Tema 3. Características de los organismos procariotas y diferencias con eucariotas:

1. PRINCIPALES DIFERENCIAS

A la hora de trabajar con bacterias, utilizaremos un microscopio con el mayor aumento, con aceite de inmersión. La primera diferencia de una bacteria con respecto a un organismo eucariota es que su tamaño puede llegar a alcanzar las cuatro micras. Vamos a empezar a ver la pared celular para poder protegerse del exterior y darle forma (principal diferencia con eucariota) y un núcleo no verdadero (una sola molécula de DNA sin membrana), ribosomas sueltos por el citoplasma (ya que carece de RE).

Otra diferencia es la división, la cual es muy importante y es que se trata de una esquizodivisión o división binaria: división en dos. Las bacterias se dividen por la mitad en dos células iguales. A partir de una sola célula se empieza a dividir dando lugar a copias idénticas de DNA, proteínas, RNA… En teoría, no va a haber intercambio o recombinación genéticas, consideramos a las bacterias como unas factorías. (E.coli tiene una división de 20 min)

Estructura bacterianaHablando de la estructura bacteriana, dentro de los orgánulos obligados podemos ver:

- Nucleoide o genóforo: donde se concentra la información genética. Va ser una molécula circular covalente y única de DNA; que se aísla del exterior mediante una membrana externa.

- Membrana citoplasmática: la poseen todas las bacterias menos los micoplasmas. Esta membrana proporciona consistencia y morfología

- Pared: la tinción Gram es muy sencilla y nos dividen en Gram + y Gram -

Va a haber algunos elementos optativos, que pueden estar presentes o no en la bacteria:

- Capsula: algunas las tendrán y otras no, destaca en patógenos.- Flagelos: implica el movimiento de las bacterias para buscar nutrientes. - Pilis: protuberancias externas pequeñas que permiten la unión a la mucosa que son

esenciales para la supervivencia de la bacteria a un medio ambiente determinado. - Glicocálix: capsula no tan estructurada, material metabólico de las bacterias que lo

que hacen es proporcionar a las bacterias comunicación interbacteriana y reconocimiento.

- Esporas: forma de resistencia de la bacteria. La que produce el tétano o el botulismo es un ejemplo de bacteria con esporas.

- Inclusiones: dependiendo de si son fotosintéticas, magnetosomas…

(El interior genético de una bacteria está muy concentrado)

2. E.COLI. MODELO DE ESTUDIO

E. coli es una proteobacteria que puede tener de 4000 a 5000 genes con 4.6 millones de pares de bases. Su interior está muy condensado. Presenta 1900 clases de proteínas diferentes y un total de 2,4 millones de proteínas. El genoma humano, en comparación con el de E.coli presenta siete veces más la cantidad de genes y 1000 veces más de DNA por célula

Elementos obligados

NucleoideEquivalente nuclear y posee un gran cromosoma o genóforo.

Posee un DNA que codifica actividades y estructuras vitales para la bacteria contenido en un cromosoma haploide de 1mm, CCC (circular, cerrado y covalente) aquí están todos los genes que codifican para todas las enzimas que van a ser utilizadas por la bacteria. El tamaño del DNA puede llegar hasta un milímetro, es muy grande y necesita enzimas para enrollarse. No tiene intrones ni membrana citoplasmática, ni aparato mitótico (que se encarga de separar los cromosomas) ni histonas. Sí que tiene muchas proteínas unidas al DNA con una serie de dominios con función. Puede haber una especie de aparato mitótico: el Mesosoma.

Esta bacteria necesita topoisomerasas para realizar esos cortes y producir el superenrrollamiento, también conocidas como DNA girasas, si una bacteria no es capaz de enrollar el DNA o pierde todas sus DNA girasas, dicha célula acaba muriendo.

Siguiendo con el nucleoide o genóforo, dentro del genoma bacteriano es importante hablar de los plásmidos que son optativos dentro de la célula y se replica de forma independiente del cromosoma central. También es DNA CCC (Circular, cerrado y covalente). Poseen un tamaño variable y codifica funciones especializadas. Son muy importantes en la ingeniería genética porque pueden insertarse y salir del cromosoma y pasar de una bacteria a otra por conjugación, son fragmentos de DNA autoreplicativos. Los plásmidos replican de forma independiente, se puede hacer crecer por medio de marcadores de resistencia en el laboratorio.

