Bacteria

MICROBIOLOGIA GENERALCURSO 2012TEMA: Introducción a la Microbiología.DOCENTE: Dra. Nora IñónBibliografía recomendada:Brock Biología de los Microorganismos de Madigan, Martiniko y Parker, 10aedición (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/eianez1

Microbiología• Es el estudio de los microorganismos• Como ciencia básica permite conocer losprocesos vitales en sistemas simples.• Como ciencia aplicada permite solucionarproblemas prácticos, por ej. en medicina,agricultura, industria, etc.2

Características de la célula• Las células microbianas son distintas a lascélulas de animales o de plantas.• Crecen, se multiplican, generan energía.• A diferencia de las células de animales ode plantas, las células microbianaspueden vivir en forma aislada de otrascélulas.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 comoexisten en vida libre.•La diversidad de los microorganismos.•La evolución de los microorganismos.•Los distintos procesos que llevan a cabo.5

La microbiología es una cienciabiológica• Como ciencia básica es la herramientamas simple para el estudio de procesosvitales.• Como ciencia aplicada se puede utilizaren distintos campos: para el estudio de laproducción animal; fertilidad de la tierra;enfermedades humanas, de animales y deplantas; procesos biotecnológicos o“Biotecnología”, etc.6

Los microorganismos como células• Es la unidad fundamental de la vida.•Posee membrana celular y en algunoscasos pared.•En el citoplasma se encuentran sustanciasquímicas, estructuras subcelulares y unaregión nuclear o núcleo.• Las células contienen proteínas, ácidosnucleicos, lípidos y polisacáridos7

Ancestro común• Se piensa que todas las células provienende un ancestro común o ancestrouniversal que a lo largo de millones deaños de evolución ha dado lugar a la grandiversidad observada hoy en día.8

Localización de las macromoléculas en la célulaa) Las proteínas se encuentran en toda la célula formando parte de estructurascelulares y de las enzimas. b) ácidos nucleicos. El DNA (verde) se encuentra en elnucleoide de las células procarióticas y en el núcleo de las células eucarióticas. ElRNA (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, enocasiones, en gránulos de reserva internos. (d) Los lípidos (azul) se localizan en lamembrana citoplasmática, la pared celular y en gránulos de reserva.9

Peso seco de una célula encrecimiento de Escherichia coliaproximadamente 2,8 x 10 -13 gPeso total (70 % agua) = 9,5 x 10 -13 gEl 96% del peso seco de una célulaes debido a las macromoléculas y,dentro de estas , las proteínas sonlas más abundantes. Las proteínasse encuentran por toda la célula ytienen funciones estructurales ycatalíticas. Le sigue el ácidoribonucleico (RNA) presente en losribosomas (junto con las proteínas),RNA mensajero y de transferencia.10

- Las células tienen estructura y tamaño definidos.- Sufren cambios continuamente sustituyendo cadauna de sus partes.- Son unidades dinámicas.- Son sistemas abiertos que cambiancontinuamente pero que a la vez permanecendentro de ciertos límites.11

Características de una célula• Metabolismo• Reproducción• Diferenciación• Comunicación• Movimiento• Evolución12

Características de los sistemas vivos1- Metabolismo. Toman sustanciasquímicas del medio y las transforman,conservan parte de la energía de dichassustancias de modo que las célulaspuedan usarla, y luego eliminan losproductos de desecho. La célula es porlo tanto un sistema abierto.2- Reproducción. Poseen la capacidadde autoduplicarse es decir dirigir unaserie de reacciones químicas queconducen a su propia síntesis.Como resultado de los procesosmetabólicos, una célula crece y sedivide para formar dos células.13

3- Diferenciación. Proceso por el cualse forman nuevas sustancias oestructuras. A menudo forma parte deun ciclo de vida en el cual la célulasforman estructuras especialesrelacionadas con la reproducción, ladispersión o la supervivencia.4- Comunicación. Las célulasresponden a señales químicas en sumedio ambiente, tales como lasproducidas por otras células. Puedencomunicarse por medio de pequeñasmoléculas (como la AHL o lactona dehomoserina acilada), que se difunden ypasan entre células vecinas.Existen vías regulatorias que respondena densidad de población o Quorumsensing (percepción en quorum).14

5- Movimiento. Algunos organismosvivos son capaces de moverse porautopropulsión. Hay diferentesmecanismos responsables de lamovilidad en el mundo microbiano.6- Evolución. A diferencia de lasestructuras inertes, las células puedenevolucionar. A través del proceso deevolución las células pueden cambiarpermanentemente sus características ytransmitir las nuevas propiedades a sudescendencia.15

Las células como máquinas y como sistemascodificados- Como máquinas químicas: llevan a cabotransformaciones químicas. Convierten energía de unaforma a otra, rompen moléculas, construyen moléculas.Las fuerzas conductoras son las enzimas ocatalizadores que son proteínas capaces de acelerar lavelocidad de reacciones químicas específicas.- Como sistemas codificados: son análogos a lascomputadoras, que guardan y procesan la informacióngenética (DNA) que pasa finalmente a la descendenciadurante la reproducción.El enlace entre estos dos atributos es el crecimiento, elcual debe estar coordinado y regulado para lograr queuna célula se reproduzca con fidelidad.16

Las células como dispositivos de codificación procesan lainformación que se transmite a su descendencia o setraduce de otra forma.Función codificante:transcripcióntraducciónDNA RNA ProteínaLa célula es un depósito de información de secuencias deproteínas almacenadas en forma codificada. El código es elcódigo genético almacenado en el DNADNA: secuencia de nucleótidos.Cada aminoácido de una proteína está codificada por una secuencia detres base o triplete. A pesar de la diferencia en la frecuencia del uso deun determinado codón para codificar por un aminoácido determinado, elcódigo genético, con unas pocas excepciones, es el mismo para todoslos organismos.17

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 elamino ácido triptofano. Para el resto de los amino ácidos hay al menos 2, usualmente 4 yalgunas veces 6. Por ejemplo hay 6 codones (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG) para elaminoácido leucina. Nucleótidos (A: adenina; C: citosina; G: guanina; U: uracilo)18

Código genético y frecuencia de usoen Escherichia coli y en humanos.Los distintos codones que codifinan para unmismo aminoácidos no son usados por losdiferentes organismos con la mismafrecuencia. De los 4 codones para glicina,GGA es usado 26% del tiempo por genesestructurales humanos y aproximadamente9% del tiempo para las proteínascodificadas por genes de la bacteria E. coli.Lo mismo ocurre con el uso de los codonesstop.Codon Amino ácido Frecuencia de usoE. coli humanosGGA glicina 0,09 0,26UGA stop 0,30 0,61UAG stop 0,09 0,17UAA stop 0,62 0,2219

-Los genes están compuestos de ácidodesoxirribonucleico (DNA).-La información guardada en el DNA codificala secuencia de una proteína, y lo hace através de una molécula intermediaria, elácido ribonucleico (RNA).-La transferencia de la información al RNA sedenomina transcripción.- La molécula de RNA que lleva lainformación que codifica una proteína sedenomina RNA mensajero (mRNA).- Algunas regiones del DNA que setranscribe codifican también para otros tiposde RNA, tales como el RNA de transferencia(tRNA) y RNA ribosómico (rRNA).Síntesis de tres tipos demoléculas informacionalesGen se puede definir entonces como un segmento de DNA que codifica para unaproteína, un rRNA o un tRNA.20

Traducción.La secuencia específica de aminoácidos en cada proteína estádeterminada por una secuencia específica de bases en el mRNA.- Existe una correspondencia lineal entre la secuencia de bases de ungen y la secuencia de aminoácidos de un polipéptido.-Se necesitan tres bases del mRNA para codificar un solo aminoácidoy cada uno de estos tripletes se denomina codón.-Este código genético se traduce a proteína por medio de lamaquinaria para la síntesis de proteínas. Este sistema consta deribosomas (compuestos a su vez de proteínas y rRNA), tRNA y variasenzimas.La transferencia de información de ácido nucleico a proteína esunidireccional.La secuencia de la proteína no indica la secuencia del ácidonucleico. Esta transferencia unidireccional de la información seconoce como dogma central de la biología porque es compartida portodas las formas de vida de nuestro planeta.21

El DNA sufre dos transformaciones principales:1- replicación2- transcripción traducción.-El aparato de traducción es una maquinaria muy compleja y es el centromismo de la función celular.- Es el atributo central y fundamental de la célula.- Con pequeñas variaciones es prácticamente el mismo en todos losorganismos.- Ha sido probablemente una adquisición muy temprana en la historia dela Tierra y se ha mantenido sin grandes variaciones hasta ahora.22

Teoría de Darwin• Durante el crecimiento celular y división debe haber unaduplicación del código genético. La fidelidad de la copiadebe ser muy alta. Los errores suelen dar mutaciones.En general las mutaciones son perjudiciales.• En raros casos las mutaciones son beneficiosas y, si elmedio ambiente es adecuado, dan una ventaja selectivapermitiendo una selección natural. Esto forma parte delproceso de evolución enunciado en la Teoría de Darwin.Teoría de Darwin• mutación selección evolución23

La evolución necesita reproducción, variación y presión selectivaEl proceso evolutivo. Hay varios principios básicos comunes a lossistemas en evolución, tanto si son simples colecciones demoléculas como poblaciones de organismos en competición.1- La propiedad fundamental de los sistemas en evolución es sucapacidad para replicarse o reproducirse. Sin su capacidad dereproducirse, cada “especie molecular” que pueda aparecer estácondenada a su extinción, tan pronto las moléculas individuales sedegraden. Las moléculas capaces de replicarse seguiránrepresentadas en la población, incluso si el tiempo de vida de cadamolécula 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 sereplica siempre perfectamente, la molécula replicada será igual alas moléculas progenitoras y la evolución no podrá tener lugar.24

