2 es un
nutriente vital para algunos MOs mientras que es venenoso
para otros. La actividad de MOs aeróbicos al consumir en
algunos casos el oxígeno puede cambiar el hábitat a
condiciones anóxicas y permitir de este modo el desarrollo
de otros organismos anaeróbicos que no lo podían hacer en
un primer momento.
85
Ejemplos de comunidades microbianas
a) Micrografía de una comunidad bacteriana
que se
desarrolla en las profundidades de un lago pequeño. Se
muestran células de varios tamaños.
b) Comunidad microbiana en una muestra de sedimentos
de aguas residuales. La muestra se tiñó con una serie de
colorantes, cada uno de ellos tiñe un grupo bacteriano
diferente.
86
La importancia de la vida microbiana
-Número total de células microbianas en la
(procariotas) es aproximadamente 5x1030 células.
Tierra
-Cantidad total de C presente aproximadamente igual al de
todas las plantas de la tierra (biomasa).
Contenido de N y P, 10 veces mayor que la de toda la
biomasa vegetal.
Implica que las células procarióticas constituyen la mayor
porción de biomasa sobre la Tierra y son la reserva de
nutrientes esenciales para la vida.
La mayor parte de las células procarióticas se encuentra bajo
la superficie en los ambientes oceánicos y terrestres.
87
El impacto de los microorganismo sobre el hombre
Hay que conocer como trabajan los MOs para diseñar
metodologías tendientes a aumentar los beneficios y disminuir
los efectos perjudiciales .
Aunque muchos sólo consideran a los MOs en el contexto de
las enfermedades infecciosas, en realidad sólo unos cuantos
causan enfermedades. Los MOs afectan muchos aspectos de
nuestras vidas, además de ser los agentes etiológicos de
enfermedades.
Microorganismos y agricultura. Nuestros sistemas de
agricultura dependen en general de las actividades
microbianas como es el caso de las leguminosas que
viven en estrecha asociación con bacterias específicas que
forman estructuras llamadas nódulos en sus raíces donde
fijan el N2 atmosférico el cual es utilizado por las plantas para
crecer.
88
Los microorganismos (MOs) son también esenciales en el
proceso digestivo de los rumiantes, como las vacas y las
ovejas. En el órgano especial llamado rumen las bacterias
realizan el proceso digestivo.
Los MOs desempeñan funciones críticas en el reciclado de
elementos importantes para la nutrición vegetal, en
particular del carbono, nitrógeno y azufre. En el suelo y el
agua los MOs convierten estos elementos en formas
asimilables por las plantas.
Los MOs también son causantes de enfermedades en
plantas y en animales.
89
Microorganismos y alimentación
Los productos agrícolas o los animales deben llegar a los
consumidores con calidad sanitaria, de allí la importancia de
los MOs en la industria alimentaria. El deterioro de
alimentos por la actividad de los MOs ocasiona enormes
pérdidas económicas. Las industrias de enlatado,
congelado y desecado de alimentos tiene por finalidad
evitar esto. También es importante las enfermedades que
pueden ser transmitidas a través de los alimentos.
Algunos alimentos requieren para su preparación la
actividad de determinados MOs. Este es el caso de los
productos lácteos que se manufacturan, como el queso, el
yogurt o la manteca. Los alimentos de panadería se
elaboran usando levaduras al igual que algunas bebidas
alcohólicas.
90
Microorganismos, energía y medio ambiente
Los MOs desempeñan funciones clave en lo que respecta a
la energía. La mayor parte del gas natural (metano) es un
producto bacteriano, derivado de las actividades de las
bacterias metanogénicas. Los MOs fotótrofos pueden utilizar
la luz como fuente de energía para la formación de biomasa,
es decir la energía acumulada en forma de organismos vivos.
La biomasa microbiana y los desechos, como la basura
doméstica, los excedentes de cosechas y los residuos
animales, se pueden convertir en “biocombustibles”, como el
metano y el etanol, por las actividades degradativas de los
MOs. Los MOs también pueden ayudar para eliminar la
polución originada por las actividades humanas, un proceso
que se denomina biorremediación. Este área está en pleno
desarrollo en la actualidad.
91
Los microorganismos y el futuro
El uso de MOs genéticamente modificados para poder
sintetizar productos específicos de alto valor comercial dio
origen a la Biotecnología. La biotecnología depende en
gran medida de la ingeniería genética, una disciplina que
trata de la manipulación artificial de genes y de sus
productos. También se pueden hacer genes completamente
artificiales. Una vez que se tiene el gen por síntesis o por
selección a partir de una fuente natural, el mismo se puede
insertar en un MO y se puede expresar allí originando el
producto génico deseado. Este es el caso de la insulina
humana, hormona que se encuentra en cantidades
anormalmente bajas en sujetos con diabetes. Esta hormona
se prepara hoy en día a partir del gen de la insulina humana
expresado en un MO.
92
Influencia de los microorganismos en las actividades humanas
93
94
Los microorganismos como agentes etiológicos de
enfermedades
Se estudió la frecuencia de las diez causas de muerte mas
usuales en USA en el año 1900 y en el año 2000 (Datos del
Centro Nacional de Estadísticas de la salud de USA ). En el
año 1900 las enfermedades infecciosas eran las principales
causas de muerte en USA. Hoy en día son las minoritarias.
Sin embargo los MOs pueden ser aún un riesgo importante
para la supervivencia por ej. en pacientes inmunodeprimidos
o con SIDA. Aún hoy las enfermedades microbianas
constituyen la principal causa de muerte en los países
subdesarrollados. La viruela se erradicó, pero aún continua
la malaria, tuberculosis, cólera, enfermedad del sueño,
síndromes diarreicos severos, etc.).
Viruela. Virus; malaria. Plasmodium (parasito); tuberculosis. Mycobacterium
tuberculosis (bacteria); colera. Vibrio cholerae (bacteria); enfermedad del sueño.
Trypanosoma brucei (protozooario).