Los profagos son virus que están incluidos en las bacterias. El virus actúa como una jeringuilla e inserta su molécula, por lo que el DNA de una bacteria puede contener una parte propia y otra externa ya sea por plásmidos o profagos (virus)

Pregunta de examen:(Composición genética de una bacteria: ¿Que compone el genoma de la bacteria? Es obligatorio el cromosoma pero puede tener DNA en forma de plásmidos (optativo).También podemos hablar del DNA viral, el cual es dispensable.)

Membrana citoplasmáticaEs una membrana fosfolipídica con muchas proteínas integradas que le van a permitir el intercambio de nutrientes con el exterior.

Funciones

1. Barrera de permeabilidad y el transporte de:a. Pequeñas moléculas por difusión simple (H2O, CO2, O2)b. Entrada de nutrientes, salida de substancias de desecho , con gasto de energía,

contra gradiente de concentración.c. Transporte de componentes estructurales de los elementos externos

(peptidoglicano, pared celular, etc.)d. Secreción de exoenzimas, siderófotos, feromonas, etc.

2. Anclaje de proteínas. Forma estructuras membranosas internas.a. Mesosomas (invaginaciones de membrana). Soporte de enzimas. Tabique,

unido al DNA.b. Conservavión de energía. Donde se genera y usa la fuerza matriz de protones.

(hidrólisis de ATP)

CitoplasmaEstá compuesto en un 80% de agua, proteínas, azúcares y lípidos. Carece de estructura (citoesqueleto), contiene el DNA cromosómico y a los ribosomas los cuales son los responsables de la síntesis proteica, hay miles por célula y están formados por dos subunidades.

Los ribosomas:

son muy buena diana para los antibióticos puesto que actuarán solo sobre la subunidad pequeña de las células procariotas y no de las eucariotas. Tienen posicistrones lo que quiere decir que tienen varios genes en la misma cadena de ADN.

Son 70S lo que quiere decir que al centrifugarlos van a esta velocidad. Las proteínas por la que están formados son únicas de los procariotas. Tiene regiones que son conservadas (nos dicen la especie y el género) y otras que son variables.

Vamos a usar la 16S mientras que para los eucariotas la molécula de 18S. Hay unas secuencias que están compartidas por todas las bacterias de modo que si seleccionamos las zonas oscuras sabremos una serie de cosas mientras que si amplificamos las zonas claras nos servirá para descubrir cosas del punto de vista diagnóstico.

En cuanto tengamos una secuencia de microorganismos no cultivables podremos establecer una relación filogenética.

Pared bacterianaEs universal para todas las bacterias sobre todo para las eubacterias excepto los micoplasmas que son las más pequeñas y no tienen esta pared porque son parásitos intracelulares. Las arqueobacterias tampoco tienen esta estructura. Se diferencian las gram negativas de las gram positivas.

Tinción Gram

Nos permite diferenciar las gram positivas de las gram negativas puesto que en primer lugar las teñimos con violeta de genciana, le añadimos un fijador y luego le añadimos alcohol y acetona. Las gram positivas se quedarán con el color mientras que las gram negativo habrá que añadirles fuchina para que adquieran color.

Composición del peptidoglicano

Es un polímero muy rígido y le va a permitir a la bacteria no cambiar de forma dependiendo de la concentración del medio externo. Está presente en el gram positivo y negativo. Está

compuesto con una serie de ladrillos que serán N-acetilmurámico (NAM) y N-acetilglucosamina (NAG) que se van a unir entre ellos por enlaces β1-4. De esta forma se crearán cadenas pero ¿Cómo unimos estas cadenas? Se unirán gracias a aminoácidos que son específicos entre las gram positivas y negativas.

Los tetrapéptidos unidos al NAM:

Gram positivo: De entre los tetrapéptidos que se unen al NAM encontramos la L-alanina, D-glutámico, L-lisina y D-alanina. En las gram positivas el peptidoglicano va a ser más grueso y van a producir proteínas o toxinas que se secretan al exterior más resistentes que el negativo.

