VARIABILIDAD GENÉTICA BACTERIANA

INTRODUCCIÓN:

Cualquier organismo está determinado por su material genético y su interacción con el medio ambiente que selecciona,activa, reprime o cambia el material genético.

Las bacterias poseen un genotipo que transmiten por herencia y un fenotipo que depende de las circunstancias que les rodean. Las bacterias sufren variaciones en sus caracteres y son de dos tipos ; fenotípicas o adaptaciones y genotípicas ( mutaciones, fenómenos de transferencia, elementos transponibles, integrales).

El estudio de la genética bacteriana, atendiendo a los dos aspectos anteriores, permite entender mejor las funciones esenciales de su material genético y las características que rigen su comportamiento, su capacidad de adaptación al medio ambiente, la expresión de mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, y como consecuencia, el desarrollo de un gran espectro de enfermedades clínicas.

VARIACIONES FENOTÍPICAS O ADAPTACIONES;

Concepto;

Se producen por la presión ambiental sobre las bacterias, pero no afecta al genoma.

Son de alta frecuencia. Afectan a toda la población bacteriana sometida a la modificación

ambietal.

Son reversibles ; cuando cesa la causa,retornan al estado primitivo.

No son hereditarias, porque no se modifica el ADN.

Tipos

Morfológicas  ; Bacilos cortos y móviles se convierten en bacilos largos e inmóviles debido al

agotamiento de nutrientes).

Cromógenas.

Enzimáticas ;  algunas bacterias producen enzimas en presencia de determinados sustratos,

por ejmplo, penicinilasa en presencia de penicilina.

Patogénicas ; Bacterias que producen toxinas según el ambiente en el que

crecen.así Corynebacterium sólo lo hace si dispone de hierro en el medio..

Sensibilidad a antibióticos ; hay bacterias que son sensibles en determinadas condiciones pero

no lo serán en otras.

GENOTIPO BACTERIANO. VARIACIONES GENÉTICAS

Elementos Genéticos Esenciales;

El material genético bacteriano está formado por ADN, una molécula compuesta por unidas

repetitivas de nucleótidos.

Este ADN conforma el genoma bacteriano, pero también posee elementos extracromosómicos

como plásmidos, transposones e integrones.

Las dos funciones del material genético son replicación( duplicar su material genético para

posterior herencia a su progenie) y expresión ( determina las carácterísticas observables, el

fenotipo).

Poseen ARN de tranferencia y ribosomal también.

Características del genoma bacteriano:

El tamaño del genoma bacteriano es variable de una bacteria a otra.

La mayoria de las bacterias tienen un solo cromosoma circular con ADN de doble cadena.

Aunque hay bacterias con ADN lineal( Borrelia, Streptomices) y bacterias con ADN lineal y

circular ( Agrobacterium).

El cromosoma es cientos de veces más largo que el diámetro de la célula,aún así se acomoda

al citoplasma gracias al "superenrollamiento" que sufre.

Hay excepciones ,como el micoplasma, cuyo cromosoma es una cuarta parte del de otras

bacterias.

Las bacterias son haploides, sólo poseen una copia de su cromosoma.

EXPRESÍÓN DEL MATERIAL GENÉTICO:

TRANSCRIPCIÓN O TRANSFORMACION

Síntesis de ARN a partir de información del ADN.

Una hebra de ADN sirve como molde para la síntesis de ARN.

Los nucleotidos que conforman el ADN están distribuidos en CODONES, apartir de regiones

iniciadoras del gen hasta llegar al codón de terminación.

Para iniciar la transcripción , debe de unirse la RNA polimerasa a la región promotora( pares de

bases antes del codón de inicio).

Cada codón determina un aminoácido y la secuencia dentro de la proteina que se va a

transducir.

Los genes pueden estar organizados de varias maneras;

1. Operones ( grupos de uno o más genes estructurales).Se transcriben siempre que haya algo en

el ambiente que "alerta" de su necesidad, con lo cual existen proteinas represoras y también

inductoras que regulan estos genes.

Islas de patogenicidad ( agrupación de genes de virulencia). La transformación consiste en la transferencia de material genético libre: la célula

receptora capta un trozo de material genético de la célula donadora. En los años 20 Griffith ya demostró que los procesos de transformación ocurren en la naturaleza. Para ello trabajó con Streptococcus pulmonae. Tenía una cepa patógena y otra no patógena. Al mezclar los individuos patógenos muertos con los no patógenos vivos, estos adquirían patogenicidad. Para comprobarlo los inyectaba en un ratón, que adquiría la enfermedad.En 1944 Avery, McLeod y McCarthy repitieron estos experimentos en tubos de ensayo, y observaron que, efectivamente, había transferencia de material genético de las células muertas a las vivas. La capacidad de una célula para captar material exógeno y ser transformada es lo que se denomina competencia, y no todas las bacterias son igual de competentes.

