Bacteria, Archaea, and Viruses PDF

Bacteria, Arquea, y Virus Cap. 24 Características de todos los organismos vivos - membranas celulares y ribosomas - vías metabólicas en común, como la glucólisis - replicación de ADN semiconservativa - uso de ADN para codificar proteínas, el mismo código genético y secuencias de ADN simila...

Bacteria, Arquea, y Virus Cap. 24 Características de todos los organismos vivos - membranas celulares y ribosomas - vías metabólicas en común, como la glucólisis - replicación de ADN semiconservativa - uso de ADN para codificar proteínas, el mismo código genético y secuencias de ADN similares Estas características compartidas respaldan la conclusión de que todos los organismos vivos comparten un ancestro común. Si la vida tuviera múltiples orígenes, los organismos no van a usar los mismos códigos genéticos o tener las mismas estructuras como los ribosomas. Árbol de la vida Dominios de la vida: Bacteria, Arquea, Eukarya (plantas, animales y hongos) Las bacterias y las arqueas son procariotas: organismos unicelulares sin núcleo y otros organelos rodeados de membranas. no son un grupo monofilético; las bacterias y las arqueas tampoco son estrictamente monofiléticas reticulaciones entre los linajes cerca de la base del árbol de la vida complican la terminología taxonómica Procariotas y Eucariotas Las células procariotas se dividen por fisión La mayoría de los genes eucariotas están binaria, no por meiosis. relacionados a los de las arqueas; otros con los de las bacterias. El ADN no se encuentra en un núcleo rodeado de membranas y suele ser una molécula El tamaño pequeño de las procariotas hizo circular. difícil su estudio por mucho tiempo. Incluso los mejores microscopios ópticos revelan Los procariotas no tienen orgánulos rodeados poco sobre ellos. de membranas. Microscópico avanzados y técnicas Los eucariotas comparten un ancestro común moleculares modernas han revelado el con las arqueas, pero las mitocondrias y los mundo microbiano. cloroplastos se originaron a través de la endosimbiosis con bacterias. Diferencias entre una célula eucariótica y una procariótica Eukaryotic cell Prokaryotic Membrane cell Cytoplasm DNA (no nucleus) Membrane 1 µm Nucleus (membrane- enclosed) Membrane- DNA (throughout enclosed organelles nucleus) 1 µm Procariotas Antes de la secuenciación del ADN, la taxonomía se basaba en la forma, el color, la motilidad, la nutrición, la sensibilidad a los antibióticos y la estructura de la pared celular. Las paredes celulares de las bacterias contienen peptidoglicano, un polímero de aminoazúcares. - ausente en Arqueas y Eukaria - el peptidoglicano sirve de blanco (taget) para combatir bacterias patógenas - los antibióticos interfieren en la síntesis de peptidoglicano así que no tiene efecto en las células eucariotas Bacteria El método de tinción de Gram separa las bacterias en dos grupos, usa dos tintes: violeta y rojo, se basa en diferencias en la estructura de la pared celular. bacterias Gram-positivas retienen el colorante violeta, tienen una capa gruesa de peptidoglicano fuera de la membrana celular bacterias Gram-negativas retienen el colorante rojo, tienen una capa fina de peptidoglicano en el espacio periplásmico entre la membrana celular y otra membrana externa Formas de las células bacterianas esfera: coco, ocurre individual o en placas, bloques o grupos bastón: bacilo espiral: espirilo Los bacilos y espirilos pueden formar cadenas o grupos. No se sabe tanto sobre las formas de las Arqueas; muchas solo se conocen a partir de muestras de ADN ambiental. Las especies conocidas incluyen cocos, bacilos, especies triangulares y cuadradas aplanadas que crecen en superficies, dispuestas como hojas de sellos postales. Relaciones evolutivas Las relaciones evolutivas se han aclarado mediante la La transformación, la conjugación y la secuenciación de genes de rRNA (ARN ribosomal): transducción permiten la transferencia de material genético sin reproducción. es evolutivamente antiguo todos los organismos de vida libre tienen rRNA La transferencia lateral de genes resulta en que tiene el mismo rol en todos los organismos; la los árboles de genes no coincidan con los árboles de los organismos. La transferencia transferencia lateral es poco probable lateral es diferente para cada gen. ha evolucionado lentamente; las similitudes en las secuencias