Además tienen ácidos teicoicos (únicos en el positivo) son polímeros lineales de polialcohol y fosfato. que cuando llegan a la membrana plasmática se transforman en lipoteicoicos.

Gram negativo: Los tetrapéptidos que se unen al NAM, encontramos la L-alanina, D-glutámico, Diaminopimélico y D-alanina. Resisten mucho menos la desecación. Una de las grandes diferencias es que hay un espacio periplásmico entre la membrana y la matriz donde va a haber muchas enzimas periplásmicas que suelen estar implicadas en la síntesis de la pared o que van a salir al exterior.Van a tener lipopolisacárido muy conservado que se denomina endotoxina. Cuando se rompe es inmunógeno por lo que estimulará el sistema inmunológico. (LPS)Tiene un lípido A(disacárido de glucosamina fosforilada, unido a ácidos grasos. En la endotoxina.) y un polisacárido(Repeticiones de unidades formadas por 3,4, o 5 azúcares (hexosas). Corresponde al antígeno somático "O").

La composición del LPS es variable según las capas y las especies. Específico de

cada bacteria.

Tienen un transporte complejo mediado por porinas.

Pared celularEs un elemento diferencial entre eucariotas y procariotas. Tenemos moléculas que van a interferir en la síntesis del peptidoglicano por loque va a ser muy buena diana para antibióticos.

Los antibióticos β-lactámidos como la penicilina bloquean la formación de enlaces peptídicos entre las cadenas NAM-NAG

El modo de acción de los antibióticos beta-lactámicos

En el exterior de la membrana interna las unidades NAG-NAM con su penta péptido debe incorporarse al peptidoglicano existente, mediante:

Transglicosilasas: Lo unen al NAM Transpeptidasas: unen los tetrapéptidos de cadenas adyacentes.

La penicilina, es un tipo de antibiótico que lo uqe hace es bloquear las transpeptidasas haciendo que no se produzca el entrecruzamiento peptídico de cadenas y la pared se debilita haciendo que la bacteria muera.

La enzima lisozima se ha especializado en romper los enlaces β1,4. NAM-NAG de la pared bacteriana.

Nos puede servir para romper una parte de la pared bacteriana y cuando se encuentran en un medio hipotónico se romperá, mientras que si está en un medio isotónico se quedará igual de forma que podremos quitar a la bacteria de su pared celular y poder añadirle DNA para crear antibióticos por ejemplo.

Como hemos dicho antes la pared celular es la que le otorga la forma.

Arqueobacterias

No tiene el peptidoglicano y en vez de la mureína tienen la pseudomureina que es un polisacárido similar al peptidoglicao compuesto por N-acetilglucosamina y ácido N-acetilosaminirónico.

Tiene una capa S que es un tipo más común de pared de las arqueas y está compuesta de proteína o glicoproteína de aspecto ordenado al microscopio electrónico. Posee varias simetrías, dependiendo del número de subunidades. Solo está presente en algunas arqueas.

Elementos optativos

Capas superficialesEncontramos por ejemplo las cápsulas y el glicocálix

Están compuestos por capas mucosas, polímeros, casi siempre polisacáridos condensados alrededor de la bacteria. Dificultan la fagocitosis y facilitan la adherencia.

La capsula es rígida y organizada y cuando tiene lípidos en su exterior se denomina glicocálix.(red flexible, enmarañada y difusa de polisacáridos. Tiene una gran importancia en la formación de biofilms)

Pilis y fimbrias Fimbrias: Hay muchas, son cortas y finas. Tienen función de adherencia y

colonización. Pilis: Hay bacterias que solo pueden ser patógenas cuando tienen estos elementos.

Hay pocos son más largos y más anchos y están huecos permitiendo que actúen como elementos sexuales. (conjugación: paso de plásmidos de una bacteria F+ a una bacteria F-) Algunos virus bacterianos se comunican gracias al pilis.

Inccluciones celularesAcumulación de nutrientes como reserva de fuente de carbono y energía (glucógeno, ácido poli-β-hidroxibutirato, etc.) y compuestos inorgánicos (polifosfatos, azufre, etc.)

Las inclusiones más frecuentes en las bacterias van a ser polímeros carbonados de reserva siendo el más común el ácido poliβ.hidroxibutírico (PHB) Normalmente va a estar en bacilos que tienen la capacidad de producir esporas.