95
Frecuencia de las 10 causas mas importantes de muertes en los EEUU
96
Conocimiento de los procesos de
infección
Control de
Mejora de las prácticas sanitarias
enfermedades
Infecciosas
Descubrimiento y uso de nuevos
agentes antimicrobianos
97
FIN
1ra Parte
98
Raíces históricas de la Microbiología
Se sospechaba que había criaturas demasiado pequeñas
para ser percibidas a simple vista. El desarrollo del
microscopio permitió verlas.
-1664 Robert Hooke describió los cuerpos fructíferos de
mohos.
-1684 Antonie van Leeuwenhoek diseñó un microscopio de
lente simple y fue capaz de ver microorganismos tan
pequeños como los procariotas. Lo comunicó en la Royal
Society of London.
En las figuras siguientes se muestran el microscopio utilizado
por Robert Hooke, el microscopio diseñado por Leeuwenhoek
y dibujos de algunos organismos observados por ambos.
99
Fotografía de una copia del microscopio de Leeuwenhoek
100
Replica en bronce del microscopio de Leeuwenhoek. Se muestra también como se
sostiene el mismo.
101
Dibujos de van
Leeuwenhoek de
bacterias publicados
en 1684 a las que
llamó “animálculos”.
podemos reconocer
varios tipos
morfológicos de
bacterias comunes. A,
C, F y G formas
bacilares; E formas
esféricas o cocos; H
grupos de cocos.
102
103
Dibujo que representa un moho azul
creciendo sobre la superficie de un
trozo de cuero.
Microscopio utilizado por
Robert Hooke
104
Recién en el siglo XIX se contó con una amplia distribución de
microscopios mejorados.
La microbiología como ciencia se desarrolló a fines del siglo
XIX con el desarrollo del microscopio y de técnicas básicas de
laboratorio para el estudio de microorganismos.
-Microscopios mejorados
-Distintas técnicas de tinción de microorganismos
-Esterilización
-Cultivos de enriquecimiento o cultivos selectivos
-Medios sólidos con gel o agar
-Cajas de Petri
-Tapones de algodón
105
Preguntas básicas que se debían contestar
1) ¿Se da la generación espontánea? Es decir los
organismos vivos se pueden generar de materia
inorgánica.
2) Se sabía que las enfermedades infecciosas se
transmitían de un individuo a otro, pero no se conocían
los mecanismos de esa transmisión.
Las preguntas fueron contestadas por el químico francés
Louis Pasteur (1822-1895) y por el fundador de la
microbiología médica Robert Koch (1843-1910)
respectivamente.
106
El botánico Ferdinand Cohn (1828-1898) fundó la
bacteriología (el estudio de las bacterias). Descubrió las
endosporas estudiando el género Bacillus.
Cohn describió el ciclo de vida completo de Bacillus
célula vegetativa
endospora
célula vegetativa
Descubrió que por ebullición solo morían las células
vegetativas. Cohn aportó las bases experimentales para un
esquema de clasificación de bacterias y fundó una revista
científica importante. Ideó métodos simples para evitar la
contaminación de medios de cultivo estériles, como el uso de
matraces y algodón para cerrar los tubos. Estos métodos
fueron utilizados posteriormente por Koch permitiéndole aislar
y caracterizar varias bacterias causantes de enfermedades.
107
Pasteur y el fin de la generación espontánea
Comida fresca
A
se deja a la
la comida
de donde vienen
intemperie
se pudre
los MOs
B
Observación microscópica
En A no se observan MOs
En B se observan MOs
Se originan espontáneamente
Sustancia inanimada
2 hipótesis
célula viva
Provienen de semillas o gérmenes que entran
a los alimentos provenientes del aire
(hipótesis apoyada por Pasteur)
108
Pasteur demostró primero que existen en el aire estructuras
muy similares a las encontradas en las sustancias putrefactas.
Concluyó que los microorganismos se originan a partir de MOs
presentes en el aire. Postuló que dichas células en suspensión
se depositaban constantemente sobre todos los objetos. Si
esto era correcto, entonces no debería estropearse un
alimento tratado de tal modo que todos los organismos que lo
contaminaran fueran destruidos. Pasteur empleó calor para
eliminar los contaminantes.
Tomó un matraz de vidrio con los nutrientes, lo selló, lo calentó
a ebullición y observó que nunca se descomponía el medio de
cultivo. Los defensores de la generación espontánea criticaron
el experimento argumentando que hacía falta aire fresco y que
el aire caliente se modificaba. Pasteur entonces modificó el
experimento utilizando un matraz de vidrio de cuello de cisne.
109
Experimento de Pasteur con matraces de cuello de
cisne
Esterilización del contenido del matraz.
110
Si el matraz se mantiene en posición vertical no hay
crecimiento microbiano
111
Si los microorganismos atrapados en el cuello alcanzan el
líquido estéril, crecen rápidamente.
Los principios de Pasteur se utilizaron en el envasado y
conservación de alimentos.
Pasteur desarrolló vacunas para enfermedades como
el carbunco, el cólera aviar y la rabia (1880-1890).
Carbunco (Antrax), Bacillus anthracis; colera aviar, bacilo; rabia, virus).
112
Koch y la teoría microbiana de las enfermedades
infecciosas.
Siglo XIX
Se pensaba que una persona enferma A → transmitía “algo”
“contagio”
→persona sana B → persona B enferma.
Se sospechaba que los MOs podrían ser los responsables
de enfermedades, pero faltaban las pruebas definitivas.
MOs →
¿causa o efecto de las enfermedades?
113
La teoría microbiana de las enfermedades infecciosas fue
probada por el médico Robert Koch (1843-1910).
Koch estudió el carbunco, enfermedad causada por la
bacteria Bacillus anthracis formadora de endoesporas.
Sus estudios dieron origen a los postulados de Koch que
demostraron que un tipo concreto de MO es el agente
etiológico de una enfermedad específica.
Por estudios cuidadosos de microscopía demostró que:
1- La bacteria B. anthracis estaba presente en la sangre de
todos los animales enfermos y no así en los sanos, pero la
mera asociación de la bacteria con la enfermedad no
demostraba que la bacteria fuera la causa de la enfermedad,
por el contrario, podría ser un efecto de la enfermedad.