se encuentran fácilmente Estudios de genomas completos de procariotas muestran que a veces intercambian material genético. Transferencia lateral de genes: los genes de una especie se incorporan al genoma de otra especie Transferencia lateral de genes La filogenia de los organismos se construye Genes que resultan en una nueva función adaptativa comparando múltiples genes (para producir un que aumenta la aptitud a la especie receptora. árbol de consenso) o concentrándose en genes ej. genes de resistencia a los antibióticos, que es poco probable que estén involucrados en especialmente en las fuertes condiciones la transferencia lateral. selectivas del uso de antibióticos Procariotas No se han descrito muchas especies de procariotas y muchas se resisten a los esfuerzos por cultivarlas en cultivos puros. Genómica ambiental: examinan secuencias genéticas de muestras ambientales. Muchas secuencias nuevas implican que hay miles de especies procariotas más. Los procariotas son los organismos más exitosos de la Tierra en términos de número de individuos. El número de procariotas en el océano es más de 3 × 1028, más que el número de estrellas en el universo. Se encuentran en todos los tipos de hábitat de la Tierra. Diversidad de procariotas: Bacteria Existen varias hipótesis diferentes sobre las 1- Hadobacteria: termófilas (amantes del relaciones de los principales grupos de calor) procariotas. ej. Deinococcus son resistentes a la radiación, pueden consumir desechos nucleares y otros Ocho grupos de bacterias tienen apoyo materiales tóxicos, sobreviven al frío extremo y filogenético y han sido más estudiados al calor (hadobacterias, bacterias hipertermófilas, Thermus aquaticus, originalmente aislado de firmicutes, actinobacterias, cianobacterias, una fuente termal, fue la fuente de la ADN espiroquetas, clamidias y proteobacterias). polimerasa térmicamente estable, fundamental para el desarrollo de la PCR. Los extremófilos prosperan en condiciones extremas que matarían a la mayoría de los T. aquaticus se encuentra en cualquier lugar demás organismos. donde haya agua caliente (incluidos los calentadores de agua). Diversidad de procariotas: Bacteria 2- Bacterias hipertermófilas: Bacterias termófilas extremas que viven en fuentes termales (hot springs), cerca de volcanes, depósitos de petróleo profundos y otros ambientes cálidos. Ambientes de la Tierra probablemente eran mucho más calientes que los actuales. Las reconstrucciones de genes bacterianos ancestrales muestran sus las proteínas funcionan mejor a altas temperaturas. Emerald Hot Spring in Yellowstone National Park, WY Diversidad de procariotas: Bacteria 3- Firmicutes (bacterias Gram positivas con bajo contenido de GC): baja proporción de pares de bases G-C/A-T algunas son Gram negativas; algunas no tienen pared celular Algunas producen endosporas- estructuras resistentes al calor con paredes celulares duras y cubiertas que pueden sobrevivir en condiciones adversas porque están inactivas Closteridium y Bacillus forman endosporas. Algunas pueden reactivarse después de 1000 años de latencia. Las endosporas de Bacillus anthracis (ántrax) se activan cuando detectan la presencia de macrófagos en la sangre de los mamíferos. Se ha utilizado como agente de bioterrorismo. Diversidad de procariotas: Bacteria Los estafilococos (Staphylococcus) abundan en la piel y provocan furúnculos (nacidos o infección pelo) y otros problemas de la piel. S. aureus causa enfermedades cutáneas e infecciones respiratorias, intestinales y de heridas. Diversidad de procariotas: Bacteria Los micoplasmas (Mycoplasma) no tienen pared celular, son extremadamente pequeños y tienen genomas muy pequeños. Tienen menos de la mitad de ADN que otros procariotas, lo que puede representar la cantidad mínima de ADN necesaria para una célula viva. -varias especies son patógenas a humanos, no sensibles a antibióticos de la pared, la neumonía por micoplasma es causada por Mycoplasma pneumoniae Neumonía por micoplasma- Departamento de Salud PR Diversidad de procariotas: Bacteria 4- Actinobacteria (grampositivas con alto contenido de GC): altas proporciones de pares de bases G-C/A-T forman filamentos con ramificaciones elaboradas algunas se reproducen formando cadenas de esporas en las puntas de los filamentos Las actinobacterias incluyen a Mycobacterium tuberculosis. La mayoría