Hay otras bacterias que lo que acumulan son polifosfatos o azufre.

Por otra parte también encontramos inclusiones magnéticas o magnetosomas con una membrana que los rodean y se orientan de una forma lineal uqe variará según se encuentren en el polo norte o en el sur. Suelen ser cristales de magnetita.

Otras optan por tener vesículas de gas y lo que hacen es crecer en la superficies de las aguas para facilitar así su fotosíntesis.

FlagelosVan a dar movilidad a la bacteria. Son estructuras altamente organizadas y van a consumir mucho ATP. Tienen carácter proteico. Dependiendo de donde están localizados estos fragmentos podemos localizar a las bacterias. E.coli los tiene rodeandotoda la bacteria y se denominan flagelos perítricos, mientras que si solo tienen uno se monotrico.

Lofótrico es cuando tienen varios pero siempre en un lado. El movimiento puede ser en giro y van a estar siempre con la misma orientación.

Anfítricos es cuando tiene a ambos lados.

La biosíntesis del flagelo es altamente compleja puesto que está codificada por varios genes.

En la membrana citoplasmática interna se forman unos discos que van a funcionar como motor para la formación del flagelo al cual se irán uniendo una serie de proteínas y darán lugar a la estructura final..

Se inicia con el ensamblaje de los anillos MS y C en la membrana citoplasmática seguida de la formación de otros anillos, el gancho y la proteína terminal. Acontinuación se desplazan las moléculas de flagelina colocándose mediante las proteínas CAP.

En las gram positivas su formación es más sencilla y el anillo que atraviesa el peptidoglicano es más largo puesto que tienen más cantidad de este. El movimientos de los aros es lo que da lugar al movimiento del flagelo.

Taxis (movimiento bacteriano): movimiento dirigido en respuesta a gradientes físicos o químicos:

Quimiotaxis: Responde a un estímulo químico.Está más estudiada en la E.coli. Si no hay estímulo se mueve sin orientación alguna hasta que, recibe el estímulo determinado y todos los flagelos hacen que se mueva hasta el lugar determinado. La quimiotaxis se puede medir poniendo una membrana con una sustancia (la que nos interese) y viendo si las bacterias se acercan o se alejan.

Fototaxis: Responde a la luz (se pueden orientar hacia ella).Van a reconocer una determinada longitud de onda

Aerotaxis: Las bacterias muy aerobias van a lugares donde hay más O2. Osmotaxis: Responde a la fuerza iónica. Hidrotaxis: Responde al agua.

EsporasHay algunas bacterias que tienen la capacidad para crear esporas como forma de resistencia. La esporulación es un proceso genéticamente dirigido es una secuencia de procesos morfológicos, bioquímicos y codificados por genes específicos, es la diferenciación a espora en condiciones metabólicas desfavorables y la germinación es la activación cuando hay condiciones favorables.

Forma cada bacteria una estructura muy compleja en cuanto a su composición llamada espora. Contiene ácido dipicolínico y calcio. Su cuerpo central contiene proteínas solubles pequeñas.

Son células en reposo. Elementos diferenciados y no se tiñen por el gram. Son resistentes al calor, a las radiaciones y a la resecación.

Composición de la espora: tiene en el centro un sistema generador de energía por glucolisis anaerobia y en su pared, encontramos el peptidoglicano.

En resumen: Las endosporas son células diferenciadas extraordinariamente resistentes que funcionan como estructuras de supervivencia.

Procesos de formación de una espora:

En primer lugar, tenemos que saber que durante la formación de la espora, la célula se combierte en una célula inerte y que no esporulan cuando están en crecimiento, sino cuando este cesa por desaparición de un nutriente esencial.

Ese produce una división celular asimétrica para dar lugar a la esporulación. Después se produce la inmersión de la espora en el interior celular para dar lugar a la formación de la corteza. A partir de aquí comienza la etapa dos. La espora comienza la absorción de Ca, SASPs y ácido dipicolínico. Se produce la maduración de la espora y la lisis celular para finalmente, dar lugar a la espora libre.

Esta espora, por medio de la germinación, dará lugar a una bacteria de nuevo.