Nucleoide bacteriano
Condensada
de fai.unne.edu.ar
Las células procariotas y eucariotas se distinguieron desde el principio sobre la siguiente base estructural: la estructura equivalente al núcleo eucariota (esa compleja estructura rodeada por membranas) no se observaba en procariotas.
El tamaño de las bacterias dificultó los estudios acerca del "núcleo" bacteriano,
sin embargo en el curso de las investigaciones destinadas a su esclarecimiento la utilización de los métodos citoquímicos y la microscopía electrónica demostraron su existencia.
El gran poder de resolución del microscopio electrónico
no solo amplia la típica forma bacteriana, sino que revela claramente
la organización procariota.
Obtenida de: http://129.109.136.65/microbook/ch002.htm
Note la región nuclear o nucleoide (n) donde se localiza el ADN y las áreas
oscuras del citoplasma de Neisseria gonorrhoeae.
Hoy se conoce que al igual que del resto de seres vivos (celulares) poseen ADN, y que el mismo no se haya distribuido al azar en el citoplasma, sino en una zona particular denominada
región nuclear o nucleoide sin estar separado por
una unidad de membrana.
Por microscopía óptica puede constatarse la presencia de ADN por la tinción de Feulgen.
Sin embargo, fueron los métodos autorradiográficos los que demostraron en forma indubitable que el ADN es el material "nuclear" de las bacterias, gracias a una de las características que posee esta molécula: es la única sustancia celular que posee timina.
De los métodos autorradiográficos (usando timina tritiada) y bioquímicos también surgió el conocimiento que el ADN se presenta como una doble cadena (de cerca de 1 mm de longitud), circular y
cerrada de manera covalente, que toma el nombre de cromosoma bacteriano. Esta
"gigantesca" mol�cula circular tiene un peso
de 3 X 10 9d (daltons).
Sobre estas bases por lo tanto, el nucleoide es una estructura que contiene un solo cromosoma.
No posee las histonas del cromosoma eucariota, pero se ha comprobado la existencia de proteínas y poliaminas de bajo peso molecular y de iones magnesio que cumplirían su función.
Desde ya, la sola mención de la longitud del cromosoma bacteriano del orden del milímetro hace necesaria una explicación que concilie con el tamaño de la bacteria que
est� en el orden de micrones (1 �m = 0,001 mm), la microscopía electrónica muestra un cromosoma bacteriano altamente condensado y ordenado ("supercoiled"
o superenrrollado), y que se encuentra anclado parcialmente a la membrana bacteriana.
Este ADN superenrrollado adopta una forma mucho mas compacta que el circular. En la c�lula eucariota el enrollamiento se hace
sobre las histonas en los nucleosomas, pero en las procariotas, existe una
enzima: la ADN girasa que que provoca enrollamientos negativos (la torsi�n
se
hace de manera contraria a la direcci�n de la doble h�lice, o sea hacia la
izquierda). E. coli puede presentar hasta unos 50 dominios superenrrollados
debido a su asociaci�n con prote�nas estructurales, poliaminas de bajo peso molecular y de iones magnesio que cumplirían
la funci�n de las histonas eucariotas.
De la misma forma que la ADN girasa superenrrolla el cromosoma para confinarlo
dentro de la c�lula, otra enzima, la Topoisomerasa I es capaz de desenrollar
y relajarlo
para permitir la replicaci�n.
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Cromosoma de E. coli extendido por shock osm�tico
1200 �m de
long. (Dr. Gopal Murti/Science Photo
Library) |
Es interesante como algunos antibi�ticos (ac. nalix�dico y novobiocina)
act�an inhibiendo la acci�n de la ADN girasa.
El esquema supersimplificado de esta figura:
http://www.biosci.uga.edu/almanac/bio_103/notes/may_30.html.Esquematiza el cromosoma
bacteriano y representa los
plásmidos.
Plásmidos
Son elementos gen�ticos accesorios extracromos�micos, pequeños fragmentos circulares de ADN,
que est�n presentes
pr�cticamente en todas las células bacterianas. Contienen de 2 a
30 genes. Algunos tienen la capacidad para incorporarse o salir del cromosoma
bacteriano. Se denomina episoma a un plásmido incorporado al cromosoma bacteriano.
Los plásmidos se replican en manera similar al cromosoma bacteriano.
En Escherichia coli se han reconocido muchos plásmidos, entre ellos
el F ("factor sexual") y el R (resistencia a los antibiótico). El
plásmido F contiene 25 genes, algunos de los cuales controlan la
producción de los pilis , "tubos" que se extienden desde la superficie
de las células bacterianas "machos"( F+), a la de las células
bacterianas hembras ( F-).