3- El tercer principio básico de la evolución es la competición. Lasmoléculas que se replican compiten entre sí por los recursosdisponibles, tales como los precursores químicos, y la competiciónpermite que ocurra el proceso biológico de la evolución por laselección natural. La variación producirá distintas poblaciones demoléculas. Algunas de las variantes que surjan pueden estar, porcasualidad, mejor adaptadas que las moléculas progenitoras parasobrevivir y replicarse en las condiciones predominantes. Lascondiciones predominantes ejercen una presión selectiva queproporciona una ventaja a una de las variantes. Estas moléculas queson más capaces de sobrevivir y replicarse, aumentarán enconcentración relativa. Por tanto surgen nuevas moléculas que sonmás capaces de replicarse en las condiciones de su entorno. El mismoprincipio es válido para los organismos actuales. Los organismos sereproducen, presentan variaciones entre organismos individuales ycompiten por los recursos; las variantes con ventajas evolutivas sereproducirán con más éxito.25

Fidelidad de la replicación del DNA y fenómeno de mutaciónLa parte de arriba de la figura muestra un evento dereplicación normal; la parte de debajo de la figuraesquematiza la introducción de una mutación26

Reproducción de una célula. Para que una célula se reproduzca debe disponerde un suministro adecuado de energía y de precursores para la síntesis denuevas macromoléculas, el material genético debe duplicarse para que durante ladivisión celular cada célula reciba una copia. Los genes deben expresarse(mediante los procesos de transcripción y traducción) para formar las cantidadesrequeridas de proteínas y macromoléculas necesarias para hacer la nueva célula.27

Resumiendo-Una célula no está en equilibrio con su entorno- Es un sistema abierto que toma energía la cual utiliza enparte 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 lascélulas.-Si la reproducción es correcta se origina una célula viva.28

El origen de la vidaLa composición química promedio de una célula viva es muydistinta a la de la Tierra. Los elementos clave como por ej C,H, O, N, P y S son mucho mas abundantes en losorganismos vivos que en la materia no viva como porejemplo la corteza de la tierra.La célula es un sistema químico selectivo compuestoprincipalmente de C, H, O, N, P y S, (los elementosprincipales de la vida).Esto enfatiza la naturaleza especial y no al azar de unacélula viviente.29

Diferencias químicas entre un organismo vivo y la Tierra30

Según el famoso patólogo celular alemánRudolph Virchow: “Omnis cellula e cellula” quequiere decir:“Toda célula proviene de una célula”.La pregunta es entonces ¿De donde proviene laprimera célula?Se piensa que proviene de una estructura procelular31

En 1920 Oparin en la Unión Soviética y Haldane enInglaterra sugirieron que hubo un período de evoluciónquímica prebiótica antes de la aparición de la primera célulaAcción de la luz UVRayosCalor volcánicoSuperficies inorgánicas(catalizadores)Concentración por períodosde congelamiento o ciclos dedesecaciónDiversos compuestosorgánicos.Polimerización de estoscaldos.Catalizadores proteicos.Confinamiento de unsistema autocatalítico enuna célula rodeada por unamembrana.Evolución desarrollandovías biosintéticas.32

El planeta Tierra tiene aproximadamente 4.500 millones de años. Hayevidencias fósiles de que organismos que se asemejan morfológicamentea las bacterias modernas, existieron hace ya 3.500 millones de años. Apartir de resultados de estudios programados y de descubrimientosaccidentales se ha podido construir una vía evolutiva hipotética, peroplausible, desde el mundo prebiótico hasta el presente. Podemosimaginar que distintas etapas llevaron a la aparición de las especiesvivas modernas.1ra etapa. Producción inicial de algunas de las moléculas claves de lavida (ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono y lípidos) medianteprocesos no biológicos.2da etapa. Transición de la bioquímica prebiótica a sistemas capaces dereplicarse. Con el paso del tiempo estos sistemas se hicieron cada vezmás complejos, permitiendo la formación de las células vivas.Bioquímica prebiótica sistemas capaces de replicarse célula33

3ra etapa. Evolucionaron los mecanismos para convertir la energíade las fuentes químicas y del Sol en formas que pudieran serutilizadas para dirigir las reacciones químicas. Estos procesos deconversión de energía están interconectados con las vías parasintetizar los componentes de los ácidos nucleicos, las proteínas yotras sustancias clave, a partir de moléculas más sencillas. Con elperfeccionamiento de los procesos de transformación de la energía yde las vías de biosíntesis se desarrollaron una gran variedad deorganismos unicelulares.4ta etapa. Evolución de los mecanismos que permitían a las célulasajustar su bioquímica a entornos diferentes y, a menudo cambiantes.Organismos con estas capacidades pudieron formar coloniascompuestas por grupos de células capaces de interaccionar yalgunos finalmente evolucionaron hacia organismos pluricelularescomplejos.Organismos células capaces de interaccionar organismos complejos34

Señalamos que la vida apareció aproximadamente 1000 millones deaños después de la formación de la Tierra. Pero antes de que la vidapudiese existir fue necesario que otro proceso fundamental tuvieselugar. Esto es, la síntesis de moléculas orgánicas, necesarias para lossistemas vivos, a partir de moléculas sencillas presentes en el entorno.Muchos componentes de las macromoléculas bioquímicas sepueden producir en reacciones prebióticas sencillas.Entre las distintas teorías que compiten para explicar las condicionesdel mundo prebiótico, ninguna es totalmente satisfactoria o está libre deinterrogantes. Una teoría sostiene que la primera atmósfera de la Tierraera muy reductora, rica en metano, amoníaco, agua, e hidrógeno y queesta atmósfera estaba sometida a grandes cantidades de radiaciónsolar y relámpagos. De momento supondremos que esas condicionesfueron las de la Tierra prebiótica.¿Se pueden sintetizar moléculas complejas en esas condiciones?35

En los años 50, Stanley Miller y Harold Urey elaboraron unarespuesta a esta pregunta. Hicieron saltar una descarga eléctrica,simulando relámpagos, a través de una mezcla de metano,amoníaco, agua e hidrógeno. Asombrosamente, estosexperimentos dieron una mezcla de compuestos orgánicos muydeterminada, que incluía aminoácidos y otras sustanciasfundamentales para la bioquímica.H 2 0 aguaNH amoníaco3CH metano4H 2hidrógenochispas eléctricasaminoácidos36

El proceso produce los aminoácidos glicina y alanina con unrendimiento aproximado del 2% y pequeñas cantidades deácido glutámico y leucina.37

El ácido cianhídrico (HCN), otro componente probable de laatmósfera primitiva, se condensa al exponerse al calor o a la luzpara producir adenina, una de las cuatro bases de los ácidosnucleicos. Otras moléculas sencillas se combinan para formar elresto de las bases. Una gran cantidad de azúcares, incluyendo laribosa, se pueden formar a partir del formaldehido encondiciones prebióticas.38

¿Cuál fue el origen de la información genética?¿Cómo se originó el código genético?, es decir la posibilidad dealmacenar información que pueda ser traducida en la formación demacromoléculas.Como un sistema primitivo de replicación y expansión de lainformación es probable que el RNA fuese la primera macromoléculaportadora de información combinando las funciones de catalizadores yde moldes (templados) en la misma molécula. Recientemente Cech yAltman, en forma independiente, descubrieron que ciertas moléculas deRNA podían ser catalizadores eficientes. A estos RNA catalizadores selos denominó ribozimas. Las ribozimas cortan su propia cadena enlugares específicos y pueden aumentar la longitud uniendo losextremos generados en dichos cortes.El descubrimiento de las ribozimas ha sugerido la posibilidad de quelas moléculas de RNA catalíticas pudieran haber desempeñadopapeles esenciales en las etapas tempranas de la evolución de la vida.39

La capacidad catalítica de las moléculas de RNA está relacionada con laposibilidad de adoptar estructuras específicas y complejas. La ribozima“cabeza de martillo” identificada por primera vez en un virus de plantas inducela hidrólisis de moléculas de RNA determinadas en lugares específicos. Laribozima, que necesita Mg++ y otros iones para que tenga lugar la hidrólisis,forma un complejo con la molécula de RNA sustrato, que puede adoptarentonces, una conformación reactiva.40

Finalmente el almacenamiento de información habríapasado a ser el DNA (compuesto mas estable y menosversátil), mediante la transcripción inversa, mientras quela actividad catalítica habría sido asumida por las enzimasproteicas (mas flexibles y eficaces).No existe indicio alguno de cómo podría haber sido elmecanismo elemental de traducción previo al actual, en elcual participan mas de 100 componentes.41

Potencial genético de una célula¿Cuántos genes tiene una célula?Escherichia coli tiene aproximadamente 4,6 millones de paresde bases (4.600 kilobases). Si un gen en promedio tiene 1.1kb, significa que la célula tiene aproximadamente 4.300genes, si todo el DNA codificara para proteínas. Pero no todoel DNA codifica para proteínas. Se estima que E. coli tieneunos 3000 genes , de los cuales 1000-2000 son expresadosen algún momento particular. Las células eucarióticas puedentener muchos mas. Por ejemplo la célula humana tiene 1000veces mas DNA que la célula de E. coli y alrededor de 7veces su número de genes. La mayor parte del DNA en lascélulas eucarióticas es no-codificante.42

¿Cuántas proteínas hay en una célula?Una única célula de Escherichia coli contieneaproximadamente 1900 clases de proteínas diferentes y untotal de 2,4 millones de moléculas de proteínas individuales,algunas de ellas en gran número (mas de 100.000) y otras enpequeño número (menos de 100). La célula tiene algunosmedios para controlar la expresión (transcripción y traducción)de sus genes y debido a esto no todos los genes sonexpresados en la misma extensión o al mismo tiempo. Tantolas células procariotas como eucariotas controlan la expresiónde sus genes de modo que no todos ellos se expresan con lamisma frecuencia o al mismo tiempo.43