de los antibióticos se derivan de las actinobacterias. Streptomyces produce estreptomicina y cientos de otros antibióticos. Diversidad de procariotas: Bacteria 5- Cianobacterias (bacterias de color verde Tienen un sistema de membrana interna azulado): (lamelas fotosintéticas). Fotosintéticas: tienen clorofila a y liberan O2, Los cloroplastos eucariotas derivan de muchas especies fijan nitrógeno. cianobacterias endosimbióticas. Las colonias de cianobacterias pueden ser Algunas colonias se diferencian en células láminas planas, filamentos o bolas esféricas vegetativas, esporas y heterocistos. de células. Los heterocistos están especializados para fijar nitrógeno. Diversidad de procariotas: Bacteria 6- Espiroquetas: bacterias mótiles, Gram Muchas son parásitos y patógenos humanos negativas. (sífilis, enfermedad de Lyme); otras son de vida libre. Sus filamentos axiales únicos (flagelos modificados) giran y dan lugar a un movimiento similar al de un sacacorchos. Diversidad de procariotas: Bacteria 7- Clamidias: Cocos Gram negativos muy pequeños; viven sólo como parásitos en las células de otros organismos. Pueden absorber ATP de la célula huésped con la enzima translocasa. Ciclo de vida complejo con dos formas: cuerpos elementales y cuerpos reticulados. Algunas clamidias son patógenas y causan infecciones en los ojos, enfermedades de transmisión sexual y algunas formas de neumonía. Diversidad de procariotas 8- Proteobacterias: el grupo más grande de Algunas proteobacterias son patógenas: bacterias; alta diversidad. Yersinia pestis (peste), Vibrio cholerae (cólera), Salmonella typhimurium (enfermedad Las mitocondrias eucariotas derivan de una gastrointestinal) proteobacteria endosimbiótica. Incluye algunos géneros fijadores de nitrógeno como Rhizobium. E. coli es una proteobacteria. Algunas proteobacterias realizan la fotosíntesis utilizando sulfuro de hidrógeno (H2S) como donador de electrones. Diversidad de procariotas La ‘agalla de corona’ (tumores) en las plantas es causada por Agrobacterium tumefaciens. Tiene un plásmido que se utiliza como vector en la tecnología del ADN recombinante. Diversidad de procariotas: Arquea La separación del dominio Archaea se basó originalmente en la secuenciación de genes de rRNA. La secuenciación de un genoma completo encontró que más de la mitad de los genes no se parecían a ninguno de bacterias. Las arqueas son famosas por vivir en ambientes extremos: alta salinidad, altas temperaturas, pH alto o bajo y bajo nivel de oxígeno. Pero muchas no son extremófilas (por ejemplo, son comunes en el suelo) o en las profundidades del océano. Diversidad de procariotas: Arquea Las arqueas no tienen peptidoglicano en las paredes celulares y tienen lípidos únicos en las membranas celulares - bacterias y eucariotas tienen ácidos grasos conectados al glicerol mediante éster éter enlaces éster - las arqueas tienen ácidos grasos unidos al glicerol mediante enlaces éter Los hidrocarburos de cadena larga de las arqueas no están ramificados. Lípidos que tiene glicerol en ambos extremos forma una monocapa. En las arqueas se encuentran monocapas y bicapas de lípidos. Diversidad de procariotas: Arquea Algunos linajes de arqueas procariotas: Euryarchaeota Crenarchaeota Thaumarchaeota Korarchaeota Lokiarchaeota La mayoría de los crenarqueos conocidos son termófilos, acidófilos o ambos. Sulfolobus vive en aguas termales de azufre (70–75 °C, pH 2 a 3), pueden mantener un pH interno de 5,5 a 7. Diversidad de procariotas: Arquea Algunas euryarchaeotas son metanógenas: producen metano (CH4) al reducir el CO2. Son anaerobios obligados. Los metanógenos liberan 2 mil millones de toneladas de metano por año. Muchos viven en los intestinos de mamíferos que pastan, termitas y cucarachas. Los halófilos extremos (amantes de la sal) tienen pigmentos carotenoides rosados. se encuentran en pH de hasta 11,5 y viven en los ambientes más salados y alcalinos de la Tierra algunos tienen un sistema único para usar la luz para formar ATP, utilizando la molécula que absorbe la luz, la bacteriorodopsina Comunidades ecológicas dependen de procariotas Las procariotas usualmente viven en comunidades de muchas especies microbianas diferentes. Muchas comunidades microbianas brindan servicios importantes. - nos ayudan a digerir los alimentos. - descomponen los desechos municipales - reciclan la materia