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Conjugaci�n en una cepa de Escherichia coli
(M.E 27.700x)
� Dennis
Kunkel, usada con permiso.
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La resistencia a los antibióticos ha sido encontrada en gérmenes
patógenos causantes de enfermedades tales como: tifoidea, meningitis,
gonorrea y otras. Actúan proporcionando la información necesaria
para destruir el antibiótico o para circunvalar el bloqueo que produce
el antibiótico en la vía metabólica bacteriana.
El plásmido R confiere, a las células que lo poseen,
resistencia a los antibióticos o drogas. Un plásmido R puede
llegar a tener hasta 10 genes que confieren resistencia.
Los plásmidos R pueden transferirse a otra bacteria de la misma
especie, a virus e inclusive, a bacterias de diferentes especies.
Tamaño genómico
El tamaño genómico de las bacterias se diferencia de una especie a otra, en un rango que va de 0,6 hasta 13.106 pares de bases (pb). La mayoría de los genomas bacterianos tienen el mismo orden de tamaño que el de Escherichia coli (esto es 4,6.106 kb).
El número de genomas por célula difiere igualmente de una especie a otra y depende de las condiciones de cultivo.
A efectos comparativos la tabla siguiente muestra el tamaño genómico de Escherichia coli y de una serie de eucariotas.
| Organismo |
Tamaño genómico |
| Escherichia coli |
4,6.106 pb |
| Neurospora crassa |
19.106pb |
| Aspergillus niger |
40.106pb |
| Homo sapiens |
2,9.109pb |
| Zea maiz |
7.109pb |
Los datos obtenidos a partir de las autorradiografías del cromosoma de Escherichia coli (imágenes theta por su similitud al aspecto de dicha letra
griega) ya indican la manera en que se replicaría el ADN bacteriano, el esquema y la animación representan una
replicación unidireccional, si bien en realidad se ha establecido que la misma es bidireccional y existen dos horquillas de replicación que acontecen por la desespiralización de la doble cadena.
La duplicación de la célula va precedida por la duplicación o replicación del cromosoma bacteriano. Primero se replica y luego pega cada copia a una parte diferente de la membrana celular. Cuando las células que se originan comienzan a separarse, también se separa el cromosoma original del replicado.
El número de copias por célula del cromosoma depende del estadio del ciclo celular (replicación del cromosoma, crecimiento de la célula, separación de los cromosomas, etc.). Si bien el mecanismo de separación de los cromosomas "hermanos" no se ha dilucidado en su totalidad, todo los modelos coinciden que una de las condiciones es que el cromosoma permanezca "pegado" a la membrana celular a través de varios estadios del ciclo de división bacteriano.
Luego de la separación de las células (citocinesis), quedan dos células de idéntica composición genética (excepto en los raros casos de mutación
espont�nea). Ver animación abajo
Original de: http://www.slic2.wsu.edu:82/hurlbert/micro101/pages/Chap2.html#two_bact_groups
El tiempo necesario para la replicación del cromosoma de Escherichia coli es de aproximadamente 40 minutos, sin embargo la duplicación de la bacteria acontece (en condiciones optimas) en cerca de 20 minutos, este hecho paradojal se explica por el descubrimiento que en los cromosomas bacterianos "hijos" se inicia un nuevo ciclo de división antes de que se termine el
primero.
El cromosoma procariota es mucho m�s fácil de manipular que el de los eucariotas y por lo tanto se conoce mucho acerca de sus genes y sus mecanismos de control.
Una consecuencia de este método asexual de reproducción es que todos los organismos de una colonia son genéticamente iguales. Cuando se trata una enfermedad bacteriana, una droga que mata una bacteria matara todos los otros miembros de este clon (colonia) con los cuales se ponga en contacto.
Ciertos tipos de bacterias pueden "donar " un pedazo de ADN a una célula receptora. Esta recombinación es el equivalente bacteriano de la reproducción sexual en eucariotas. Debe notarse que usualmente no se transfiere la totalidad de la molécula de ADN, solo una pequeña parte
N�mero de copias cromos�micas
Las c�lulas procariotas en crecimiento r�pido (fase
logar�tmica o exponencial) tienen la posibilidad de dividirse m�s r�pido
que lo que permite la maquinaria de replicaci�n del ADN. Por ello pueden tener
de 2 a 4 copias del cromosoma bacteriano o copias incompletas del mismo. Para
asegurar que exista una copia completa para cada una de las c�lulas hijas en la
fisi�n binaria, se inician nuevos ciclos de replicaci�n del ADN antes que el
�ltimo haya terminado.