GlosarioCromosoma: elemento genético que lleva genes esenciales para elfuncionamiento de la célula.Citoplasma: contenido celular que se encuentra dentro de la membranacitoplasmática, excepto el núcleo (si existe).Genoma: el conjunto de genes de un organismo.Nucleoide: masa total del DNA que constituye el cromosoma de lascélulas procarióticas.Núcleo: una estructura rodeada por una membrana que contiene loscromosomas en células eucarióticas.Plásmido: un elemento genético extracromosómico que no es necesariopara el crecimiento.Ribosoma: partícula citoplasmática donde se realiza el proceso de lasíntesis de proteínas.44

Procariota: una célula que carece de un núcleo delimitadopor una membrana nuclear y de otros orgánulos.Eucariota: una célula con un núcleo delimitado por unamembrana nuclear y que en general presenta otrosorgánulos, como las mitocondrias o los cloroplastos quecontiene su propio DNA (normalmente en disposicióncircular, como en Bacteria) y sus propios ribosomas. Losorganismos pertenecen al dominio Eukarya.Filogenia: relaciones evolutivas entre organismos.Dominio: el nivel mas elevado de la clasificación biológica(Bacteria, Archaea y Eukarya)45

Estructura celular y relación estructura funciónTodas las células tienen una barrera llamada membrana citoplasmáticao celular que separa el interior del exterior de la célula. En el interior seencuentra el citoplasma, donde se llevan a cabo las funciones de lacélula. Los principales componentes del citoplasma son: agua,macromoléculas (proteínas y ácidos nucleicos), ribosomas, pequeñasmoléculas orgánicas precursores de macromoléculas y varios ionesinorgánicos. En los ribosomas se sintetizan las proteínas. Estáncompuestos por ácido ribonucleico (RNA) y proteínas que interaccionancon proteínas solubles y con el RNA mensajero. La pared celular seencuentra en el exterior, rodeando la membrana plasmática, esrelativamente permeable y otorga rigidez estructural a las células. Losvegetales y la mayoría de los MOs poseen pared, la mayoría de las célulasanimales carecen de ella pero tiene un citoesqueleto.46

Células eucariotas y procariotasSe pueden distinguir por un análisis detallado de laestructura celular interna. Las células eucarióticas songeneralmente mas grandes y estructuralmente mascomplejas que las procarióticas presentando estructuraslimitadas por membranas llamadas orgánulos. Losorgánulos comprenden el núcleo, las mitocondrias y loscloroplastos (presentes solo en las células fotosintéticas).Las mitocondrias y los cloroplastos desempeñan funcionesespecíficas en la generación de energía, llevando a cabo larespiración y la fotosíntesis, respectivamente.Los microorganismos eucarióticos comprenden las algas, loshongos y los protozoos. Todos los metazoos (animales yplantas) están formados por células eucarióticas.47

Estructura interna de las células microbianasa) Diagrama de un procariotab) Diagrama de un eucariota48

Organización del DNA. Núcleo versus Nucleoide. Losgenomas presentan una organización diferente en célulasprocariotas y en células eucariotas. En procariotas, el DNA seencuentra como una molécula larga de dos cadenasformando el cromosoma bacteriano que se condensa para daruna masa visible llamada nucleoide. En la mayoría de losprocariotas el DNA es circular, y en general, poseen uncromosoma único que contiene una sola copia de cada gen,por lo cual son genéticamente haploides. Pueden tenertambién pequeñas cantidades de DNA extracromosómico,llamados plásmidos que les confieren propiedadesparticulares no esenciales y en general requeridas para lasupervivencia.51

En eucariotas, el DNA se encuentra dentro del núcleoorganizado en cromosomas. El número de cromosomasdepende del organismo y a diferencia de los procariotascontienen dos copias de cada gen, por lo tanto son diploides.Saccharomices cerevisiae tiene 8 pares de cromosomas,células humanas tiene 23 pares de cromosomasLos cromosomas contienen, además de DNA, proteínas quefavorecen el plegamiento y el empaquetamiento del DNA, asícomo proteínas necesarias para la expresión génica.Durante la división celular el núcleo se divide (luego deduplicarse el número de cromosomas) mediante el procesode mitosis originándose 2 células hijas idénticas.52

Empaquetamiento de DNA alrededor de un núcleo dehistonas para formar un nucleosoma.Los nucleosomas seordenan a lo largo de lacadena del DNAasemejando bolas en unacuerda. Esta conformaciónes típica del DNA en lascélulas eucarióticas.Histonas centrales53

Características que diferencian a procarióticas de los eucarióticas-Cromosoma circular único (nucleoide), en lugar de un núcleo conmúltiples cromosomas.-Ausencia de membrana nuclear y aparato mitótico.-Ausencia de histonas verdaderas, nucleosomas.-Ausencia de intrones en los genes que codifican proteínas y escasapresencia de los mismos en los que codifican tRNA.-La transcripción se acopla con la traducción. El extremo del mRNA noestá 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,..).54

-Ausencia de esteroides y fosfatidilcolina en la membrana.-Ausencia de vesículas endocíticas.-Ausencia de retículo endoplásmico (aunque algunas bacteriasautotróficas pueden presentar algunas invaginaciones de la membranacitoplasmática).-Ausencia de mitocondrias y otros orgánulos limitados por membranas(con algunas excepciones).-Ausencia de triglicéridos (en algunos grupos el carbono se almacena enforma de ácido poli-beta-hidroxibutírico-Movimiento por rotación de flagelos-Características metabólicas exclusivas: fijación de nitrógeno, respiraciónanaeróbica (con aceptores de electrones distintos al oxígeno),fotosíntesis sin producción de oxígeno.55

Por muchos años se pensó que los organismos procarióticos carecían de uncitoesqueleto que le permitiera tener un nivel de organización citoplasmáticasimilar a los organismos eucarioticos. Recientemente se han identificado lostres elementos del citoesqueleto de eucariotes en Bacteria (microfilamentos,filamentos intermedios y microtubulos) y uno de ellos en Archaea. Loselementos del citoesqueleto de Bacteria son similares estructuralmente a sucontraparte en eucariotas y tienen funciones similares: los mismos participanen la división celular, localizan proteínas en ciertos sitios de la célula ydeterminan la forma de la misma.56

MreB (la contraparte en célulaseucarióticas es la actina). Seobserva en muchas bacterias enforma de bastón. En Bacillussubtilis es llamada Mb1. MreBforma filamentos en espiralalrededor del interior de la céluladeterminando la forma de lamisma y ayuda a movercromosomas a polos opuestosde la misma.57

Mb corresponde a megapares de bases. Todos los genomas procarióticos indicados hansido secuenciados. Todos los organismos del listado son unicelulares58

a) Micrografía de células de bacteriasb) Sección longitudinal de una célula bacteriana vista conmicroscopio electrónico.c) Interpretación artística en 3 dimensiones de una bacteriaGram negativa.59

Micrografía electrónica de una sección de una célula deldominio Bacteria.Helicobacterium modesticaldumLa célula mide 1x3 m. El áreaclara representa el nucleoide,región de la célula que contieneel DNA. Corte longitudinal.60

Micrografía electrónica de una célula de Saccharomycescerevisiae (Dominio Eukarya). La célula mide 8 m dediámetroMembranacitoplasmáticaNúcleoPared celularMembrana internaMitocondria62

Estructura interna de células microbianasPared celularabcitoplasmaMitocondriacdProcariote a) diagrama y b) microscopía electrónicaEucariote c) diagrama y d) microscopía electrónicaNúcleoNucleolo63

Los virus-no son células-No son sistemas abiertos dinámicos-Son estructuras estáticas y muy estables-Incapaz de cambiar o reponer estructuraspor si mismos-Necesitan de la maquinaria de la célulapara replicarse y para sintetizar susproteínas-No tienen metabolismo propio-No tienen aparato de traducción-Son mucho más pequeños que las células64

Tamaño de los virus y estructuraa) Partículas de adenovirus (tamaño 100 nm de diámetro)b) Tamaño de una partícula de virus y comparación con bacterias ycélulas animales65

Clasificación :-Se clasificaron primero como animales o plantas pero luegoaparecieron los microorganismos.-Se descubrió luego que todos los organismos vivos se podían dividir endos tipos celulares distintos (procariotes y eucariotes) con base endiferencias fundamentales en la estructura celular.Todos los animales y plantas son eucariotes, como lo son tres gruposimportantes de microorganismos: algas, hongos y protozoos.66

Relación evolutiva entre organismosRelación estructural no necesariamenteimplica relación evolutiva. Hoy en día seutiliza un método que compara la estructuradel RNA ribosomal como una medida de lasrelaciones filogenéticas o evolutivas. De estosestudios surgen tres linages celularesevolutivamente distintos, dos de los cualesson procariotes en estructura y uno eseucariote. A estos grupos se les dio elnombre de Bacteria, Archaea y Eukarya.Todos estos grupos se piensa que vienen deun ancestro común o “ancestro universal”.67

Los procariotas comprenden las Bacteria y las Archaea.Bacteria y Archaea comparten estructura celular, pero sediferencian mucho por su historia evolutiva o filogenia.Por estudios de evolución molecular en procariotas,específicamente las relaciones filogenéticas deducidas luegode comparar las secuencias de macromoléculas esenciales,en especial los RNAs ribosómicos, se llegó a la conclusiónque Archaea y Bacteria no están relacionadasevolutivamente. Mas aún, las especies de Archaea están másrelacionadas con los eucariotas que con las especies deldominio Bacteria. Este hecho ha sido ratificado por estudioscomparativos realizados con otras macromoléculas deespecies de los tres dominios. Por lo tanto, la diversificaciónevolutiva, a partir del ancestro común fue en dos direcciones,hacia Bacteria y hacia otra cosa que finalmente se diversificódando origen a los dominios Archaea y Eukarya.68