114
Koch demostró que la enfermedad podía ser transmitida de un animal
enfermo a uno sano inyectando una pequeña cantidad de sangre. Esto lo
podía repetir en otro ratón y así sucesivamente. En todos los casos podía
demostrar por microscopía en muestras de sangre de los animales
enfermos la presencia de las bacterias formadoras de esporas
características.
Koch pudo además cultivar el MO fuera del animal en caldos nutritivos e
incluso luego de numerosas resiembras o transferencias de cultivo, la
bacteria podía causar aún la enfermedad cuando se reinoculaba a un
animal. Es decir, la bacteria procedente de un animal enfermo y la
mantenida en cultivo inducían los mismos síntomas de enfermedad tras
su inoculación.
Basándose en éste y en otros experimentos, Koch formuló los siguientes
criterios, conocidos en la actualidad como postulados de Koch para
demostrar que un tipo concreto de MO es el agente etiológico de una
enfermedad.
115
Postulados de Koch
1- El organismo debe estar siempre en los animales que
sufren la enfermedad y no en individuos sanos.
2- El organismo debe cultivarse en cultivo axénico o puro
fuera del cuerpo del animal.
3- Cuando dicho MO se inocula a un animal susceptible, debe
iniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad.
4- El organismo debe aislarse nuevamente de estos animales
experimentales y cultivarse nuevamente en el laboratorio, tras
lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el MO
original.
Los postulados se resumen en la siguiente figura. Usando
estos postulados como guía otros investigadores revelaron la
causa de muchas enfermedades importantes para el hombre
y para los animales.
116
117
Medios sólidos, la placa de Petri y los cultivos puros
Koch fue el primero que cultivó bacterias en medios de cultivo
sólidos. Empleó gelatina como agente solidificante de diversos
caldos nutritivos que usaba para cultivar bacterias patógenas.
Fue reemplazado mas tarde por el agar (polisacárido derivado
de algas rojas) que es mas versátil y permite utilizar
temperaturas mas elevadas de incubación. El primer uso del
agar como agente solidificante se debe a Walter Hesse. La
técnica utilizando agar fue adoptada por Koch para sus
estudios clásicos sobre el aislamiento de la bacteria
Mycobacterium tuberculosis, agente etiológico de la
tuberculosis.
En 1887 Richard Petri publicó un trabajo corto describiendo
una modificación de las técnicas de láminas horizontales de
Koch. La mejora de Petri resultó ser enormemente útil.
118
Las ventajas de las cajas de Petri:
-Fácilmente almacenadas y esterilizadas independientemente
del medio.
- Luego de añadir el medio fundido a la mas pequeña de las
dos tapaderas circulares, la de mayor tamaño podía usarse
como tapa para evitar contaminaciones.
-Las colonias que se formaban en la superficie del agar
quedaban expuestas al aire y podían ser fácilmente
manipuladas para su estudio.
Las cajas de Petri ya sea de vidrio o de plástico son utilizadas
en la actualidad y constituyen una de las principales
herramientas en los laboratorios de microbiología, junto con
los microscopios, las técnicas de tinción, los medios de
enriquecimiento, los tapones de algodón, los cultivos
axénicos, etc.
119
A
B
Transferencia aséptica (A) y Método para hacer una extensión en placa
para obtener cultivos axénicos o puros (B). Colonias de Micrococcus
luteus cultivadas en placas de agar sangre.
120
121
122
Variaciones en la morfologia de una colonia vista a simple vista
123
Koch observó que sobre el medio sólido expuesto a
contaminantes se desarrollaban colonias con formas
diferentes (diferían en color, forma, tamaño u otros
caracteres) y que tales colonias se podían perpetuar y
diferenciar entre sí por sus características particulares. Las
células de diferentes colonias diferían microscópicamente y
a menudo también en sus temperaturas óptimas de
crecimiento o en sus requerimientos nutricionales. Koch
señaló que “toda bacteria que mantenga las
características que la diferencian de otras, cuando se
cultivan en el mismo medio y bajo las mismas
condiciones, debería ser designada como especie,
variedad, forma o cualquier otra designación
adecuada”. Los trabajos de Koch permitieron que la
microbiología fuera aceptada como una ciencia biológica
independiente.
124
Koch y la tuberculosis. El mayor logro de Koch en la
bacteriología médica está relacionado con la tuberculosis.
Para aislar el agente causante de la enfermedad Koch
empleó todos los métodos que se habían desarrollado
previamente: microscopía, tinción de tejidos, aislamiento en
cultivo puro e inoculación en animales. Diseñó un método de
tinción en muestras de tejido usando azul de metileno
alcalino y un segundo colorante (marrón de Bismark) que
teñía solo el tejido. El método de Koch fue el precursor del
método de Ziehl-Nielsen usado hoy para teñir bacterias
ácido-alcohol
resistentes
como
el
Mycobacterium
tuberculosis. Para la obtención de cultivos de M. tuberculosis
se utilizó suero de sangre coagulada. Koch pudo obtener
cultivos de este MO a partir de diversas fuentes de origen
humano y de animales. Con el MO aislado pudo demostrar
que era el causante de la tuberculosis. Koch recibió el Premio
Nobel de fisiología y medicina en 1905.
125
Dibujos de Koch de células de
Mycobacterium tuberculosis
a) Sección transversal de un tubérculo en
tejido pulmonar. Las células de
Mycobacterium tuberculosis se tiñen en
azul mientras que las del tejido
pulmonar se tiñen en marrón.
b) Células de M. tuberculosis en esputo de
paciente tuberculoso
c) Crecimiento en cultivo puro de M.
tuberculosis en placa de vidrio con
suero sanguíneo coagulado.
d) Se tomó una colonia de la placa anterior
y se observó al microscopio a 700
aumentos.
Las
células
aparecen
formando largas “cuerdas”.
a
b
c
d
126
Fotografía coloreada a mano de colonias formadas sobre agar, realizada
por Walter Hesse, colaborador de Robert Koch. Las colonias
corresponden a hongos (mohos) y bacterias que se obtuvieron en
estudios iniciados por Hessen sobre el contenido microbiológico del aire
de Berlín, Alemania en 1882.