Las bacterias se transmiten material genético através de DNA libre en el medio,elementos

episomiales.

La bacteria receptora tiene mecanismos para captar el DNA a través de sus envolturas

externas e introducirlo en su cromosoma.

Los genes intracrosomales se recombinan dando lugar a genes mosaico.

TRANSDUCCIÓN

Sintesis de proteinas a partir de ARNm que transporta la información codificada en

genes. La transducción consiste en la transferencia de material genético encapsidado

dentro de un fago. Es un fenómeno muy frecuente en la naturaleza, y existen varios tipos:- Transducción generalizada: el virus encapsida por error el material genético bacteriano en lugar del suyo propio. Un ejemplo es el fago P22 del género Salmonella. De esta forma, cualquier gen de la célula donadora puede ser transmitido.- Transducción especializada: el fago se integra en el material genético de la célula hospedadora y al salir se lleva una parte. Se llama especializada porque este tipo de fagos transmiten siempre la misma información genética, ya que se integran en un punto concreto del genoma bacteriano. Además, algunos fagos han llevado la transducción generalizada a su caso más extremo en lo que se denomina el proceso de “conversión fágica”: a lo largo de la evolución un fago ha adquirido los genes de una bacteria y los lleva permanentemente en material genético. De esta forma, al infectar una célula le introduce estos genes y provoca un cambio fenotípico característico.

Elementos extracromosómicos:

Plásmidos

Son unidades de información genética extra cromosómicos que codifican información no

esencial para la viabilidad de la bacteria y que se replica de forma independiente del

cromosoma.

Son DNA de doble cadena, circular, superenrollado.

Existen unos plásmidos conjugativos que están relacionados con los mecanismos de

transferencia entre diferentes bacterias.

Los plásmidos se caracterizan por; su replicación autonoma, aportar genes para el

metabolismo,virulencia, resistencia a antibiótico.

Algunos pueden incluirse en el genoma bacteriano ( episoma).

Muchas cualidades portadas por plásmidos tienen interés clínico;

La resistencia a antibióticos,la producción de toxinas,la sintesis de estructuras necesarias para

la adhesión o colonización.

Algunos plásmidos determinan resistencia antibiótica, se len deniminado"plásmidos R".

Bacterifagos.

Son elementos que pueden invadir bacterias y llevar material genético exatrcromosómico.

Son agentes infecciosos que se replican como parásitos intracelulares obligados dentro de las

bacterias.

El genoma del fago codifica para funciones necesarias para su replicación intracelular, pero

también codifican para la síntesis de las proteinas necesarias para el ensamblaje del fago.

El genoma del fago puede codificar para características bacterianas no relacionadas a su

replicación, fenómeno conocido como CONVERSIÓN,el cual es responsable de algunas

características de virulencia bacteriana como la producción de toxinas.

Transposones

Son secuencias de ADN que llevan información para una transposasa y en los extremos

secuencias repetidas conocidas como de Inserción, y en medio de esta secuencia puede

encontrarse la inserción de genes de virulencia ,como toxinas o genes de resistencia a

antibióticos.

Éstos se pueden integrar en el cromosoma de las bacterias o insertarse en fagos.

Integrones

Son elementos de ADN móviles que pueden capturar genes de resistencia o virulencia , los

cuales están en "casates" y como acarrean una integrasa, pueden introducirse en el

cormosoma, los transposones y los plásmidos de bacterias; de esta manera , pueden replicarse

y expresar la información que llevan.

Intercambio y variabilidad genética:

La variabilidad genética es interesante desde el punto de vista de que muchas de estos cambios genéticos aportan resistencia a estas bacterias a ciertos medios, antibióticos.

Mutación ;cambio transmisible en el genoma bacteriano, que estransmisible.Estas mutaciones pueden ser puntuales y suficientes para dar lugar,por ejemplo, a una resistencia por el cambio en la transducción de un proteina.Pueden ser mutaciones de segmentos del DNA, sustituciones de nucleótidos, y microinserciones, o por el contrario provocar alteraciones en regiones más grandes( inserciones y delecciones).

Recordar que un sólo cambio de en un nucleótido lleva a la fabricación de un proteina totalmente distinta, con lo que cambios leves pueden conllevar importantes consecuencias.

Transferencia de genes

Movimiento de material genético entre bacterias.Transmisión vertical; Una bacteria transmite sus información genética a traves de la división celular.Transmisión horizontal;Transmisión de material genético de una bacteria a otra.Mecanismos de transmisión horizontal; transformación, conjugación, y transducción.

CONJUGACIÓN;

Se produce cuando dos bacterias tienen contacto entre ellas para intercambiar material

genético.

Así se transmiten plásmidos, y otros elementos.

