Bacterias y Archaea - Uprm - Recinto Universitario de Mayagüez
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BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Primeros organismos Capítulos 27: Bacterias y Archaea Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez • Dos dominios: Archaea y Bacteria • No poseen organelos celulares con membrana tales como el núcleo, cloroplastos, mitocondrios, plastidios, etc. • Los más numerosos (5,000 especies conocidas (se estiman 4 millones especies) • Diversidad genética entre éstos es inmensa • Microscópicos • En un puñado de tierra puede haber 10,000 especies [diferentes] de procariotas • Ubicuos: Se encuentran en todos lados • Microbiología: la mayoría entre 0.5 – 5 µm (células eucariotas entre 10 -100 µm) Figure 27.2 Formas morfológicas bacterianas comunes: • Cocos (sencillos, racimos, rosarios) • Bacilos (alargados, bastones) • Espirales (a) Cocos Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 (b) Bacilos 3 µm 1 µm • Vibrios (en forma de coma) 1 µm – Espirilo (hélice rígida) – Espiroqueta (hélice flexible) (c) Espirales 1 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Micrococcus bacteria tipo coco Spiroplasma bacteria tipo espiral Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 Salmonella bacteria tipo bacilo Microscopía de barrido electrónico mostrando bacterias en la cabeza de un alfiler 2 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Pared celular • Paredes celulares en eubacteria: – Gram-positiva • Función: mantener forma de la célula, protección, y evitar que exploten en ambientes hipotónicos • Bacteria – pared de peptidoglicano • Archaea – pared de polisacáridos y proteínas pero no peptidoglicano • Peptidoglicano muy grueso – Gram-negativa • Peptidoglicano muy delgado • Poseen membrana externa • Incluye las bacterias más patogénicas- membrana externa tóxica y protege contra defensas del huésped • Más resistentes a antibióticos: membrana externa no permite entrada de éstos • Muchos antibióticos atacan peptidoglicano y dañan paredes celulares de bacterias • Cápsula • De polisacárido o proteína; es “pegajosa” - adhesión • Rodeando y envolviendo la pared celular • Hace la bacteria más resistente a defensas del cuerpo Figure 27.3 Figure 27.4 (a) Gram-positive bacteria (b) Gram-negative bacteria Carbohydrate portion of lipopolysaccharide Bacterial cell wall Bacterial capsule Cell wall Peptidoglycan layer Plasma membrane Tonsil cell Outer Cell membrane wall Peptidoglycan layer Plasma membrane Peptidoglycan traps crystal violet, which masks the safranin dye. Crystal violet is easily rinsed away, revealing the red safranin dye. Gram-negative bacteria Gram-positive bacteria 200 nm 10 µm Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 3 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Figure 27.5 Gram-positive and gram-negative bacteria • Fimbrias: – Estructuras proteicas que se extienden desde la célula – Ayudan a las bacterias a adherirse a las superficies (“fimbrias” o “attachment pili”) • Pilos – Hay pilos sexuales (más largos de que fimbrias): permiten intercambio de DNA entre procariotas) • Flagelo – Produce movimiento rotativo – Compuesto de cuerpo basal, gancho, y filamento Fimbrias y Pilos en bacteria tipo bacilo Figure 27.7 Flagellum Filament Hook Motor Cell wall Plasma membrane Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 20 nm Rod Peptidoglycan layer 4 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Figure 27.8 Organización Interna (subcelular) 1 µm 0.2 µm • Células procariotas carecen de una compartimentalización compleja • Algunos procariotas poseen membranas especializadas que llevan a cabo funciones metabólicas (mesosomas) Respiratory membrane Thylakoid membranes (a) Aerobic prokaryote • Material genético bacteriano – Molécula de DNA Circular en región nucleoide – Plásmidos • Reproducción asexual – Fisión binaria – Gemación (“budding” o yemas) – Fragmentación Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 (b) Photosynthetic prokaryote Plásmidos R y Resistencia Antibiótica • plásmidos R tienen genes para resistencia a antibióticos • Tomar antibióticos hace que se seleccionen las bacterias con genes que son resistentes a antibióticos • Cada vez es mas común las cepas de bacterias resistentes a una gama amplia de antibióticos 5 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Figure 27.8 Chromosome Plasmids • Transformación – Ingesta de fragmentos de DNA • Transducción – Bacteriófago acarrea DNA bacteriano entre células • Conjugación – Células de diferentes tipos (“mating”) que se aparean e intercambian material genético 1 µm Fig. 27-11-4 Transformación Phage DNA A + B+ Transducción A+ B+ Donor cell A+ Recombination A+ A – B– Recipient cell A + B– Recombinant cell Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 6 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea Figure 27.13 08/02/2016 Conjugación y recombinación en E. coli F plasmid Endosporas Bacterial chromosome F+ cell (donor) F+ cell Mating bridge F− cell F+ cell (recipient) Bacterial chromosome (a) Conjugation and transfer of an F plasmid Hfr cell (donor) A+ F factor F− cell (recipient) A+ A+ A− A+ A− A− A+ A− A+ Recombinand F− bacterium (b) Conjugation and transfer of part of an Hfr bacterial chromosome, resulting in recombination • Células aletargadas, de alta resistencia al calor, frío y desecación, producidas por algunas eubacterias • Bajo condiciones adversas de estrés en el medioambiente • Perduran por siglos • Clostridium tetani, Bacillus anthracis Endospora Table 27.1 Procariotas se pueden clasificar sobre la base de sus requisitos nutricionales: • Heterótrofos – Fotoheterótrofos – Quimioheterótrofos • Se alimentan de materia orgánica muerta y/o en descomposición • Autótrofos – Fotoautótrofos – Quimioautótrofos Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 7 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea Cianobacterias o algas verdeazules 08/02/2016 Procariotas también se pueden clasificar por sus requisitos atmosféricos (metabolismo) • La mayor parte de las bacterias son aeróbicas • Las bacterias anaerobias facultativas utilizan oxígeno si está disponible (llevan a cabo respiración celular y fermentación) • Las bacterias anaerobias obligadas solamente pueden llevar a cabo metabolismo de forma anaeróbica (fermentación) • Algunos procariotas convierten nitrógeno atmosférico(N2) en ammonia (NH3) Fig. 27-14 Cooperación Metabólica • Cooperación entre procariotas les permite utilizar recursos ambientales que de otra forma no podrían utilizar como células individuales • Anabaena (cianobacteria): las células fotosintéticas y células fijadoras de nitrógeno (heterocitos) intercambian productos metabólicos • En otras especies, la cooperación se lleva a cabo en colonias que tapizan superficies (“biofilms” y tapetes) Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 Anabaena Photosynthetic cells Heterocyte 20 µm 8 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Fig. 27-15 Clasificación de Procariotas: Uso de técnicas de PCR para obtener de forma más rápida secuencias de diferentes genomas y comparar los mismos (sistemática molecular) han sido de gran ayuda. 1 µm “biofilms” Figure 27.15 • Dominio Bacteria – Reino Bacteria • Gram + y Gram • Dominio Archaea – Reino Archae Eukarya Archaea Bacteria • Paredes celulares carecen de peptidoglicanos • Mecanismo de traducción es similar al de los eucariotas Table 27.2 Euryarchaeotes Crenarchaeotes UNIVERSAL ANCESTOR Nanoarchaeotes Domain Archaea Korarchaeotes Domain Eukarya Eukaryotes Proteobacteria Spirochetes Cyanobacteria Domain Bacteria Chlamydias Gram-positive bacteria Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 9 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Medioambiente típico de bacterias termófilas • Metanógenas – Producen gas metano (CH4) – Ambientes anaeróbicos • Halófilas extremas – Habitan soluciones de sales saturadas (salinas) • Termófilas extremas – Habitan ambientes cuyas temperaturas pueden sobrepasar los 100°C Bacteria • Incluye la mayoría de los procariotas que los humanos están conscientes • De diferentes requerimientos nutricionales Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 • Lleva a cabo funciones ecológicas vitales: – Descomponedoras de materia orgánica – Fijación de nitrógeno para las plantas • Patógenas – Postulados de Koch: • Presencia del patógeno en individuos afectados • Muestra del patógeno puede ser cultivada (pura) • Muestra del cultivo es inoculada en individuo no afectado causando la misma enfermedad • Se recupera el microorganismo del individuo inoculado experimentalmente – Exotoxinas: producidas por bacterias y secretadas al exterior de las mismas (o liberadas al morir la bacteria): difteria y botulismo – Endotoxinas: toxinas forman parte de la pared