127
128
129
Diversidad microbiana
El holandés Martinus Beijerinck y el ruso Sergei
Winogradsky fueron microbiólogos pioneros en el estudio de
las bacterias del suelo y del agua y se destacaron por sus
importantes contribuciones al conocimiento de la diversidad
microbiana.
Beijerinck: formulación de cultivos de enriquecimiento o
cultivos selectivos para aislar microorganismos específicos
relacionados fisiológicamente a partir de muestras naturales.
Beijerinck aisló los primeros cultivos puros de muchos
MOs del suelo y del agua (bacterias aerobias fijadoras de
N2 como el Azotobacter, reductoras del SO4=, oxidantes del
azufre, bacterias fijadoras de N2 en los nódulos radiculares,
especies de Lactobacillus, algas verdes, etc).
130
Dibujo realizado por la hermana de Beijerinck mostrando células de
Azotobacter chroococcum, bacteria aerobia fijadora de N2. Este
dibujo era usado para dar clases en una época en que no existían
transparencias, diapositivas y cañones de proyección con computadora
Azotobacter vinelandii: a) células
vegetativas b) cistos
131
Beijerinck describió los principios básicos de la virología.
En sus estudios sobre la enfermedad del mosaico en el
tabaco puso de manifiesto, mediante el uso de técnicas de
filtración selectiva, que el agente infeccioso (un virus) no era
una bacteria y que se incorporaba a las células de la planta y
necesitaba que ésta estuviera viva para reproducirse.
Winogradsky logró aislar por primera vez varias bacterias
importantes del suelo, en particular las implicadas en los
ciclos del nitrógeno y del azufre, por ej. Las bacterias
nitrificantes (oxidación de NH3 a NO3-), bacterias oxidantes
del azufre. Postuló el concepto de quimiolitotrofía, es decir,
la oxidación de compuestos inorgánicos acoplada a la
liberación de energía utilizable. Demostró que las bacterias
nitrificantes obtenían su carbono del CO2 del aire, es decir
que eran autótrofos.
132
Dibujos coloreados a mano de células de bacterias fotosintéticas rojas
del azufre incluidas en la monografía Microbiology du Sol, de Sergei
Winogradsky.
Se muestran células del género Chromatium, como C. kenii (Fig. 3 y 4)
y de C. vinosum (Fig 5-8).
Micrografía de campo claro de
bacterias
rojas
del
azufre
Chromatium okenii
133
FIN
2da Parte
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
FIN
144
Subdisciplinas más importantes de la microbiología.
Microbiología médica e inmunología
Microbiología agrícola
Citología
Microbiología industrial
Bioquímica microbiana
Microbiología acuática
Genética bacteriana
Ecología microbiana
Biología molecular
Sistemática bacteriana
Bacteriólogos (virus)
Fisiología bacteriana
Biotecnología
145
Desarrollo de las subdisciplinas más importantes de la
microbiología.
Desarrollo rápido de la microbiología → Básica y aplicada
1- Trabajos de Koch → expansión de la microbiología médica
y de la inmunología (en la primera parte del siglo)
-Descubrimiento de muchas bacterias patógenas nuevas.
-Establecimiento de los principios por los cuales estos
patógenos infectan el cuerpo y se hacen resistentes a sus
defensas.
2-Avances prácticos en el campo de la microbiología agrícola
-Impulsores fueron Beijerinck y Winogradsky
-Comprensión de los procesos microbianos en el suelo. Son
beneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas.
146
3- Se abrió el uso de los MOs para la obtención de
productos industriales (síntesis de antibióticos, etc) y dio
origen a la microbiología industrial luego de la segunda
guerra mundial.
4- Microbiología acuática. Tratamiento de aguas residuales,
suministro de agua potable para uso humano.
5- Ecología microbiana. Biodiversidad, actividades de los
MOs en su hábitat.
Los conocimientos de los principios básicos de la función
microbiana permitió descubrir y clasificar muchas clase de
MOs nuevos dando origen a la extensión de la
6-Sistemática bacteriana.
147
7- Fisiología microbiana. Estudio de los nutrientes que
requieren los MOs y productos que se originan.
8- Citología. Conocimiento de la estructura física y química de
los MOs.
9- Bioquímica. Metabolismo , enzimas y reacciones que llevan
a cabo los MOs.
10- Genética bacteriana. Herencia, variación genética,
intercambio genético. Conocimiento del DNA, RNA, síntesis de
proteínas.
11- Bacteriófagos. Estudio de los virus. Analogía con la
transferencia genética.
12- Biotecnología
13- Análisis genómico. Relaciones evolutivas.
14- Microbiología industrial.
148
FIN
149
Opciones metabólicas para la obtención de energía
150
Diversidad fisiológica de los microorganismos
Energía y carbono
Todas las células requieren energía, la cual se puede obtener
de tres modos: a partir de compuestos orgánicos, a partir de
compuestos inorgánicos o a partir de la luz.
La oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos produce
adenosina
trifosfato
(ATP)
en
los
organismos
quimiotróficos, mientras que la conversión de energía solar
en energía química (también en forma de ATP) se produce
por los organismos fototróficos. Los MOs aerobios son los
que pueden obtener energía del compuesto en presencia de
oxígeno. Otros obtienen energía en ausencia de oxígeno
(anaerobios). Otros utilizan los compuestos orgánicos tanto
en presencia como en ausencia de oxígeno.
151
Los organismos que obtienen energía a partir de compuestos
orgánicos se los llama quimioorganotrofos y los que lo
hacen a partir de compuestos inorgánicos se llaman
quimiolitotrofos y al metabolismo empleado quimiolitotrofía.
Este tipo de metabolismo energético se encuentra solo en
procariotas y está ampliamente distribuido tanto en especies
de Bacteria como de Archaea. El rango de compuestos
inorgánicos que se pueden utilizar es amplio, sin embargo un
determinado procariota suele especializarse en la utilización
de uno o de un grupo de compuestos inorgánicos
relacionados. Esta cualidad le da la ventaja de no competir
con los organismos quimioorganotrófos y poder utilizar
además productos de desecho de estos últimos como el H2 y
el H2S. Los MOs fototróficos contienen pigmentos
fuertemente coloreados que les permiten usar la luz como
fuente de energía.