Durante la conjugación las bacterias donadoras poseen una estructura, conocida como '' pili''

en gram negativos, lo cual hace contacto con la célula receptora.

Pasa una cadena de los plásmidos a la bacteria receptora quedando una en la bacteria

donadora. Los plásmidos pueden adquirir genes de resistencia por conjugación ( transposones e

integrones). La conjugación consiste en la transferencia de material genético entre dos bacterias

unidas físicamente. Está mediado por un pili sexual. La célula donadora es F+ y tiene el pili sexual, y la receptora el F-. La célula donadora tiene un tipo de plásmido: elemento genético extracromosomal capaz de replicarse autónomamente. Tiene doble cadena y es capaz de controlar y dirigir la conjugación. Cuando el plásmido se pasa a otra bacteria, le confiere nuevas características. Además, en este caso, al contrario que en la transducción y en la transformación, el material genético no debe fijarse, ya que el plásmido es extracromosomal. También puede suceder que el plásmido se integre en el genoma de la célula hospedadora, generando una nueva cepa bacteriana que ha convertido su genoma en un gran plásmido conjugativo. Se puede transmitir a células receptoras y también es fuente de variabilidad genética.

TRANSDUCCIÓN

Transferencia de información genética de una célula a otra através de un virus.

Estos virus se denominan bacteriofagos o fagos.

Penetran las membranas y la pared celular de la bacteria para inyectarle su material genético.

Durante la replicación del fago, éste puede llevarse material genético de la bacteria

huesped,tanto plásmidos como material cromosómico.Luego salen de la bacteria, e infectan a

otras, a las cuales les transmite e integran el DNA que llevan.

 

Resistencia a antibióticos:Las mutaciones espontáneas y mecanismos de intercambio genético (conjugación y transducción) son responsables de la multirresistencia a los antibioticos entre otros.

Cepa bacteriana: bacterias que poseen características comunes a las de su especie (cepa tipo)

o bien características diferenciales (mutación, genes adquiridos por transferencia). Ej cepa

resistente a penicilina

-MECANISMO de resistencia a antibióticos:1.- Inactivación enzimática: enzimas que modifican la molécula de antibiótico. Codificadas por elementos genéticos extracromosómicos. Ejemplo: Las beta-lactamasas son capaces de romper los enlaces químicos de los beta-lactámicos generando resistencia contra esta familia de antibióticos. La asociación de beta-lactámicos (amoxicilina,ampicilina o piperacilina) con inhibidores de la beta-lactamasa (ácido clavulánico, sulbactam o tazobactam) sirvieron para acabar con este mecanismo de resistencia a antibióticos.Otros enzimas producidos por ciertas cepas son capaces de modificar químicamente a los antibióticos impidiendo que éstos reconozcan su diana. Es el caso del ciprofloxacino, muy útil en infecciones de vía urinaria.2.- Impermeabilidad de las membranas o de la pared celular: modificación de los elementos de la membrana (ej. porinas) que impide el transporte de antibióticos. La pérdida de porinas es una forma de resistencia a los carbapenems.3.- Expulsión por mecanismos activos. Ej: El aumento de la concentración de bombas de extrusión de antibióticos, unas proteínas transmembrana que permiten la exportación de antibióticos como quinolonas o cloranfenicol fuera de la célula con gasto energético.4.- Modificación del sitio de acción (diana molecular). Reducción de la afinidad por el antibiótico. Ejemplo: Mutaciones en la diana hacen que el antibiótico no sea capaz de reconocerla. Las dianas de las quinolonas son las enzimas encargadas de mantener el correcto plegamiento de la molécula de DNA (la girasa y la topoisomerasa). Mutaciones a este nivel otorgan a la célula resistencia frente a esta familia de antibióticos.Mutaciones de los ribosomas. Los ribosomas son las dianas de ciertas familias de antibióticos entre las que se encuentran las tetraciclinas por lo que mutaciones a este nivel harán a las células resistentes frente a ellas.Mutaciones en la estructura del lipopolisacárido (LPS) otorgarán a la célula resistencia frente a antibióticos como la polimixina.5.- Desvíos alternativos: Hay antibióticos que actúan sobre enzimas d ela célula inactivándolas, como por ejemplo la sulfamida la dihidropteroato sintasa que participa en la síntesis del ácido fólico un compuesto esencial para la división bacteriana. Algunas enzimas son capaces de mutar o bien otras son capaces de ganar la actividad perdida por acción del antibiótico provocando un desvío de la ruta que permite a la célula sobrevivir.

Imagen del New England Journal of Medicine. Mecanismos de resistencia a antibióticos.ácidos nucléicos, ATP

K, Mg, Ca ............................ cofactores para algunos enzimasFe ....................................... cofactor enzimático, componente de citocromos.Además también necesitan factores (elementos que no están presentes en ellas) para construir sus estructuras.