Árbol filogenético de la vida construido a partir de la comparación de lassecuencias del RNA ribosómico. El árbol está formado por tres dominios deorganismos: Bacteria y Archaea (que presentan células procarióticas) y Eukarya(células eucarióticas). El grupo en rosa son macroorganismos, el resto de losorganismos son microorganismos. Como todas las células de los animales yplantas son eucarióticas, se deduce que los microorganismos eucarióticos fueronlos precursores de los organismos pluricelulares.69

Secuenciación del gen de RNA ribosómico y filogeniaa) Se rompen la células; b) se aisla el gen que codifica el RNA ribosómico yse amplifica el número de copias por la técnica de PCR (reacción en cadenade la polimerasa); c) el gen es secuenciado; d) las secuencias obtenidas sealinean por computadora; Un programa informático realiza comparacionespor pares y genera un árbol (e) que refleja las diferencias en la secuencia delRNA ribosómico del organismo analizado. Si en el análisis se usa unamuestra natural, los genes del RNA ribosómico aislados de los diferentesorganismos de una muestra deben ser clonados antes de ser amplificados ysecuenciados.70

Micrografías electrónicas de secciones de células pertenecientesa cada uno de los tres dominios de organismos: a) Bacteria, b)Archaea y c) Eukarya.71

estructuraLos organismos se definen por estudios de composición genéticacomportamientoLos microbiólogos usan el sistema de nomenclatura binomialdesarrollado por Linneo para plantas y animales.Serie de organismos relacionados se le da un nombre o “género” dentrode este género se separan las distintas “especies” u organismos dediferente tipo. Por ej. Escherichia coli, Brucella abortus, Brucellamelitensis, Brucella suis, Agrobacterium tumefaciens, Agrobacteriumrhizogenes, Bacillus anthracis, Bacillus subtilis, Sinorhizobium meliloti,etc. En general, los nombres derivan del latín o griego latinizado quedescriben alguna propiedad típica de la especie y se escriben en letrasitálicas o cursivas. Por ej. Se han descripto más de 100 especiesdiferentes del género Bacillus, tales como Bacillus subtilis, Bacilluscereus y Bacillus tearothermophilus. Estos nombres específicossignifican “fino”, “ceroso” y “amante del calor”. En general describen lascaracterísticas morfológicas, fisiológicas o ecológicas importantes de c/u72

Los microorganismos y sus ambientes naturalesPoblación: 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 mismohábitat.Ecosistema: es el conjunto de los organismos y de los componentesfísicos y químicos del medio.Interacciones entre poblaciones beneficiosasperjudicialesLos MOs también interaccionan con el medio ambiente de su hábitat ypueden modificarlo.La comunidad en un hábitat determinado está definida en gran parte porlas características físicas y químicas de ese medio. Estas característicaspueden cambiar con el tiempo debido al metabolismo propio de losorganismos. Los MOs son parte importante de los ecosistemas.73

Con el tiempo un ecosistema microbiano puede cambiargradualmente, tanto desde el punto de vista físico comoquímico. El oxígeno es un buen ejemplo. El O 2 es unnutriente vital para algunos MOs mientras que es venenosopara otros. La actividad de MOs aeróbicos al consumir enalgunos casos el oxígeno puede cambiar el hábitat acondiciones anóxicas y permitir de este modo el desarrollode otros organismos anaeróbicos que no lo podían hacer enun primer momento.74

Ejemplos de comunidades microbianasa) Micrografía de una comunidad bacteriana que sedesarrolla en las profundidades de un lago pequeño. Semuestran células de varios tamaños.b) Comunidad microbiana en una muestra de sedimentosde aguas residuales. La muestra se tiñó con una serie decolorantes, cada uno de ellos tiñe un grupo bacterianodiferente.75

La importancia de la vida microbiana-Número total de células microbianas en la Tierra(procariotas) es aproximadamente 5x10 30 células.-Cantidad total de C presente aproximadamente igual al detodas las plantas de la tierra (biomasa).-Contenido de N y P, 10 veces mayor que la de toda labiomasa vegetal.Implica que las células procarióticas constituyen la mayorporción de biomasa sobre la Tierra y son la reserva denutrientes esenciales para la vida.La mayor parte de las células procarióticas se encuentra bajola superficie en los ambientes oceánicos y terrestres.76

El impacto de los microorganismo sobre el hombreHay que conocer como trabajan los MOs para diseñarmetodologías tendientes a aumentar los beneficios y disminuirlos efectos perjudiciales .Aunque muchos sólo consideran a los MOs en el contexto delas enfermedades infecciosas, en realidad sólo unos cuantoscausan enfermedades. Los MOs afectan muchos aspectos denuestras vidas, además de ser los agentes etiológicos deenfermedades.Microorganismos y agricultura. Nuestros sistemas deagricultura dependen en general de las actividadesmicrobianas como es el caso de las leguminosas que viven enestrecha asociación con bacterias específicas que formanestructuras llamadas nódulos en sus raíces donde fijan el N 2atmosférico el cual es utilizado por las plantas para crecer.77

Los microorganismos (MOs) son también esenciales en elproceso digestivo de los rumiantes, como las vacas y lasovejas. En el órgano especial llamado rumen las bacteriasrealizan el proceso digestivo.Los MOs desempeñan funciones críticas en el reciclado deelementos importantes para la nutrición vegetal, enparticular del carbono, nitrógeno y azufre. En el suelo y elagua los MOs convierten estos elementos en formasasimilables por las plantas.Los MOs también son causantes de enfermedades enplantas y en animales.78

Microorganismos y alimentaciónLos productos agrícolas o los animales deben llegar a losconsumidores con calidad sanitaria, de allí la importancia delos MOs en la industria alimentaria. El deterioro dealimentos por la actividad de los MOs ocasiona enormespérdidas económicas. Las industrias de enlatado,congelado y desecado de alimentos tiene por finalidadevitar esto. También es importante las enfermedades quepueden ser transmitidas a través de los alimentos.Algunos alimentos requieren para su preparación laactividad de determinados MOs. Este es el caso de losproductos lácteos que se manufacturan, como el queso, elyogurt o la manteca. Los alimentos de panadería seelaboran usando levaduras al igual que algunas bebidasalcohólicas.79

Microorganismos, energía y medio ambienteLos MOs desempeñan funciones clave en lo que respecta ala energía. La mayor parte del gas natural (metano) es unproducto bacteriano, derivado de las actividades de lasbacterias metanogénicas. Los MOs fotótrofos pueden utilizarla 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 basuradoméstica, los excedentes de cosechas y los residuosanimales, se pueden convertir en “biocombustibles”, como elmetano y el etanol, por las actividades degradativas de losMOs. Los MOs también pueden ayudar para eliminar lapolución originada por las actividades humanas, un procesoque se denomina biorremediación. Este área está en plenodesarrollo en la actualidad.80

Los microorganismos y el futuroEl uso de MOs genéticamente modificados para podersintetizar productos específicos de alto valor comercial dioorigen a la Biotecnología. La biotecnología depende engran medida de la ingeniería genética, una disciplina quetrata de la manipulación artificial de genes y de susproductos. También se pueden hacer genes completamenteartificiales. Una vez que se tiene el gen por síntesis o porselección a partir de una fuente natural, el mismo se puedeinsertar en un MO y se puede expresar allí originando elproducto génico deseado. Este es el caso de la insulinahumana, hormona que se encuentra en cantidadesanormalmente bajas en sujetos con diabetes. Esta hormonase prepara hoy en día a partir del gen de la insulina humanaexpresado en un MO.81

Influencia de los microorganismos en las actividades humanas82

Los microorganismos como agentes etiológicos deenfermedadesSe estudió la frecuencia de las diez causas de muerte masusuales en USA en el año 1900 y en el año 2000 (Datos delCentro Nacional de Estadísticas de la salud de USA ). En elaño 1900 las enfermedades infecciosas eran las principalescausas de muerte en USA. Hoy en día son las minoritarias.Sin embargo los MOs pueden ser aún un riesgo importantepara la supervivencia por ej. en pacientes inmunodeprimidoso con SIDA. Aún hoy las enfermedades microbianasconstituyen la principal causa de muerte en los paísessubdesarrollados. La viruela se erradicó, pero aún continuala malaria, tuberculosis, cólera, enfermedad del sueño,síndromes diarreicos severos, etc.84

Frecuencia de las 10 causas mas importantes de muertes en los EEUU85

Conocimiento de los procesos deinfecciónControl de Mejora de las prácticas sanitariasenfermedadesInfecciosas Descubrimiento y uso de nuevosagentes antimicrobianos86

FIN87

Raíces históricas de la MicrobiologíaSe sospechaba que había criaturas demasiado pequeñaspara ser percibidas a simple vista. El desarrollo delmicroscopio permitió verlas.-1664 Robert Hooke describió los cuerpos fructíferos demohos.-1684 Antonie van Leeuwenhoek diseñó un microscopio delente simple y fue capaz de ver microorganismos tanpequeños como los procariotas. Lo comunicó en la RoyalSociety of London.En las figuras siguientes se muestran el microscopio utilizadopor Robert Hooke, el microscopio diseñado por Leeuwenhoeky dibujos de algunos organismos observados por ambos.88

Fotografía de una copia del microscopio de Leeuwenhoek89

Replica en bronce del microscopio de Leeuwenhoek. Se muestra también como sesostiene el mismo.90

Dibujos de vanLeeuwenhoek debacterias publicadosen 1684 a las quellamó “animálculos”.podemos reconocervarios tiposmorfológicos debacterias comunes. A,C, F y G formasbacilares; E formasesféricas o cocos; Hgrupos de cocos.91

Microscopio utilizado porRobert HookeDibujo que representa un moho azulcreciendo sobre la superficie de untrozo de cuero.93

Recién en el siglo XIX se contó con una amplia distribución demicroscopios mejorados.La microbiología como ciencia se desarrolló a fines del sigloXIX con el desarrollo del microscopio y de técnicas básicas delaboratorio 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 algodón94