152
No existe competencia de los organismos fototróficos con
los quimiotrófos por la energía luminosa.
Fuente de carbono
Todas las células requieren carbono como nutriente
principal. Las células microbianas son heterotróficas si
requieren uno o más compuestos orgánicos como fuente
de carbono, o autótrofas si la fuente de carbono es el CO2.
Los quimioorganotrofos son también heterótrofos. Por el
contrario, muchos quimiolitotrofos y prácticamente todos
los fotótrofos son autótrofos. Los autótrofos se denominan
también productores primarios porque sintetizan materia
orgánica a partir de CO2, tanto para su propio beneficio
como para el de los quimioorganototrofos. Estos últimos se
alimentan directamente de los productores primarios o
viven a expensas de los productos que ellos excretan.
153
Resumen:
Todas las células necesitan fuentes de energía y de carbono.
Organismo
Fuente de energía
fotótrofo
Luz
quimiolitótrofo
Compuestos
inorgánicos
quimioorganotrofo Compuestos
orgánicos
154
Organismo
Fuente de carbono
fotótrofo
Prácticamente todos
utilizan CO2 como fuente
de C, (autótrofos).
quimiolitótrofo
En la mayoría de los
casos utilizan CO2 como
fuente de C. Pueden ser
autótrofos o heterótrofos.
quimioorganotrofos
Utilizan compuestos
orgánicos como fuente
de C. Son heterótrofos.
155
Tolerancia a condiciones ambientales extremas
Los microorganismos, en particular los procariotas tienen la
capacidad de poder vivir en hábitat caracterizados por uno o
más parámetros extremos en las condiciones ambientales,
por ej aguas termales a ebullición, en el hielo, en aguas de
elevada salinidad, y en suelos y aguas que tienen un pH
inferior a 0 o tan alto como 12. En ocasiones no es que sean
meramente tolerantes a esas condiciones extremas, sino que
realmente las requieren para crecer. Estos procariotas se
denominan extremófilos. En los hábitat que presentan
condiciones extremas, los procariotas son siempre
mayoritarios.
156
El microorganismo citado en cada categoría es el que tiene el récord actual en cuanto a
requerir una condición extrema particular para crecer.
Picrophilus oshimae también es un termófilo, con crecimiento óptimo a 60oC.
Natronobacterium gregoryi es un halófilo extremo, con crecimiento óptimo a NaCl 20%.
La cepa MT41 aún no tiene nombre oficial de género ni especie y también es un
psicrófilo, crece mejor por debajo de 10oC.
157
FIN
158
La Tierra primitiva y el origen de la vida
Se cree que la tierra tiene una edad de 4600 millones de años; la
primera evidencia de vida microbiana se observa en rocas de 3860
millones de años. La Tierra primitiva era anóxica y mucho mas caliente
que en la actualidad. Los primeros compuestos bioquímicos se formaron
por síntesis abiótica y esto estableció las bases para el origen de la
vida. Si bien no conocemos como era el primer organismo capaz de
autorreplicarse, a partir de lo que sabemos de las formas microbianas
actuales podemos afirmar que las entidades autorreplicativas más
simples necesitaban un mecanismo para obtener energía y alguna
forma de herencia para hacer copias de si mismas. Podría extrapolarse
desde el presente hacia el pasado y postular que los organismos
primitivos se parecían a las células modernas, aunque con muy pocos
genes con limitadas capacidades para la transcripción y la traducción.
Tras el descubrimiento de que ciertos tipos de ácido ribonucleico (RNA)
son catalíticos, muchos científicos actuales creen que las formas de
vida más primitivas carecían totalmente de DNA, contenían tan sólo
unas cuantas, si es que alguna, proteína, y consistían principalmente de
RNA; era la edad de la vida del RNA, donde el RNA era tanto agente
catalizador como el código genético.
159
La vida con RNA. Las moléculas de RNA habrían funcionado con el fin
exclusivo de replicarse a sí mismas y, probablemente, habrían llevado a
cabo un número mínimo de reacciones catalíticas necesarias para esta
finalidad. Estudios derivados de varias ribozimas catalíticas de RNA han
demostrado que pueden catalizar varias reacciones, tales como la
síntesis de nucleótidos. Así, un período de vida con RNA podría haber
precedido a la vida celular. Estas formas de vida con RNA podrían haber
evolucionado hacia las primeras formas de vida celulares, cuando el
RNA autorreplicativo quedara encerrado en vesículas de lipoproteína.
Estas estructuras parecidas a las células podrían haber surgido
mediante la agregación espontánea de moléculas de lípidos y de
proteínas para formar estructuras membranosas en cuyo interior
quedaron atrapados los RNA y otros precursores de biomoléculas clave.
Esta etapa pudo haber ocurrido un sinnúmero de veces en la Tierra
primitiva para volver a extinguirse, pero finalmente, los constituyentes
apropiados y las circunstancias adecuadas coincidieron y surgió un
organismo celular primitivo. Aunque carecía de DNA y procesaba tan
sólo proteínas producidas abióticamente, esta forma de vida celular se
asemejaría en otros aspectos a una célula moderna. A medida que estas
formas de vida se extendían, la selección natural las conduciría hacia su
posterior desarrollo evolutivo.
160
Escenificación hipotética de la evolución de las formas de vida celulares a partir
de las formas de vida con RNA. Los RNAs autorreplicativos podrían haber
llegado a ser entidades celulares mediante su integración estable en vesículas
de lipoproteína. Con el tiempo, las proteínas reemplazaron las funciones
catalíticas del RNA y el DNA reemplazó sus funciones de codificación
161
Las proteínas muestran un grado de especificidad catalítica mucho mayor
que el que poseen los RNAs catalíticos. A medida que los organismos
primitivos se hicieron bioquímicamente mas complejos, se produjo una
presión evolutiva hacia la utilización de las proteínas como principales
agentes biocatalíticos.