�nicamente en fase estacionaria, cuando las bacterias cesan de
dividirse, existe un cromosoma por c�lula. Por ello este tipo de organismos son
haploides, es decir el genoma m�nimo por c�lula es una sola copia del
cromosoma bacteriano, lo que implica que existe una sola copia de cada gen.
Bajo el termino "verificaci�n de quorum " (quorum sensing
) se describe la manera en que las bacterias determinan cuantas de ellas se
encuentran en la vecindad.
La "verificaci�n de quorum " (quorum sensing) permite a una poblaci�n
de bacterias coordinar su expresi�n g�nica y, por lo tanto, su comportamiento
colectivo.
Usualmente la "verificaci�n de quorum " sirve para controlar procesos que son
efectivos cuando un gran numero de bacterias act�an en conjunto. Si existe
quorum, es decir, si el numero de ellas es el adecuado, se desencadenara una
respuesta colectiva. Por ejemplo
-
Millones de bacterias bioluminescentes decidir�n emitir luz
simult�neamente a fin de permitir a su hospedador (un calamar) "encenderse"
y utilizar la luz producida, para, por ejemplo, distraer a un predador...
-
Bacterias pat�genas como Salmonella esperan a "reunir
quorum" antes de liberar las toxinas que atacaran a su hu�sped. Si la
bacteria ataca sola, en vez de hacerlo en conjunto, el sistema inmunol�gico
la neutraliza r�pidamente.
-
Las investigaciones respecto a este tema mostraron adem�s
que las bacterias utilizan la 'verificaci�n de quorum ' en :
-
el proceso de
formaci�n del viscoso biofilm que forma las placas de los dientes
-
la regulaci�n de la divisi�n
-
la formaci�n de esporas.
Investigadores de la Universidad de
Princenton identificaron un autoinductor, el AI-2 (AutoInducer 2)
que posee la potencialidad de mediar la comunicaci�n en diferentes especies
bacterianas y postularon la existencia de un mecanismo com�n empleado
por las bacterias en ambientes naturales.
La identificaci�n qu�mica del AI-2 se
realiz� mediante cristalograf�a de Rayos X y llev�, entre otras, a la
conclusi�n de que se trataba de un derivado de 4,5-dihidroxi-2,3-pentanodiona
y que, esto es lo novedoso, en su forma c�clica es un sustrato plausible para
la adici�n de borato. Los estudios de densidad electr�nica del AI-2 indican
que se trata de un furanosil borato diester y representa el primer rol
bioqu�mico definido para el Boro en sistemas biol�gicos
La estructura de la membrana
bacteriana es similar a la de plantas y animales, es por ello que se habla para
ellas de una "membrana elemental ". Puede aislarse utilizando lisozima
mediante shock osm�tico.
Esta compuesta primariamente de
prote�nas y fosfol�pidos (cerca de 3:1). Realiza numerosas funciones
que incluyen las de transporte, bios�ntesis y transducci�n de energ�a.
- es la barrera osm�tica de la
c�lula
- es sede de los sistemas de
transporte activo y de las permeasas espec�ficas
- en la membrana (o junto a
ella) se encuentran las enzimas y componentes del transporte de electrones y
fosforilaci�n oxidativa (recordemos que en eucariotas las mismas est�n en
las mitocondrias)
- all� se realiza la s�ntesis
de componentes de la pared celular y de las c�psulas
- lugar de excreci�n de
exoenzimas
- sede del centro de replicaci�n
del ADN
- punto de anclaje de los
flagelos
Las membranas procari�ticas, a
diferencia de las de eucariotas, carecen de esteroles (excepto
Oxyphotobacteria, ciertas bacterias metilotrofas y los Mollicutes). Pero en
cambio, en muchas bacterias existe una peculiar clase de compuestos polic�clicos,
denominados hopanoides (triterpenoides pentac�clico) que parecen
condicionar parte de la rigidez de las membranas citopl�smicas.
En arqueobacterias, que presentan
en lugar de los habituales l�pidos a base de �steres de �cidos grasos con
glicerol, existen l�pidos a base de �teres de alcoholes de cadena
larga con glicerol (p. ej., difitanil-glicerol-di�teres).Los
alcoholes suelen ser derivados poliisoprenoides. Este tipo de membranas son m�s
r�gidas que las de eubacterias.
Esta limitado por la membrana
citoplasm�tica, y en el se encuentran las inclusiones celulares. En un
principio considerado una "soluci�n" homog�nea de prote�nas, los m�todos
de fraccionamiento acoplados a los estudios bioqu�micos y de microscop�a
electr�nica mostraron la complejidad del sistema. En realidad esta atravesado
por numerosas membranas que lo compartimentalizan, si bien esta
compartimentalizaci�n no es tan desarrollada como en eucariotas.