Preguntas básicas que se debían contestar1) ¿Se da la generación espontánea? Es decir losorganismos vivos se pueden generar de materiainorgánica.2) Se sabía que las enfermedades infecciosas setransmitían de un individuo a otro, pero no se conocíanlos mecanismos de esa transmisión.Las preguntas fueron contestadas por el químico francésLouis Pasteur y por el fundador de la microbiologíamédica Robert Koch respectivamente.95

El botánico Ferdinand Cohn fundó la bacteriología (elestudio de las bacterias). Descubrió las endosporasestudiando el género Bacillus.Cohn describió el ciclo de vida completo de Bacilluscélula vegetativa endosporacélula vegetativaDescubrió que por ebullición solo morían las célulasvegetativas. Cohn aportó las bases experimentales para unesquema de clasificación de bacterias y fundó una revistacientífica importante. Ideó métodos simples para evitar lacontaminación de medios de cultivo estériles, como el uso dematraces y algodón para cerrar los tubos. Estos métodosfueron utilizados posteriormente por Koch permitiéndole aislary caracterizar varias bacterias causantes de enfermedades.96

Pasteur y el fin de la generación espontáneaComida fresca se deja a la la comida de donde vienenA intemperie se pudre los MOs BObservación microscópicaEn A no se observan MOsEn B se observan MOsSe originan espontáneamenteSustancia inanimada célula viva2 hipótesis Provienen de semillas o gérmenes que entrana los alimentos provenientes del aire(hipótesis apoyada por Pasteur)97

Pasteur demostró primero que existen en el aire estructurasmuy similares a las encontradas en las sustancias putrefactas.Concluyó que los microorganismos se originan a partir de MOspresentes en el aire. Postuló que dichas células en suspensiónse depositaban constantemente sobre todos los objetos. Siesto era correcto, entonces no debería estropearse unalimento tratado de tal modo que todos los organismos que locontaminaran fueran destruidos. Pasteur empleó calor paraeliminar los contaminantes.Tomó un matraz de vidrio con los nutrientes, lo selló, lo calentóa ebullición y observó que nunca se descomponía el medio decultivo. Los defensores de la generación espontánea criticaronel experimento argumentando que hacía falta aire fresco y queel aire caliente se modificaba. Pasteur entonces modificó elexperimento utilizando un matraz de vidrio de cuello de cisne.98

Experimento de Pasteur con matraces de cuello decisneEsterilización del contenido del matraz.99

Si el matraz se mantiene en posición vertical no haycrecimiento microbiano100

Si los microorganismos atrapados en el cuello alcanzan ellíquido estéril, crecen rápidamente.Los principios de Pasteur se utilizaron en el envasado yconservación de alimentos.Pasteur desarrolló vacunas para enfermedades comoel carbunco, el cólera aviar y la rabia (1880-1890).101

Koch y la teoría microbiana de las enfermedadesinfecciosas.Siglo XIXSe pensaba que una persona enferma A transmitía “algo”persona sana B persona B enferma.“contagio”Se sospechaba que los MOs podrían ser los responsablesde enfermedades, pero faltaban las pruebas definitivas.MOs ¿causa o efecto de las enfermedades?102

La teoría microbiana de las enfermedades infecciosas fueprobada por el médico Robert Koch (1843-1910).Koch estudió el carbunco, enfermedad causada por labacteria Bacillus anthracis formadora de endoesporas.Sus estudios dieron origen a los postulados de Koch quedemostraron que un tipo concreto de MO es el agenteetiológico de una enfermedad específica.Por estudios cuidadosos de microscopía demostró que:1- La bacteria B. anthracis estaba presente en la sangre detodos los animales enfermos y no así en los sanos, pero lamera asociación de la bacteria con la enfermedad nodemostraba que la bacteria fuera la causa de la enfermedad,por el contrario, podría ser un efecto de la enfermedad.103

Koch demostró que la enfermedad podía ser transmitida deun animal enfermo a uno sano inyectando una pequeñacantidad de sangre. Esto lo podía repetir en otro ratón y asísucesivamente. En todos los casos podía demostrar pormicroscopía en muestras de sangre de los animalesenfermos la presencia de las bacterias formadoras deesporas características. Koch pudo además cultivar el MOfuera del animal en caldos nutritivos e incluso luego denumerosas resiembras o transferencias de cultivo, la bacteriapodía causar aún la enfermedad cuando se reinoculaba a unanimal. Es decir, la bacteria procedente de un animalenfermo y la mantenida en cultivo inducían los mismossíntomas de enfermedad tras su inoculación. Basándose enéste y en otros experimentos, Koch formuló los siguientescriterios, conocidos en la actualidad como postulados deKoch para demostrar que un tipo concreto de MO es elagente etiológico de una enfermedad.104

Postulados de Koch1- El organismo debe estar siempre en los animales quesufren la enfermedad y no en individuos sanos.2- El organismo debe cultivarse en cultivo axénico o purofuera del cuerpo del animal.3- Cuando dicho MO se inocula a un animal susceptible, debeiniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad.4- El organismo debe aislarse nuevamente de estos animalesexperimentales y cultivarse nuevamente en el laboratorio, traslo cual debe mostrar las mismas propiedades que el MOoriginal.Los postulados se resumen en la siguiente figura. Usandoestos postulados como guía otros investigadores revelaron lacausa de muchas enfermedades importantes para el hombrey para los animales.105

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Postulados moleculares de KochNo siempre es posible aplicar los postulados clásicos de Koch. Para el estudio de ciertasenfermedades humanas algunos patógenos no pueden ser cultivados en forma de cultivos purosfuera del huésped, otros patógenos crecen solo en humanos y su estudio podría requerirexperimentación sobre gente. La identificación, aislamiento, y cloning de los genes responsablesde la virulencia de patógenos han hecho posible aplicar una nueva forma molecular de lospostulados clásicos de Koch para resolver estas dificultades haciendo incapié sobre los genes devirulencia presentes en un agente infeccioso mas bien que sobre el patógeno en si.Los postulados moleculares pueden ser resumidos de la siguiente forma:1. El rasgo de virulencia en estudio debe estar asociado mucho mas con cepas patogénicas que concepas no-patogénicas.2. La inactivación del gen o genes sospechados de la característica de virulencia deben decrecer enforma sustancial la patogenicidad.3. El remplazo del gen mutado por el gen salvaje debe restaurar la patogenicidad totalmente.4. El gen debe ser expresado al mismo punto durante la infección y el proceso de enfermedad.5. Anticuerpos o células del sistema inmune dirigidas contra los productos del gen deben proteger alhuésped.La aproximación molecular no siempre puede ser aplicada, por ejemplo en el caso de carecer de unsistema animal apropiado de experimentación o en casos en los cuales el agente patógeno no estágenéticamente bien caracterizado.107

Medios sólidos, la placa de Petri y los cultivos purosKoch fue el primero que cultivó bacterias en medios de cultivosólidos. Empleó gelatina como agente solidificante de diversoscaldos nutritivos que usaba para cultivar bacterias patógenas.Fue reemplazado mas tarde por el agar (polisacárido derivadode algas rojas) que es mas versátil y permite utilizartemperaturas mas elevadas de incubación. El primer uso delagar como agente solidificante se debe a Walter Hesse. Latécnica utilizando agar fue adoptada por Koch para susestudios clásicos sobre el aislamiento de la bacteriaMycobacterium tuberculosis, agente etiológico de latuberculosis.En 1887 Richard Petri publicó un trabajo corto describiendouna modificación de las técnicas de láminas horizontales deKoch. La mejora de Petri resultó ser enormemente útil.108

Las ventajas de las cajas de Petri:-Fácilmente almacenadas y esterilizadas independientementedel medio.- Luego de añadir el medio fundido a la mas pequeña de lasdos tapaderas circulares, la de mayor tamaño podía usarsecomo tapa para evitar contaminaciones.-Las colonias que se formaban en la superficie del agarquedaban expuestas al aire y podían ser fácilmentemanipuladas para su estudio.Las cajas de Petri ya sea de vidrio o de plástico son utilizadasen la actualidad y constituyen una de las principalesherramientas en los laboratorios de microbiología, junto conlos microscopios, las técnicas de tinción, los medios deenriquecimiento, los tapones de algodón, los cultivosaxénicos, etc.109

ABTransferencia aséptica (A) y Método para hacer una extensión en placapara obtener cultivos axénicos o puros (B). Colonias de Micrococcusluteus cultivadas en placas de agar sangre.110

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Variaciones en la morfologia de una colonia vista a simple vista113

Koch observó que sobre el medio sólido expuesto acontaminantes se desarrollaban colonias con formasdiferentes (diferían en color, forma, tamaño u otroscaracteres) y que tales colonias se podían perpetuar ydiferenciar entre sí por sus características particulares. Lascélulas de diferentes colonias diferían microscópicamente ya menudo también en sus temperaturas óptimas decrecimiento o en sus requerimientos nutricionales. Kochseñaló que “toda bacteria que mantenga lascaracterísticas que la diferencian de otras, cuando secultivan en el mismo medio y bajo las mismascondiciones, debería ser designada como especie,variedad, forma o cualquier otra designaciónadecuada”. Los trabajos de Koch permitieron que lamicrobiología fuera aceptada como una ciencia biológicaindependiente.114

Koch y la tuberculosis. El mayor logro de Koch en labacteriología médica está relacionado con la tuberculosis.Para aislar el agente causante de la enfermedad Kochempleó todos los métodos que se habían desarrolladopreviamente: microscopía, tinción de tejidos, aislamiento encultivo puro e inoculación en animales. Diseñó un método detinción en muestras de tejido usando azul de metilenoalcalino y un segundo colorante (marrón de Bismark) queteñía solo el tejido. El método de Koch fue el precursor delmétodo de Ziehl-Nielsen usado hoy para teñir bacteriasácido-alcohol resistentes como el Mycobacteriumtuberculosis. Para la obtención de cultivos de M. tuberculosisse utilizó suero de sangre coagulada. Koch pudo obtenercultivos de este MO a partir de diversas fuentes de origenhumano y de animales. Con el MO aislado pudo demostrarque era el causante de la tuberculosis. Koch recibió el PremioNobel de fisiología y medicina en 1905.115