celular de las bacterias gram-negativas 10 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Figure 27.17-a Bacterias Gram (-) Subgroup: Alpha Proteobacteria Subgroup: Beta Proteobacteria Alpha • Grupo grande y diverso de bacterias • Sobre la base de secuencias de rRNA, se agrupan en cinco (5) subgrupos: 2.5 µ m Gamma Proteobacteria Delta Epsilon – Alpha • Simbiontes de plantas, animales y algunas patógenas Subgroup: Gamma Proteobacteria 1 µm Beta Rhizobium (arrows) inside a root cell of a legume (TEM) Nitrosomonas (colorized TEM) Subgroup: Delta Proteobacteria Subgroup: Epsilon Proteobacteria – Beta • Nitrosomonas (oxida NH3) y Neisseria gonorrhoeae – Gamma • Myxobacterias (bacterias lamosas) Thiomargarita namibiensis containing sulfur wastes (LM) – Epsilon Fruiting bodies of Chondromyces crocatus, a myxobacterium (SEM) 2 µm 300 µ m 200 µ m • Enterobacterias y Vibrio cholerae – Delta Helicobacter pylori (colorized TEM) • Tracto digestivo de animales (Helicobacter pylori) Figure 27.17-b • Gram- + incluye 5 µm Cyanobacteria Gram-Positive Bacteria 40 µ m Streptomyces, the source of many antibiotics (SEM) Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 Actinomycetes, descomponedores en suelo Bacillus anthracis, causante del anthrax Clostridium botulinum, causante del botulismo Algunos Staphylococcus y Streptococcus, que pueden ser patogénicos – Micoplasmas, células más pequeñas que se conocen – – – – 2 µm Leptospira, a spirochete (colorized TEM) 5 µm Chlamydia (arrows) inside an animal cell (colorized TEM) Oscillatoria, a filamentous cyanobacterium Bacterias Gram + Spirochetes 2.5 µ m Chlamydias Hundreds of mycoplasmas covering a human fibroblast cell (colorized SEM) 11 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Importancia de Procariotas • Si procariotas desaparecieran hay pocas probabilidades de que otras formas de vida sobrevivan • Indispensable en el reciclaje de elementos químicos – (fijación de nitrógeno: bacterias -únicas capaces de convertir nitrógeno atmosférico en forma útil para plantas) – Descomponedores (saprobios) obtienen sus nutrientes de organismos muertos-regresan elementos al ambiente en forma inorgánica para que las plantas lo utilicen – Bacterias autótrofas • Toda la vida depende de procariotas Pueden vivir en relación simbiótica • Tres tipos de relaciones 1. mutualismo - ambos se benefician 2. comensalismo - uno se beneficia, el otro no se afecta 3. parasitismo (una se beneficia la otra se perjudicaabsorben sus nutrientes de fluídos de húespedes vivos) Ejemplos: – Bacteria en intestino nos proveen vitaminas-mutual – Bacterias en raíces de leguminosas- plantas habichuelas, etc. (mutual)-bacteria le brinda nitrógeno, planta le da azúcar para respiración celular – Bacterias patógenas - parasitismo • Bacterias (parasíticas)- patógenos de plantas y animales– causan enfermedades-patógeno se adhiere a célula -se multiplica y produce toxinas- venenos • Exotoxinas: secretadas • Endotoxinas: al romperse célula bacteriana • tuberculosis, cólera, enfermedades sexuales (chlamydia, gonorrea), botulismo, envenenamiento por comida, salmonella, úlcera digestiva, ántrax, tétano, etc. Nitrosomonas (colorized TEM) Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 12 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Uso de procariotas en investigación y tecnología Importancia de Procariotas – – • • • • Microbiología industrial Microbiología médica (clínica) Ecología microbiana (ej. Bioremediación) Microbiología de alimentos – – Bioremediación en derrames de petróleo Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 Producción de antibióticos-eritromicina, estreptomicina Bioremediación- usar procariotas y hongos para remover (degradar) contaminantes (agentes químicos peligrosos como pesticidas, yerbicidad, petróleo, gasolina, metales pesados, etc.) del suelo, agua y aire a compuestos no tóxicos Tecnología- crecer bacterias en el laboratorio, manipuladas genéticamente, para que produzcan medicinas-, insulina, interferón, antibióticos, hormona de crecimiento, alcohol, acetona, vacunas, vitaminas Microbiología de alimentos- usa ácido láctico bacteriano para convertir leche a Yogurt, queso, salami, vinagre, chocolate Plantas de tratamiento de aguas usadas 13 BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016 Table 27.2 Fig. 27-21 Lyme disease 5 µm Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 14