Si se homogeneizan c�lulas
bacterianas y luego se las centrifuga a 100.000 g se separa en el fondo del tubo
de centrifuga una fracci�n "particulada" que contiene los ribosomas y
las membranas con los �cidos nucleicos, y una fracci�n "soluble" que
contiene prote�nas, y los �cidos ribonucleicos solubles ( tARN y mARN).
En muchas bacterias la membrana
rodea al citoplasma sin pliegues ni invaginaciones, en otras est� invaginada y
atraviesa el citoplasma (bacterias fototrofas como Chromatium o Rhodospirillum).
El crecimiento e invaginaci�n de
la membrana citoplasm�tica rellena la luz de las bacterias fotosintetizadoras
originando tubos y ves�culas (cuando se rompen las bacterias aparecen como ves�culas
aisladas que reciben el nombre de "cromat�foros"). En otras bacterias
fotosintetizadoras las ves�culas est�n aplanadas y se apilan ordenadamente y,
al igual que en las ves�culas de los cloroplastos de las plantas verdes, se
denominan tilacoides.
Las membranas fotosintetizadoras son similares a la citoplasm�tica y en ella se
encuentran las bacterioclorofilas y los carotenoides que intervienen en la fotos�ntesis.
Tambi�n se encuentran aqu� los componentes del sistema fotosint�tico de
transportes de electrones y de la fosforilaci�n.
Los ribosomas
Los ribosomas son las estructuras
celulares donde se sintetizan las prote�nas. Se encuentran en el citoplasma
bacteriano y al microscopio electr�nico se presentan como part�culas de unos
16 x 18 nm. Un ribosomas de E. coli es una ribonucleoproteina con una
masa de 2700 kd, un diametro aproximado de 200 �. Los 20,000 ribosomas de una c�lula
bacteriana constituyen cerca de una cuarte parte de todo su volumen. Los
ribosomas no disociados tienen una velocidad de sedimentaci�n en una ultra
centr�fuga de 70 S. Los ribosomas pueden disociarse en una subunidad
grande (50S) y una subunidad peque�a (30S)que unidas forman el
ribosoma 70 S.
Subunidades ribos�micas (A) 30S, (B) 50S, y (C) 70S
Debe destacarse que los ribosomas
de las organelas eucariotas (mitocondrias y cloroplastos) tienen 70 S,
es decir son similares a los de los procariotas. (ver La hip�tesis endosimbi�tica
del origen eucariota).
El n�mero de ribosomas depende de la velocidad de crecimiento de la c�lula (
> velocidad mas ribosomas) y oscila entre 5.000 a 50.000 / c�lula.
En la constituci�n del ribosoma intervienen prote�nas y ARNr (r por
ribos�mico), del 80 al 85% del ARN bacteriano est� en los ribosomas. Son la
parte principal ("core" ) de los ribosomas y posiblemente la
clave del mecanismo de traducci�n de las prote�nas. Se conocen tres tipos : 5S
y 23S pertenecientes a la unidad 50S y el 16S de la unidad
30S , su estudio comparativo llev� a postulaci�n de un �rbol Filogen�tico
Universal.
Durante la s�ntesis proteica en las microfotograf�as electr�nicas se
observan cadenas de ribosomas ordenados regularmente. Se trata de ribosomas
alineados a lo largo del filamento de ARNm ( m por mensajero, los polirribosomas
o polisomas
Los ribosomas citoplasm�ticos de los eucariotas tienen una velocidad
de sedimentaci�n mayor: 80 S. Esta diferencia entre los ribosomas de las
bacterias (70 S) y de los eucariotas (80 S) constituyen para ellas (si, nosotros
somos eucariotas) un "tal�n de Aquiles" ya que algunos antibi�ticos interfieren
en alg�n punto de la s�ntesis proteica que procesan los ribosomas 70 S (ver
Tabla siguiente), y no la afectan cuando se trata de ribosomas 80 S.