Dibujos de Koch de células deMycobacterium tuberculosisa) Sección transversal de un tubérculo entejido pulmonar. Las células deMycobacterium tuberculosis se tiñen enazul mientras que las del tejidopulmonar se tiñen en marrón.b) Células de M. tuberculosis en esputo depaciente tuberculosoc) Crecimiento en cultivo puro de M.tuberculosis en placa de vidrio consuero sanguíneo coagulado.d) Se tomó una colonia de la placa anteriory se observó al microscopio a 700aumentos. Las células aparecenformando largas “cuerdas”.abcd116

Fotografía coloreada a mano de colonias formadas sobre agar, realizadapor Walter Hesse, colaborador de Robert Koch. Las coloniascorresponden a hongos (mohos) y bacterias que se obtuvieron enestudios iniciados por Hessen sobre el contenido microbiológico del airede Berlín, Alemania en 1882.117

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Diversidad microbiana: el holandés Martinus Beijerinck yel ruso Sergei Winogradsky fueron microbiólogos pionerosen el estudio de las bacterias del suelo y del agua y sedestacaron por sus importantes contribuciones alconocimiento de la diversidad microbiana.Beijerinck: formulación de cultivos de enriquecimiento ocultivos selectivos para aislar microorganismos específicosrelacionados fisiológicamente a partir de muestras naturales.Aisló los primeros cultivos puros de muchos MOs delsuelo y del agua (bacterias aerobias fijadoras de N 2 como elAzotobacter, reductoras del SO 4= , oxidantes del azufre,bacterias fijadoras de N 2 en los nódulos radiculares, especiesde Lactobacillus, algas verdes, etc).120

Dibujo realizado por la hermana de Beijerinck mostrando células deAzotobacter chroococcum, bacteria aerobia fijadora de N 2 . Estedibujo era usado para dar clases en una época en que no existíantransparencias, diapositivas y cañones de proyección con computadoraAzotobacter vinelandii: a) célulasvegetativas b) cistos121

Beijerinck describió los principios básicos de la virología.En sus estudios sobre la enfermedad del mosaico en eltabaco puso de manifiesto, mediante el uso de técnicas defiltración selectiva, que el agente infeccioso (un virus) no erauna bacteria y que se incorporaba a las células de la planta ynecesitaba que ésta estuviera viva para reproducirse.Winogradsky logró aislar por primera vez varias bacteriasimportantes del suelo, en particular las implicadas en losciclos del nitrógeno y del azufre, por ej. Las bacteriasnitrificantes (oxidación de NH 3 a NO 3- ), bacterias oxidantesdel azufre. Postuló el concepto de quimiolitotrofía, es decir,la oxidación de compuestos inorgánicos acoplada a laliberación de energía utilizable. Demostró que las bacteriasnitrificantes obtenían su carbono del CO 2 del aire, es decirque eran autótrofos.122

Dibujos coloreados a mano de células de bacterias fotosintéticas rojasdel azufre incluidas en la monografía Microbiology du Sol, de SergeiWinogradsky.Se muestran células del género Chromatium, como C. kenii (Fig. 3 y 4)y de C. vinosum (Fig 5-8).Micrografía de campo claro debacterias rojas del azufreChromatium okenii123

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Subdisciplinas más importantes de la microbiología.Microbiología médica e inmunologíaMicrobiología agrícola CitologíaMicrobiología industrial Bioquímica microbianaMicrobiología acuática Genética bacterianaEcología microbiana Biología molecularSistemática bacteriana Bacteriólogos (virus)Fisiología bacteriana Biotecnología134

Desarrollo de las subdisciplinas más importantes de lamicrobiología.Desarrollo rápido de la microbiología Básica y aplicada1- Trabajos de Koch expansión de la microbiología médicay de la inmunología (en la primera parte del siglo)-Descubrimiento de muchas bacterias patógenas nuevas.-Establecimiento de los principios por los cuales estospatógenos infectan el cuerpo y se hacen resistentes a susdefensas.2-Avances prácticos en el campo de la microbiología agrícola-Impulsores fueron Beijerinck y Winogradsky-Comprensión de los procesos microbianos en el suelo. Sonbeneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas.135

3- Se abrió el uso de los MOs para la obtención deproductos industriales (síntesis de antibióticos, etc) y dioorigen a la microbiología industrial luego de la segundaguerra mundial.4- Microbiología acuática. Tratamiento de aguas residuales,suministro de agua potable para uso humano.5- Ecología microbiana. Biodiversidad, actividades de losMOs en su hábitat.Los conocimientos de los principios básicos de la funciónmicrobiana permitió descubrir y clasificar muchas clases deMOs nuevos dando origen a la extensión de la6-Sistemática bacteriana.136

7- Fisiología microbiana. Estudio de los nutrientes querequieren los MOs y productos que se originan.8- Citología. Conocimiento de la estructura física y química delos MOs.9- Bioquímica. Metabolismo , enzimas y reacciones que llevana cabo los MOs.10- Genética bacteriana. Herencia, variación genética,intercambio genético. Conocimiento del DNA, RNA, síntesis deproteínas.11- Bacteriófagos. Estudio de los virus. Analogía con latransferencia genética.12- Biotecnología13- Análisis genómico. Relaciones evolutivas.14- Microbiología industrial.137

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Opciones metabólicas para la obtención de energía139

Diversidad fisiológica de los microorganismosEnergía y carbonoTodas las células requieren energía, la cual se puede obtenerde tres modos: a partir de compuestos orgánicos, a partir decompuestos inorgánicos o a partir de la luz.La oxidación de compuestos orgánicos o inorgánicos produceadenosina trifosfato (ATP) en los organismosquimiotróficos, mientras que la conversión de energía solaren energía química (también en forma de ATP) se producepor los organismos fototróficos. Los MOs aerobios son losque pueden obtener energía del compuesto en presencia deoxígeno. Otros obtienen energía en ausencia de oxígeno(anaerobios). Otros utilizan los compuestos orgánicos tantoen presencia como en ausencia de oxígeno.140

Los organismos que obtienen energía a partir de compuestosorgánicos se los llama quimioorganotrofos y los que lohacen a partir de compuestos inorgánicos se llamanquimiolitotrofos y al metabolismo empleado quimiolitotrofía.Este tipo de metabolismo energético se encuentra solo enprocariotas y está ampliamente distribuido tanto en especiesde Bacteria como de Archaea. El rango de compuestosinorgánicos que se pueden utilizar es amplio, sin embargo undeterminado procariota suele especializarse en la utilizaciónde uno o de un grupo de compuestos inorgánicosrelacionados. Esta cualidad le da la ventaja de no competircon los organismos quimioorganotrófos y poder utilizarademás productos de desecho de estos últimos como el H 2 yel H 2 S. Los MOs fototróficos contienen pigmentosfuertemente coloreados que les permiten usar la luz comofuente de energía.141

No existe competencia de los organismos fototróficos conlos quimiotrófos por la energía luminosa.Fuente de carbonoTodas las células requieren carbono como nutrienteprincipal. Las células microbianas son heterotróficas sirequieren uno o más compuestos orgánicos como fuentede carbono, o autótrofas si la fuente de carbono es el CO 2 .Los quimioorganotrofos son también heterótrofos. Por elcontrario, muchos quimiolitotrofos y prácticamente todoslos fotótrofos son autótrofos. Los autótrofos se denominantambién productores primarios porque sintetizan materiaorgánica a partir de CO 2 , tanto para su propio beneficiocomo para el de los quimioorganototrofos. Estos últimos sealimentan directamente de los productores primarios oviven a expensas de los productos que ellos excretan.142

Resumen:Todas las células necesitan fuentes de energía y de carbono.OrganismoFuente de energíafotótrofoLuzquimiolitótrofoquimioorganotrofoCompuestosinorgánicosCompuestosorgánicos143

OrganismoFuente de carbonofotótrofoquimiolitótrofoquimioorganotrofosPrácticamente todosutilizan CO 2 como fuentede C, (autótrofos).En la mayoría de loscasos utilizan CO 2 comofuente de C. Pueden serautótrofos o heterótrofos.Utilizan compuestosorgánicos como fuentede C. Son heterótrofos.144

Tolerancia a condiciones ambientales extremasLos microorganismos, en particular los procariotas tienen lacapacidad de poder vivir en hábitat caracterizados por uno omás parámetros extremos en las condiciones ambientales,por ejemplo aguas termales a ebullición, en el hielo, enaguas de elevada salinidad, y en suelos y aguas que tienenun pH inferior a 0 o tan alto como 12. En ocasiones no esque sean meramente tolerantes a esas condicionesextremas, sino que realmente las requieren para crecer.Estos procariotas se denominan extremófilos. En los hábitatque presentan condiciones extremas, los procariotas sonsiempre mayoritarios.145

El microorganismo citado en cada categoría es el que tiene el récord actual en cuanto arequerir una condición extrema particular para crecer.Picrophilus oshimae también es un termófilo, con crecimiento óptimo a 60 o C.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 unpsicrófilo, crece mejor por debajo de 10 o C.146

FIN147

La Tierra primitiva y el origen de la vidaSe cree que la tierra tiene una edad de 4600 millones de años; laprimera evidencia de vida microbiana se observa en rocas de 3860millones de años. La Tierra primitiva era anóxica y mucho mas calienteque en la actualidad. Los primeros compuestos bioquímicos se formaronpor síntesis abiótica y esto estableció las bases para el origen de lavida. Si bien no conocemos como era el primer organismo capaz deautorreplicarse, a partir de lo que sabemos de las formas microbianasactuales podemos afirmar que las entidades autorreplicativas mássimples necesitaban un mecanismo para obtener energía y algunaforma de herencia para hacer copias de si mismas. Podría extrapolarsedesde el presente hacia el pasado y postular que los organismosprimitivos se parecían a las células modernas, aunque con muy pocosgenes 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 devida más primitivas carecían totalmente de DNA, contenían tan sólounas cuantas, si es que alguna, proteína, y consistían principalmente deRNA; era la edad de la vida del RNA, donde el RNA era tanto agentecatalizador como el código genético.148