orgánica y los elementos químicos Comunidades ecológicas dependen de procariotas Muchas comunidades microbianas forman biopelículas. Cuando las células tocan una superficie sólida, secretan una matriz de polisacáridos gelatinosos que atrapan otras células. Comunidades ecológicas dependen de procariotas Es difícil matar células en una biopelícula (ej, puede ser impenetrable para los antibióticos). Las biopelículas se forman en muchos lugares: lentes de contacto, prótesis articulares, placa dental, tuberías de agua, etc. Los estromatolitos fósiles son capas de biopelícula y carbonato de calcio. Las bacterias se comunican mediante señales químicas ej. detección de quórum (quorum sensing) Se investigan formas de bloquear las señales que inducen la formación de la matriz para evitar que se formen biopelículas. Procariotas viven dentro y sobre otros organismos La salud humana depende en parte de la salud de nuestros microbiomas, comunidades bacterianas que viven dentro y sobre nuestros cuerpos. Cada superficie de nuestro cuerpo está cubierta por diversas comunidades de bacterias. Con la comunidad de microbiomas adecuada, nuestros cuerpos funcionan normalmente. Son afectadas por nuestra dieta, medicamentos, toxinas y estilo de vida. Muchos problemas de salud complejos están relacionados con la alteración de los microbiomas, incluidas las enfermedades autoinmunes. Procariotas viven dentro y sobre otros organismos Los bebés adquieren su microbioma al nacer, a través de la vagina de la madre y a través de la lactancia materna. Los bebés nacidos por cesárea o alimentados con biberón con fórmula artificial adquieren bacterias que pueden no ser las adecuadas. La incidencia de enfermedades autoinmunes es mucho mayor en estos individuos. Las bacterias del intestino grueso humano producen vitaminas B12 y K. La biopelícula que recubre los intestinos humanos facilita la absorción de nutrientes y funciona como un “tejido” especializado. Otros animales también dependen de comunidades microbianas, como las del rumen del ganado, que descomponen la celulosa. Algunas bacterias son patógenas A finales del siglo XIX, los bacteriólogos, químicos y Para que un organismo se convierta en patógeno médicos demostraron que muchas enfermedades son debe: causadas por agentes microbianos. Llegar a la superficie corporal de un Robert Koch estableció reglas para establecer que un huésped organismo en particular causa una enfermedad en Entrar en el cuerpo del huésped particular: - los postulados de Koch: Evadir las defensas del huésped Multiplicarse dentro del huésped El microorganismo siempre se encuentra en Infectar a un nuevo huésped personas con la enfermedad. Puede tomarse del huésped y cultivarse en un Los efectos del patógeno dependen de: cultivo puro. Una muestra del cultivo causa la enfermedad - La invasividad del patógeno: su capacidad en un nuevo huésped. de multiplicarse en el huésped. El nuevo huésped también produce un cultivo - La toxigenicidad del patógeno: su puro. capacidad de producir toxinas. Metabolismo en procariotas Existen muchas más vías metabólicas en las Los anaerobios no utilizan el oxígeno como procariotas que en las eucariotas. aceptor de electrones en la respiración. Anaerobios obligados: el oxígeno es El metabolismo energético de los eucariotas venenoso para ellos. se lleva a cabo en las mitocondrias y los cloroplastos que descienden de las bacterias. Los anaerobios facultativos pueden cambiar el metabolismo entre modos aeróbicos y anaeróbicos, como la fermentación. La larga historia evolutiva de los procariotas Los aerobios obligados no pueden sobrevivir sin oxígeno. ha dado lugar a una variedad de “estilos de vida” metabólicos. Los anaerobios aerotolerantes no sufren daños por el oxígeno, pero no realizan la respiración celular. Metabolismo en procariotas Los fotoautótrofos realizan la fotosíntesis. - Las cianobacterias utilizan clorofila a, y producen O2. - Otras utilizan sulfuro de hidrógeno (H2S) en lugar de H2O como donante de electrones y producen partículas de azufre puro, no O2. La bacterioclorofila absorbe longitudes de onda más largas que la clorofila; pueden vivir en el agua debajo de capas densas de algas. Metabolismo en procariotas Los fotoheterótrofos utilizan la luz Los quimioautótrofos obtienen energía como fuente de energía, pero obtienen oxidando compuestos