Inhibici�n de
la s�ntesis proteica por antibi�ticos en procariotas
| Antibi�tico |
Punto
de acci�n |
| Eritromicina |
Funci�n
de la subunidad 50 S |
| Tetraciclinas |
Anclaje
del ARNt a los ribosomas |
| Estreptomicina |
Uni�n
de los amino�cidos |
| Cloranfenicol |
Incorporaci�n
de amino�cidos a las prote�nas
|
- Autorradiografía ( del griego autos = mismo, propio): Procedimiento destinado a determinar la presencia (o no) de una molécula en un determinado compuesto, para ello se utiliza un método que permita incorporar isótopos radiactivos en una molécula ("marcar" la molécula). El compuesto donde se supone que se incorporó la molécula se coloca sobre un soporte ( puede ser una placa de vidrio) y se cubre la preparación con placa
radiogr�fica. Las emisiones resultantes del fenómeno de desintegración radiactiva originadas por la presencia del isótopo, sensibilizan en ese punto a la placa
radiogr�fica, la que, al ser revelada indica la presencia (o no) del isótopo buscado.
- Citocinesis (del griego kytos= recipiente; kinesis = movimiento): División del citoplasma de una célula luego de la duplicación del material nuclear.
- Clon (del griego klon = ramita): Población de individuos derivados por reproducción asexual de un solo antecesor.
- Desintegración radioactiva: La conversión
espont�nea de un átomo a un átomo de un elemento
diferente por la emisión de una partícula de su núcleo (desintegración alfa o beta).
- Genoma 1. Conjunto de genes de un individuo. 2. Conjunto de genes compartidos por los miembros de una unidad reproductiva tales como una población o especie.
- Genes (del griego genos = nacimiento, raza; del latín genus = raza, origen): segmentos específicos
de ADN que controlan las estructuras y funciones celulares; la unidad funcional de la herencia.
Secuencia de bases de ADN que usualmente codifican para una secuencia polipept�dica
de
aminoácidos.
- Histonas: Grupo de cinco proteínas básicas asociadas con el ADN de los eucariotas
- Horquilla de replicación: La estructura en forma de Y que se forma en el punto donde se separan las hebras del ADN al momento de la replicación y donde se sintetizan las dos cadenas complementarias.
- Isótopo (del griego isos = igual, topos = lugar): átomos con el mismo número atómico pero con un
diferente número de neutrones; se los nombra agregando el número de masa al nombre del
elemento, p.ej. carbono 12 o 12C; carbono 14 o 14C.
- Monómero (del griego monos = uno, solo; meros = parte): Molécula que constituye la unidad que se repite en un polímero.
- Mutación(del latín mutare= cambiar): Cambio en la secuencia del ADN que se hereda.
-
Número atómico: el número de protones en el núcleo de un átomo.
- Nucleótidos : Los monómeros de los ácidos nucleicos, se componen de un fosfato, un azúcar y una base nitrogenada (fórmulas). Los nucleótidos se encuentran relacionados con el almacenamiento de la información (ADN), síntesis proteica (ARN) y transferencia de energía, como nucleótidos simples ATP,
GTP, UTP...(fórmulas) o dobles NADH y NADPH (fórmulas).
- Pirimidinas: Uno de los grupos de base nitrogenadas (el otro es el de las purinas) que son parte de los nucleótidos. Las pirimidinas poseen un solo anillo y comprenden a la
timina(ADN), uracilo (en el ARN) y la citosina (ADN). Enlace a las fórmulas.
- Polímero (del griego polys = muchos, meros = parte): Molécula compuesta por muchas
subunidades idénticas o similares.
- Proteínas: (del griego proteios = primario, del griego Proteo, dios mitológico que adoptaba
numerosas formas). Polímeros constituidos por aminoácidos que intervienen en numerosas funciones
celulares. Una de las clases de macromoléculas orgánicas que tienen funciones estructurales y de
control en los sistemas vivientes. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por uniones
peptídicas.
- Purinas: Uno de los grupos de base nitrogenadas (el otro es el de las pirimidinas) que son parte de los nucleótidos. Las pirimidinas poseen dos anillos y comprenden a la adenina y a la guanina. Enlace a la fórmulas.
- Reacción de Feulgen : Descripta por Robert Feulgen, esta tinción se basa en que, en determinadas condiciones experimentales (el ARN es eliminado por hidrólisis ácida o enzimática), la fucsina decolorada recobra su color rojo en presencia del ADN de la muestra tratada; dicho color permite visualizar, por microscopía óptica, su localización en la muestra procesada.
- Replicación (del �latín ? replere = rellenar): Proceso anterior a la división celular por el cual se duplica el ADN.
- Timina: Una de las bases pirimidínicas del ADN, la timina es reemplazada por el uracilo en el ARN.
- Tritio (el griego tri = tres): 3H, isótopo radioactivo del hidrógeno (2H), con una vida media de 12,5 años.
- Vida Media: El tiempo requerido para la desintegración de la mitad de la cantidad original de un elemento radioactivo y su conversión en un elemento
m�s estable.
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