La vida con RNA. Las moléculas de RNA habrían funcionado con el finexclusivo de replicarse a sí mismas y, probablemente, habrían llevado acabo un número mínimo de reacciones catalíticas necesarias para estafinalidad. Estudios derivados de varias ribozimas catalíticas de RNA handemostrado que pueden catalizar varias reacciones, tales como lasíntesis de nucleótidos. Así, un período de vida con RNA podría haberprecedido a la vida celular. Estas formas de vida con RNA podrían haberevolucionado hacia las primeras formas de vida celulares, cuando elRNA autorreplicativo quedara encerrado en vesículas de lipoproteína.Estas estructuras parecidas a las células podrían haber surgidomediante la agregación espontánea de moléculas de lípidos y deproteínas para formar estructuras membranosas en cuyo interiorquedaron atrapados los RNA y otros precursores de biomoléculas clave.Esta etapa pudo haber ocurrido un sinnúmero de veces en la Tierraprimitiva para volver a extinguirse, pero finalmente, los constituyentesapropiados y las circunstancias adecuadas coincidieron y surgió unorganismo celular primitivo. Aunque carecía de DNA y procesaba tansólo proteínas producidas abióticamente, esta forma de vida celular seasemejaría en otros aspectos a una célula moderna. A medida que estasformas de vida se extendían, la selección natural las conduciría hacia suposterior desarrollo evolutivo.149

Escenificación hipotética de la evolución de las formas de vida celulares a partirde las formas de vida con RNA. Los RNAs autorreplicativos podrían haberllegado a ser entidades celulares mediante su integración estable en vesículasde lipoproteína. Con el tiempo, las proteínas reemplazaron las funcionescatalíticas del RNA y el DNA reemplazó sus funciones de codificación150

Las proteínas muestran un grado de especificidad catalítica mucho mayorque el que poseen los RNAs catalíticos. A medida que los organismosprimitivos se hicieron bioquímicamente mas complejos, se produjo unapresión evolutiva hacia la utilización de las proteínas como principalesagentes biocatalíticos.La célula moderna: DNA RNA ProteínaEl establecimiento del DNA como genoma de la célula pudo ser unaconsecuencia de la presión evolutiva hacia una mayor eficacia y fidelidaden la replicación de la información genética (las DNA polimerasa son masprecisas que las RNA polimerasas). Además, al guardar toda lainformación genética en un lugar en la célula y procesar solamente la quese necesita bajo unas determinadas condiciones (al regular la expresióngénica), las células habrían ahorrado energía, lo que incrementaría suadecuación competitiva. De alguna manera, en los estadios tempranos dela evolución microbiana, el sistema tripartito DNA-RNA-proteína quedófijado en las formas de vida celulares como la mejor solución alprocesamiento de la información biológica. A juzgar por las célulasactuales, este sistema fue un éxito evolutivo: todas las células conocidascontienen estos tres tipos de macromoléculas.151

Metabolismo de los organismos primitivosLa vida es un proceso altamente ordenado y requiere de energía paramantener su estructura. Para satisfacer los requerimientos energéticoslos microorganismos primitivos sólo podían recurrir a mecanismosgeneradores de energía que tienen lugar en condiciones anóxicas ya quehasta la aparición de las cianobacterias, el oxígeno molecular no existíaen cantidades significativas en la Tierra. Una simple reacción química enla que participa el ión ferroso (abundante en la Tierra primitiva) pudohaber sido un proceso primitivo de obtención de energía utilizado por losprimeros organismos.La reacción FeS + H 2 S FeS 2 + H 2 G o´= -42kj / reacción seproduce exotérmicamente con liberación de energía. Esta reaccióntambién produce H 2 , y se ha propuesto que este H 2 pudo haber sidoutilizado por las células primitivas para originar una fuerza motriz deprotones a través de una membrana, de la que una ATPasa primitivapodría haber extraído energía químicamente útil como ATP. Con H 2 comoel donor de electrones y S o como aceptor, esta sencilla reacciónacoplada habría requerido pocas enzimas y podría haber constituido unsuministro ilimitado de energía en tanto existiera FeS accesible.152

Esquema de un hipotético sistema generador de energía de las célulasprimitivas. La formación de piritas conduce a la producción de H 2 y lareducción de S o , los cuales alimentan una ATPasa primitiva. Nótese queel SH 2 tiene una función catalítica. Los sustratos netos serían FeS y S o .153

Es sorprendente que muchas Archeae hipertermófilas (que son losorganismos actuales más cercanos a los organismos primitivos de laTierra) pueden llevar a cabo este tipo de reacción.Los organismos primitivos pudieron haber obtenido carbono de variasfuentes, tales como carbono orgánico de síntesis abiótica e incluso CO 2 ,un gas que era abundante en la Tierra primitiva. La utilización de CO 2continuó evolucionando hacia la autotrofía, el proceso en el cual eldióxido de carbono se convierte en todos los componentes orgánicos dela célula. La hipótesis de una “autotrofía primitiva” se sustenta en losproyectos de secuenciación de genomas microbianos, donde se hapuesto de manifiesto que la autotrofía se produce en un número dehipertermófilos que contienen un genoma pequeño que se ramificancerca de la raíz del árbol evolutivo de la vida.154

Oxigenación de la atmósferaLa evolución de la fotosíntesis oxigénica en las cianobacterias constituyeun hito en la historia de la Tierra. Estos organismos aparecieronprobablemente hace 3000 millones de años, pero el O 2 que produjeronno se acumuló en la atmósfera debido a la gran cantidad de sustanciasreductoras (como el FeS) todavía presentes que reaccionabanespontáneamente con el O 2 para formar H 2 O. Es altamente probable quelas cianobacterias evolucionaran a partir de protótrofos anoxigénicosmediante el desarrollo de un fotosistema que pudiera utilizar el H 2 Ocomo un dador de electrones para la reducción fotosintética del CO 2 ,liberando O 2 como subproducto (CO 2 + H 2 O CH 2 O+ O 2 ). La evoluciónde la fotosíntesis oxigénica tuvo enormes consecuencias sobre elambiente de la Tierra ya que, a medida que se acumuló el O 2 , laatmósfera cambió de anoxigénica a oxigénica. Al existir abundancia deO 2 como aceptor de electrones pudieron evolucionar los organismosaeróbicos. Estos organismos eran capaces de obtener más energía de laoxidación de compuestos orgánicos que los anaeróbicos, lo que permitióalcanzar densidades de poblaciones más altas e incrementó lasposibilidades de evolución de nuevos organismos y esquemasmetabólicos.155

Existe buena evidencia , procedente del registro fósil, de que cuando laatmósfera de la Tierra se hizo oxidante, la velocidad de la evolución seincrementó enormemente, lo que condujo a la aparición demicroorganismos eucarióticos con orgánulos, y, a partir de ellos, a larápida diversificación de los metazoos (organismos pluricelulares) y,finalmente, a la aparición de plantas y animales superiores. Otraconsecuencia importante de la aparición del O 2 fue la formación de ozono(O 3 ), una sustancia que suministra una barrera que impide a la intensaradiación ultravioleta del Sol alcanzar la Tierra. Cuando el O 2 se sometea radiación UV de onda corta se convierte en O 3 , el cual absorbefuertemente hasta longitudes de onda de 300 nm. Hasta que se formó elescudo de O 3 , la evolución pudo haber continuado en lugares protegidosde 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. Sinembargo, después de la producción fotosintética de O 2 y el posteriordesarrollo de la capa de O 3 , los organismos pudieron expandirse por lasuperficie de la Tierra, permitiendo la aparición de una mayor diversidadde organismos vivos. A continuación se muestra un resumen de etapasque pudieron producirse en la evolución biológica y en la oxigenación dela Tierra.156

Principales acontecimientos de laevolución biológica. La posición delos estadios de la escala temporalson aproximados. Nótese como laoxigenación de la atmósfera,debida al metabolismo de lascianobacterias, fue un procesogradual a lo largo de un período deunos 2000 millones de años.Nótese también que durante lamayor parte de la historia de laTierra, solo existieron formas devida microbiana. Aunque no existeun registro microfósil, la pruebamicroquímica de las célulaseucarióticas se remonta a 2700millones de años.157

ResumenLas primeras “formas de vida” pueden haber sido RNAautorreplicativos. Los primeros organismos celularesprobablemente emplearon una estrategia simple para laobtención de la energía. El metabolismo primitivo fueanaerobio y posiblemente quimiolitotrófico, explotando lasabundantes fuentes de FeS y H 2 S presentes. Lafotosíntesis oxigénica condujo al desarrollo de un ambienteóxico y a una gran explosión evolutiva.158

FIN159

Orgánulos y eucariotas: endosimbiosis¿Cómo surgió la célula eucariótica actual con su estructura internacaracterística: el núcleo rodeado por una unidad de membrana y losorgánulos (por ejemplo las mitocondrias y los cloroplastos)?Origen del núcleo.Las células eucarióticas primitivas eran estructuralmente simples ycarecían de mitocondrias, cloroplastos y núcleo rodeado por membrana. Amedida que las células en la línea eucariótica de descendencia sehicieron mayores, aparecieron el núcleo y el aparato mitótico, a la vez queel DNA, se fraccionó en unidades discretas (cromosomas). Loscromosomas pueden haber surgido para asegurar la replicación y lapartición ordenada del DNA a medida que los genomas primitivos sehicieron mas grandes, hasta llegar a un punto en el que su replicación enforma de una única molécula (como en procariotas) no era viable. Eldesarrollo del núcleo eucariótico también facilitó la aparición de losenormes genomas que necesitaban los eucariotas microbianos de mayortamaño (y mucho más tarde los organismos pluricelulares), e hizo posiblela recombinación de genomas mediante la reproducción sexual.160