La célula moderna: DNA → RNA → Proteína
El establecimiento del DNA como genoma de la célula pudo ser una
consecuencia de la presión evolutiva hacia una mayor eficacia y fidelidad
en la replicación de la información genética (las DNA polimerasa son mas
precisas que las RNA polimerasas). Además, al guardar toda la
información genética en un lugar en la célula y procesar solamente la que
se necesita bajo unas determinadas condiciones (al regular la expresión
génica), las células habrían ahorrado energía, lo que incrementaría su
adecuación competitiva. De alguna manera, en los estadios tempranos de
la evolución microbiana, el sistema tripartito DNA-RNA-proteína quedó
fijado en las formas de vida celulares como la mejor solución al
procesamiento de la información biológica. A juzgar por las células
actuales, este sistema fue un éxito evolutivo: todas las células conocidas
contienen estos tres tipos de macromoléculas.
162
Metabolismo de los organismos primitivos
La vida es un proceso altamente ordenado y requiere de energía para
mantener su estructura. Para satisfacer los requerimientos energéticos
los microorganismos primitivos sólo podían recurrir a mecanismos
generadores de energía que tienen lugar en condiciones anóxicas ya que
hasta la aparición de las cianobacterias, el oxígeno molecular no existía
en cantidades significativas en la Tierra. Una simple reacción química en
la que participa el ion ferroso (abundante en la Tierra primitiva) pudo
haber sido un proceso primitivo de obtención de energía utilizado por los
primeros organismos.
La reacción FeS + H2S → FeS2 + H2 ΔGo´=-42kj / reacción se produce
exotérmicamente con liberación de energía. Esta reacción también
produce H2, y se ha propuesto que este H2 pudo haber sido utilizado por
las células primitivas para originar una fuerza motriz de protones a través
de una membrana, de la que una ATPasa primitiva podría haber extraído
energía químicamente útil como ATP. Con H2 como el donor de
electrones, se requiere su aceptor , que bien podría haber sido azufre
elemental, So. Esta sencilla reacción acoplada habría requerido pocas
enzimas y podría haber constituido un suministro ilimitado de energía en
tanto existiera FeS accesible.
163
Esquema de un hipotético sistema generador de energía de las células
primitivas. La formación de piritas conduce a la producción de H2 y la
reducción de So, los cuales alimentan una ATPasa primitiva. Nótese que
el SH2 tiene una función catalítica. Los sustratos netos serían FeS y So.
164
Es sorprendente que muchas Archeae hipertermófilas (que son los
organismos actuales más cercanos a los organismos primitivos de la
Tierra) pueden llevar a cabo este tipo de reacción.
Los organismos primitivos pudieron haber obtenido carbono de varias
fuentes, tales como carbono orgánico de síntesis abiótica e incluso CO2 ,
un gas que era abundante en la Tierra primitiva. La utilización de CO2
continuó evolucionando hacia la autotrofía, el proceso en el cual el
dióxido de carbono se convierte en todos los componentes orgánicos de
la célula. La hipótesis de una “autotrofía primitiva” se sustenta en los
proyectos de secuenciación de genomas microbianos, donde se ha
puesto de manifiesto que la autotrofía se produce en un número de
hipertermófilos que contienen un genoma pequeño que se ramifican
cerca de la raíz del árbol evolutivo de la vida.
165
Oxigenación de la atmósfera
La evolución de la fotosíntesis oxigénica en las cianobacterias constituye
un hito en la historia de la Tierra. Estos organismos aparecieron
probablemente hace 3000 millones de años, pero el O2 que produjeron
no se acumuló en la atmósfera debido a la gran cantidad de sustancias
reductoras (como el FeS) todavía presentes que reaccionaban
espontáneamente con el O2 para formar H2O. Es altamente probable que
las cianobacterias evolucionaran a partir de protótrofos oxigénicos
mediante el desarrollo de un fotosistema que pudiera utilizar el H2O
como un donante de electrones para la reducción fotosintética del CO2,
liberando O2 como subproducto (CO2 + H2O →CH2O + O2). La evolución
de la fotosíntesis oxigénica tuvo enormes consecuencias sobre el
ambiente de la Tierra ya que, a medida que se acumuló el O2, la
atmósfera cambió de anoxigénica a oxigénica. Al existir abundancia de
O2 como aceptor de electrones pudieron evolucionar los organismos
aeróbicos. Estos organismos eran capaces de obtener más energía de la
oxidación de compuestos orgánicos que los anaeróbicos, lo que permitió
alcanzar densidades de poblaciones más altas e incrementó las
posibilidades de evolución de nuevos organismos y esquemas
metabólicos.
166
Existe buena evidencia , procedente del registro fósil, de que cuando la
atmósfera de la Tierra se hizo oxidante, la velocidad de la evolución se
incrementó enormemente, lo que condujo a la aparición de
microorganismos eucarióticos con orgánulos, y, a partir de ellos, a la
rápida diversificación de los metazoos (organismos pluricelulares) y,
finalmente, a la aparición de plantas y animales superiores. Otra
consecuencia importante de la aparición del O2 fue la formación de ozono
(O3), una sustancia que suministra una barrera que impide a la intensa
radiación ultravioleta del Sol alcanzar la Tierra. Cuando el O2 se somete
a radiación UV de onda corta se convierte en O3, el cual absorbe
fuertemente hasta longitudes de onda de 300 nm. Hasta que se formó el
escudo de O3, la evolución pudo haber continuado en lugares protegidos
de la radiación directa del Sol, como los océanos o debajo de las rocas,
ya que la intensa radiación UV habría causado daño letal al DNA. Sin
embargo, después de la producción fotosintética de O2 y el posterior
desarrollo de la capa de O3, los organismos pudieron expandirse por la
superficie de la Tierra, permitiendo la aparición de una mayor diversidad
de organismos vivos. A continuación se muestra un resumen de etapas
que pudieron producirse en la evolución biológica y en la oxigenación de
la Tierra.
167
Principales acontecimientos de la
evolución biológica. La posición de
los estadios de la escala temporal
son aproximados. Nótese como la
oxigenación de la atmósfera,
debida al metabolismo de las
cianobacterias, fue un proceso
gradual a lo largo de un período de
unos 2000 millones de años.