inorgánicos y carbono de compuestos elaborados por utilizan esa energía para fijar el CO2. otros organismos: carbohidratos, ácidos Algunos oxidan iones de amoníaco o grasos, alcoholes. nitrito para formar iones de nitrato; otros La luz solar proporciona ATP a través de oxidan H2, H2S, S y otros. la fotofosforilación. Muchas arqueas procariotas son quimioautótrofas. Metabolismo en procariotas Los quimioheterótrofos obtienen Muchas procariotas son energía y carbono a partir de descomponedores: metabolizan compuestos orgánicos complejos compuestos orgánicos presentes en sintetizados por otros organismos. organismos muertos y otros materiales orgánicos. - la mayoría de las bacterias y arqueas, al igual que todos los Los productos, como el CO2, se animales, todos los hongos y devuelven al medio ambiente, pasos muchos protistas. clave en el ciclo de los elementos. Algunas especies obtienen energía a partir de romper moléculas inorgánicas Tabla 24.2 (litotrofos). Ciclo de nutrientes Algunas bacterias utilizan iones inorgánicos como el nitrato, el nitrito o el sulfato como aceptores de electrones en el transporte respiratorio de electrones. Los desnitrificadores utilizan NO3– como aceptor de electrones en condiciones anaeróbicas y liberan N a la atmósfera como N2 (ej. especies de Bacillus y Pseudomonas). Los fijadores de nitrógeno convierten el gas N2 en amoníaco (NH3). Bacterias nitrificantes (quimioautotróficas). Nitrosomonas y Nitrosococcus oxidan el amoniaco Este proceso vital lo llevan a cabo muchas (NH3) a nitrito (NO2–). Nitrobacter oxida el nitrito arqueas y bacterias, incluidas las (NO2–) a nitrato (NO3–). cianobacterias, pero ningún otro organismo. El NH3 es utilizable por los fijadores de Los electrones de la oxidación pasan a través de nitrógeno y otros organismos, especialmente una cadena de transporte de electrones. las plantas terrestres. Otras procariotas contribuyen al ciclo del azufre. ej. ecosistemas de fuentes hidrotermales de aguas profundas dependen de bacterias que obtienen energía oxidando el H2S y otros compuestos liberados por las fuentes volcánicas. Virus Los virus no son celulares, pero: Derivan de células de otros organismos vivos. La filogenia de los virus es difícil de Tienen ADN y ARN. resolver. Infectan todas las formas celulares de vida. Los virus se clasifican según la estructura de Se replican, mutan, evolucionan e su genoma. interactúan con otros organismos. Muchos virus ARN, que ahora son parásitos Evolucionan independientemente de obligados de especies celulares, pueden otros organismos. haberse “escapado” de la vida celular. Multiples origenes de los virus Virus de ARN de sentido negativo: el ARN es el complemento del ARNm. Virus de ARN de sentido positivo: el grupo más abundante y diverso, se traduce. enfermedades de cultivos (virus de mosaico) Multiples origenes de los virus Los retrovirus: transcripción inversa; el Los virus de ARN bicatenario (doble ADN retroviral (VIH, cáncer), cuando es cadena) pueden haber evolucionado integrado se conoce como provirus repetidamente a partir de ancestros de ARN monocatenario, o viceversa. Causan enfermedades en las plantas. Los retrovirus incorporados al genoma del huésped pueden volverse no funcionales y proveen un registro de infecciones virales antiguas. Los humanos tienen alrededor de 100.000 fragmentos de estos retrovirus endógenos. Multiples origenes de los virus Algunos virus de ADN pueden haber evolucionado a partir de organismos celulares reducidos que perdieron la estructura celular y la capacidad de sobrevivir como especies de vida libre. Los mimivirus tienen genomas similares en tamaño a algunas bacterias parásitas. Virus para combatir infecciones bacterianas Los virus bacteriófagos (virus que infectan bacterias ) se han utilizado para combatir infecciones bacterianas en humanos. Se denomina terapia con fagos y se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial, pero fue reemplazada por antibióticos en las décadas de 1930 y 1940. A medida que las bacterias desarrollan resistencia a los antibióticos, se ha reanudado la investigación en terapia con fagos. - Una ventaja de los bacteriófagos sobre los antibióticos es que pueden evolucionar. - A medida que las bacterias desarrollan resistencia a una cepa de bacteriófago, se seleccionan nuevas cepas de bacteriófagos que conservan su eficacia.