No existe una razón obvia por la que los organismos primitivosnecesitaran orgánulos tales como las mitocondrias y los cloroplastos, loscuales aparecieron probablemente más tarde. En realidad, inclusoactualmente, se conocen microorganismos eucarióticos que carecen demitocondrias y cloroplastos, lo que indica que estos orgánulos no sonesenciales para la función de la célula eucariótica.Endosimbiosis. Existen pruebas concluyentes a favor de la teoríade que la célula eucariótica moderna (con orgánulos) evolucionó enetapas mediante la incorporación estable de simbiontesquimioorganotróficos y fototróficos del dominio Bacteria. Esta teoría,llamada “teoría endosimbiótica” de la evolución eucariótica, postula queuna bacteria aeróbica estableció su residencia estable dentro delcitoplasma de un eucariote primitivo y le suministró energía, a cambio deun ambiente protegido y un aporte constante de nutrientes. Estesimbionte fue el precursor de la mitocondria moderna. De igual manera,la adquisición, por endosimbiosis de un fotótrofo oxigénico habríaconferido propiedades fotosintéticas a un eucariota primitivo, de maneraque ya nunca dependería de compuestos orgánicos para el suministrode energía. El endosimbionte fototrófico fue el precursor del cloroplasto.161

Algunas células eucarióticas nunca incorporaron endosimbiontes, o si lohicieron, luego por alguna razón lo perdieron.Pruebas que respaldan la teoría de la endosimbiosis.-Las mitocondrias como los cloroplastos contienen ribosomas que sonclaramente de tipo procariótico.-Los ribosomas de estos orgánulos poseen secuencias del RNAribosómico características de determinadas Bacteria, y su función esinhibida por los mismos antibióticos que afectan la función del ribosomade Bacteria de vida libre.-las mitocondrias y los cloroplastos también contienen una pequeñacantidad de DNA dispuesto en una forma circular covalentementecerrada, típica de procariotas.162

Origen de los eucariotas actuales porendosimbiosis. Nótese que losorgánulos se originan a partir deBacteria y no de Archeae. Es pocoprobable que la endosimbiosis fuera unacontecimiento único y probablementeocurriera en varios tipos celulares de lalínea nuclear. Nótese como algunosprocariotas primitivos nuncaexperimentaron endosimbiosis, o bien,perdieron sus simbiontes, peromantuvieron las propiedades básicas delas células eucarióticas. El incrementoen el tamaño de las células en la líneanuclear, condujo a la evolución degenomas de mayor tamaño yprobablemente también a la evolucióndel núcleo permitiendo la replicaciónordenada y la repartición de dichosgenomas.163

Revisión de conceptosEl núcleo eucariótico y el aparato mitótico surgieronprobablemente como una necesidad para asegurar lapartición ordenada del DNA en los organismos congenomas grandes. Las mitocondrias y los cloroplastos,los principales orgánulos productores de energía de loseucariotas, surgieron por asociación simbiótica deprocariotas del dominio Bacteria en el interior de célulaseucarióticas, en proceso llamado endosimbiosis.Evolución biológica y escala del tiempo. Losmetazoos han dejado un registro fósil considerable y muydiverso que permite un buen conocimiento de laevolución biológica desde su aparición. Sin embargo, enlas 5/6 partes de la historia de la Tierra se desarrollaronlos procariotas de los cuales no se tiene un buenconocimiento evolutivo a través de registros fósiles. Estocambió con la utilización de métodos moleculares.164

Relaciones evolutivas entre los microorganismosFilogenia de los microorganismos deducida de los estudiosmoleculares de los ácidos nucleicos. Comparación desecuencias del RNA estructural de los ribosomas.Cronómetros evolutivosSe ha demostrado convincentemente que la distanciaevolutiva entre dos organismos puede determinarse por lasdiferencias en la secuencia de aminoácidos o nucleótidos demacromoléculas homólogas aisladas de cada una de ellas.Esto se debe a que el número de diferencias en la secuenciade macromoléculas es proporcional al número de cambiosmutacionales estables fijados en el DNA que codifica esamolécula en ambos organismos. La evolución se produce amedida que las mutaciones quedan fijadas en las diferentespoblaciones, siendo la biodiversidad el resultado final.165

Elección del cronómetro evolutivo-La molécula debe estar distribuida universalmente en elgrupo elegido para el estudio.-Debe ser funcionalmente homóloga en cada organismo, osea, tener función idéntica .- Las moléculas deben poder ser alineadas en formaapropiada a fin de identificar regiones tanto con homologíacomo con variaciones de secuencia.-- La secuencia de la molécula elegida debería cambiar conuna velocidad proporcional a la distancia filogenética que seva a determinar. Y, de hecho, cuanto mayor sea la distanciafilogenética a determinar, menor será la velocidad decambio de la molécula; demasiado cambio tiende a enturbiarel registro evolutivo.166

Se han evaluado muchas moléculas como cronómetros molecularesy con ellas se han realizado estudios de comparación de secuenciasa fin de generar árboles filogenéticos. Estas moléculas son: varioscitocromos, 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 clavedel sistema de traducción; la ATPasa, complejo enzimático demembrana que puede sintetizar e hidrolizar ATP; y la RecA, proteínarequerida para la recombinación genética, son los que hanproporcionado la información genética más significativa sobre losmicroorganismos. Todas estas moléculas eran probablementeesenciales incluso para las células más primitivas y así , la variaciónde la secuencia en los genes que las codifican, nos permitenprofundizar en el registro evolutivo.167

RNAs ribosómicos como cronómetros evolutivosDebido a la probable antigüedad de la maquinaria sintetizadora deproteínas, los RNAs ribosómicos son moléculas excelentes parapoder discernir las relaciones evolutivas entre seres vivos. Los RNAsribosómicos son funcionalmente constantes, están universalmentedistribuidos y su secuencia está moderadamente bien conservada através de amplias distancias filogenéticas. También, dado el elevadonúmero de diferentes secuencias posibles de moléculas grandes,tales como los RNAs ribosómicos, la similitud de dos secuenciasindica alguna relación filogenética. Sin embargo, es el grado desemejanza de las secuencias de RNA ribosómico de dos organismoslo que indica su parentesco evolutivo relativo. A partir del análisiscomparativo de secuencias, se pueden construir las genealogíasmoleculares que conducen a los árboles filogenéticos. Estos muestranla posición evolutiva más probable existente entre los organismos.Recordemos que hay 3 moléculas de RNA ribosómico, que enprocariotas tienen 5S, 16S y 23S. Los rRNAs bacterianos 16S y 23Scontienen varias regiones de secuencia altamente conservada queresulta útil para obtener alineamientos de secuencia apropiados.168

Tienen también la variabilidad de secuencia suficiente en otras regionesde la molécula para servir como excelentes cronómetros filogenéticos.En eucariotas se secuencia el homólogo del rRNA 16S, es decir, elrRNA 18S de los ribosomas 80S. Hay base de datos en Internet quecontienen más de 24.000 secuencias de RNAs alineadas (16.000secuencias de 16S alineadas y 8.000 secuencias de 18S alineadas).169

RNA ribosómicoa) Micrografía electrónica deribosomas 70S de E. coli.b) Partes del ribosoma; 5S,16S y 23S.c) Estructura primaria ysecundaria del rRNAribosomal 16S de E. coli(Bacteria). En general elrRNA 16S de Archeae essimilar en cuanto aestructura secundaria, peropresenta numerosasdiferencias en cuanto aestructura primaria. Lamolécula correspondiente eneucariotas es el rRNA18Spresente en los ribosomascitoplasmáticos.170

FIN171

Comparación de la transferencia deinformación genética en procariotasy eucariotas.(a) Procariotas. Una única molécula de RNAcontiene a menudo más de una regióncodificadora (tal mRNA se llamapolicistrónico). (b) Eucariotas. Las regionesno codificantes (intrones) se eliminan deltranscripto primario antes de la traducción.Los mRNA de los eucariotas son casisiempre monocistrónicos. Los dos tiposcelulares no están dibujados a escala.172

PCR. La reacción en cadena de la polimerasa puedemultiplicar moléculas de DNA hasta miles de millones deveces proporcionando grandes cantidades de genes parasu clonación, secuenciación o mutagénesis. La PCR haceuso de la DNA polimerasa que copia moléculas de DNA. Latécnica de PCR requiere que se conozca la secuencianucleotídica de una región del gen deseado para poderdiseñar oligonucleótidos iniciadores cortos o primers,complementarios de secuencias presentes en el gen ogenes de interés. Las etapas de amplificación son lassiguientes: 1- En un sintetizador de nucleótidos se fabricanlos dos oligonucleótidos iniciadores que flanquean al gendiana, y se añaden en un gran exceso al gen dianadesnaturalizado por calor. 2- Cuando se ha enfriado lamezcla, el exceso de iniciadores relativos al DNA dianaasegura que la mayor parte de las cadenas diana hibridencon iniciadores y no entre sí. 3- La DNA polimerasa alargalos iniciadores usando las bandas diana como moldes. 4-Después de un período de incubación adecuado, secalienta de nuevo la mezcla para separar las cadenas.Luego se enfría la mezcla para permitir que los iniciadoresse hibriden con las regiones complementarias del DNArecién sintetizado, y se repite el proceso.173

Así, cada “ciclo” de PCR implica las siguientes etapas:1- desnaturalización por calor del DNA bicatenario diana.2- enfriamiento para permitir el acople de iniciadoresespecíficos con el DNA diana3- extensión de los iniciadores por la DNA polimerasa.Los productos de la extensión de un iniciador pueden servirde molde para el otro iniciador en el siguiente ciclo. Cadaciclo de PCR duplica literalmente el contenido original deDNA diana. En la práctica suelen hacerse unos 20 o 30ciclos, lográndose así incrementar la secuencia diana entre10 6 y10 9 veces.174

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