Nótese también que durante la
mayor parte de la historia de la
Tierra, solo existieron formas de
vida microbiana. Aunque no existe
un registro microfósil, la prueba
microquímica de las células
eucarióticas se remonta a 2700
millones de años.
168
Resumen
Las primeras “formas de vida” pueden haber sido RNA
autorreplicativos. Los primeros organismos celulares
probablemente emplearon una estrategia simple para la
obtención de la energía. El metabolismo primitivo fue
anaerobio y posiblemente quimiolitotrófico, explotando las
abundantes fuentes de FeS y H2S presentes. La
fotosíntesis oxigénica condujo al desarrollo de un ambiente
óxico y a una gran explosión evolutiva.
169
FIN
170
Orgánulos y eucariotas: endosimbiosis
¿Cómo surgió la célula eucariótica actual con su estructura interna
característica: el núcleo rodeado por una unidad de membrana y los
orgánulos (por ejemplo las mitocondrias y los cloroplastos)?
Origen del núcleo.
Las células eucarióticas primitivas eran estructuralmente simples y
carecían de mitocondrias, cloroplastos y núcleo rodeado por membrana. A
medida que las células en la línea eucariótica de descendencia se
hicieron mayores, aparecieron el núcleo y el aparato mitótico, a la vez que
el DNA, se fraccionó en unidades discretas (cromosomas). Los
cromosomas pueden haber surgido para asegurar la replicación y la
partición ordenada del DNA a medida que los genomas primitivos se
hicieron mas grandes, hasta llegar a un punto en el que su replicación en
forma de una única molécula (como en procariotas) no era viable. El
desarrollo del núcleo eucariótico también facilitó la aparición de los
enormes genomas que necesitaban los eucariotas microbianos de mayor
tamaño (y mucho más tarde los organismos pluricelulares), e hizo posible
la recombinación de genomas mediante la reproducción sexual.
171
No existe una razón obvia por la que los organismos primitivos
necesitaran orgánulos tales como las mitocondrias y los cloroplastos, los
cuales aparecieron probablemente más tarde. En realidad, incluso
actualmente, se conocen microorganismos eucarióticos que carecen de
mitocondrias y cloroplastos, lo que indica que estos orgánulos no son
esenciales para la función de la célula eucariótica.
Endosimbiosis. Existen pruebas concluyentes a favor de la teoría
de que la célula eucariótica moderna (con orgánulos) evolucionó en
etapas
mediante
la
incorporación
estable
de
simbiontes
quimioorganotróficos y fototróficos del dominio Bacteria. Esta teoría,
llamada “teoría endosimbiótica” de la evolución eucariótica, postula que
una bacteria aeróbica estableció su residencia estable dentro del
citoplasma de un eucariote primitivo y le suministró energía, a cambio de
un ambiente protegido y un aporte constante de nutrientes. Este
simbionte fue el precursor de la mitocondria moderna. De igual manera,
la adquisición, por endosimbiosis de un fotótrofo oxigénico habría
conferido propiedades fotosintéticas a un eucariota primitivo, de manera
que ya nunca dependería de compuestos orgánicos para el suministro
de energía. El endosimbionte fototrófico fue el precursor del cloroplasto.
172
Algunas células eucarióticas nunca incorporaron endosimbiontes, o si lo
hicieron, luego por alguna razón lo perdieron.
Pruebas que respaldan la teoría de la endosimbiosis.
-Las mitocondrias como los cloroplastos contienen ribosomas que son
claramente de tipo procariótico.
-Los ribosomas de estos orgánulos poseen secuencias del RNA
ribosómico características de determinadas Bacteria, y su función es
inhibida por los mismos antibióticos que afectan la función del ribosoma
de Bacteria de vida libre.
-las mitocondrias y los cloroplastos también contienen una pequeña
cantidad de DNA dispuesto en una forma circular covalentemente
cerrada, típica de procariotas.
173
Origen de los eucariotas actuales por
endosimbiosis.
Nótese
que
los
orgánulos se originan a partir de
Bacteria y no de Archeae. Es poco
probable que la endosimbiosis fuera un
acontecimiento único y probablemente
ocurriera en varios tipos celulares de la
línea nuclear. Nótese como algunos
procariotas
primitivos
nunca
experimentaron endosimbiosis, o bien,
perdieron
sus
simbiontes,
pero
mantuvieron las propiedades básicas de
las células eucarióticas. El incremento
en el tamaño de las células en la línea
nuclear, condujo a la evolución de
genomas
de
mayor
tamaño
y
probablemente también a la evolución
del núcleo permitiendo la replicación
ordenada y la repartición de dichos
genomas.
174
Revisión de conceptos
El núcleo eucariótico y el aparato mitótico surgieron
probablemente como una necesidad para asegurar la
partición ordenada del DNA en los organismos con
genomas grandes. Las mitocondrias y los cloroplastos,
los principales orgánulos productores de energía de los
eucariotas, surgieron por asociación simbiótica de
procariotas del dominio Bacteria en el interior de células
eucarióticas, en proceso llamado endosimbiosis.
Evolución biológica y escala del tiempo. Los
metazoos han dejado un registro fósil considerable y muy
diverso que permite un buen conocimiento de la
evolución biológica desde su aparición. Sin embargo, en
las 5/6 partes de la historia de la Tierra se desarrollaron
los procariotas de los cuales no se tiene un buen
conocimiento evolutivo a través de registros fósiles. Esto
cambió con la utilización de métodos moleculares.
175
Relaciones evolutivas entre los microorganismos
Filogenia de los microorganismos deducida de los estudios
moleculares de los ácidos nucleicos. Comparación de
secuencias del RNA estructural de los ribosomas.
Cronómetros evolutivos
Se ha demostrado convincentemente que la distancia
evolutiva entre dos organismos puede determinarse por las
diferencias en la secuencia de aminoácidos o nucleótidos de
macromoléculas homólogas aisladas de cada una de ellas.
Esto se debe a que el número de diferencias en la secuencia
de macromoléculas es proporcional al número de cambios
mutacionales estables fijados en el DNA que codifica esa
molécula en ambos organismos. La evolución se produce a
medida que las mutaciones quedan fijadas en las diferentes
poblaciones, siendo la biodiversidad el resultado final.
176
Elección del cronómetro evolutivo
-La molécula debe estar distribuida universalmente en el
grupo elegido para el estudio.
-Debe ser funcionalmente homóloga en cada organismo, o
sea, tener idéntica función.
- Las moléculas deben poder ser alineadas en forma
apropiada a fin de identificar regiones tanto con homología
como con variaciones de secuencia.
-- La secuencia de la molécula elegida debería cambiar con
una velocidad proporcional a la distancia filogenética que se
va a determinar. Y, de hecho, cuanto mayor sea la distancia
filogenética a determinar, menor será la velocidad de
cambio de la molécula; demasiado cambio tiende a enturbiar
el registro evolutivo.
177
Se han evaluado muchas moléculas como cronómetros moleculares
y con ellas se han realizado estudios de comparación de secuencias
a fin de generar árboles filogenéticos. Estas moléculas son: varios
citocromos, proteínas de hierro y azufre tales como las ferredoxinas,
y genes de otras proteínas y de los RNAs ribosómicos. Sin embargo,
los genes que codifican los RNAs ribosómicos, componentes clave
del sistema de traducción; la ATPasa, complejo enzimático de
membrana que puede sintetizar e hidrolizar ATP; y la RecA, proteína
requerida para la recombinación genética, son los que han
proporcionado la información genética más significativa sobre los
microorganismos. Todas estas moléculas
eran probablemente
esenciales incluso para las células más primitivas y así , la variación
de la secuencia en los genes que las codifican, nos permiten
profundizar en el registro evolutivo.
178
RNAs ribosómicos como cronómetros evolutivos
Debido a la probable antigüedad de la maquinaria sintetizadora de
proteínas, los RNAs ribosómicos son moléculas excelentes para
poder discernir las relaciones evolutivas entre seres vivos. Los RNAs
ribosómicos son funcionalmente constantes, están universalmente
distribuidos y su secuencia está moderadamente bien conservada a
través de amplias distancias filogenéticas. También, dado el elevado
número de diferentes secuencias posibles de moléculas grandes,
tales como los RNAs ribosómicos, la similitud de dos secuencias
indica alguna relación filogenética. Sin embargo, es el grado de
semejanza de las secuencias de RNA ribosómico de dos organismos
lo que indica su parentesco evolutivo relativo. A partir del análisis
comparativo de secuencias , se pueden construir las genealogías
moleculares que conducen a los árboles filogenéticos. Estos muestran
la posición evolutiva más probable existente entre los organismos.
Recordemos que hay 3 moléculas de RNA ribosómico, que en
procariotas tienen 5S, 16S y 23S. Los rRNAs bacterianos 16S y 23S
contienen varias regiones de secuencia altamente conservada que
resulta útil para obtener alineamientos de secuencia apropiados.
179
Tienen también la variabilidad de secuencia suficiente en otras regiones
de la molécula para servir como excelentes cronómetros filogenéticos.
En eucariotas se secuencia el homólogo del rRNA 16S, es decir, el
rRNA 18S de los ribosomas 80S. Hay base de datos en Internet que
contienen más de 24.000 secuencias de RNAs alineadas (16.000
secuencias de 16S alineadas y 8.000 secuencias de 18S alineadas).
180
RNA ribosómico
a) Micrografía electrónica de
ribosomas 70S de E. coli.
b) Partes del ribosoma; 5S,
16S y 23S.
c) Estructura primaria y
secundaria del rRNA
ribosomal 16S de E. coli
(Bacteria). En general el
rRNA 16S de Archeae es
similar en cuanto a
estructura secundaria, pero
presenta numerosas
diferencias en cuanto a
estructura primaria. La
molécula correspondiente en
eucariotas es el rRNA18S
presente en los ribosomas
citoplasmáticos.
181
FIN
182
Comparación de la transferencia de
información genética en procariotas
y eucariotas.
(a) Procariotas. Una única molécula de RNA
contiene a menudo más de una región
codificadora
(tal
mRNA
se
llama
policistrónico). (b) Eucariotas. Las regiones
no codificantes (intrones) se eliminan del
transcripto primario antes de la traducción.
Los mRNA de los eucariotas son casi
siempre monocistrónicos. Los dos tipos
celulares no están dibujados a escala.
183
PCR. La reacción en cadena de la polimerasa puede
multiplicar moléculas de DNA hasta miles de millones de
veces proporcionando grandes cantidades de genes para
su clonación, secuenciación o mutagénesis. La PCR hace
uso de la DNA polimerasa que copia moléculas de DNA. La
técnica de PCR requiere que se conozca la secuencia
nucleotídica de una región del gen deseado para poder
diseñar oligonucleótidos iniciadores cortos o primers,
complementarios de secuencias presentes en el gen o
genes de interés. Las etapas de amplificación son las
siguientes: 1- En un sintetizador de nucleótidos se fabrican
los dos oligonucleótidos iniciadores que flanquean al gen
diana, y se añaden en un gran exceso al gen diana
desnaturalizado por calor. 2- Cuando se ha enfriado la
mezcla, el exceso de iniciadores relativos al DNA diana
asegura que la mayor parte de las cadenas diana hibriden
con iniciadores y no entre sí. 3- La DNA polimerasa alarga
los iniciadores usando las bandas diana como moldes. 4Después de un período de incubación adecuado, se
calienta de nuevo la mezcla para separar las cadenas.
Luego se enfría la mezcla para permitir que los iniciadores
se hibriden con las regiones complementarias del DNA
recién sintetizado, y se repite el proceso.
184
Así, cada “ciclo” de PCR implica las siguientes etapas:
1- desnaturalización por calor del DNA bicatenario diana.
2- enfriamiento para permitir el acople de iniciadores
específicos con el DNA diana
3- extensión de los iniciadores por la DNA polimerasa.
Los productos de la extensión de un iniciador pueden servir
de molde para el otro iniciador en el siguiente ciclo. Cada
ciclo de PCR duplica literalmente el contenido original de
DNA diana. En la práctica suelen hacerse unos 20 o 30
ciclos, lográndose así incrementar la secuencia diana entre
106 y109 veces.
185
186
187