METABOLISMO Y GENETICA DE LAS BACTERIAS

METABOLISMO Y GENETICA DE LAS BACTERIAS 

Metabolismo bacteriano

👀Necesidades metabólicas

El crecimiento bacteriano requiere una fuente de energía y la materia prima necesaria para fabricar las proteínas, las estructuras y las membranas que conforman la maquinaria estructural y bloquim:ca de la célula. Las bacterias deben obtener o sintetizar los aminoácidos, las necesidades minimas para cl crecimiento son unafuente dc carbono y nitrógeno, unafucntc dc energía, agua y diversos iones. Los elementos esenciales son los componentes de las proteínas, lípidos y ácidos nucleicos (C, O, H, N, S, P), iones importantes (K, Na, ,Mg, Ca, Cl) y componentes de las enzimas (Fe, Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni). El hierro es tan importante que muchas bacterias secretan proteínas especiales (sideróforos) para concentrarlo a partir de soluciones diluidas, y nuestros cuerpos secuestran el hierro para reducir su disponibilidad como método de protección.

• Metabolismo, energía y biosíntesis

Para sobrevivir, todas las células precisan de un aporte constante de energía. Esta energía se obtiene a partir de la degradación controlada de diversos sustratos orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas). Este proceso de degradación de los sustratos y de su conversión en energía utilizable se conoce como catabolismo. La energía así obtenida puede emplearse luego en la síntesis dé los componentes celulares (paredes celulares, proteínas, ácidos grasos y ácidos nucleicos), proceso que recibe el nombre de anabolismo. El conjunto de estos dos procesos, que están muy interrelacionados e integrados, se conoce como metabolismo intermedio.

Por regla general, el proceso metabólico comienza en el ambiente celular externo con la hidrólisis de grandes macromoléculas por parte de enzimas específicas son transportadas luego a través de las membranas celulares hacia el interior del citoplasma por medio de unos mecanismos de transporte (activos o pasivos) específicos de cada metabolito. Estos mecanismos pueden utilizar un transportador específico o bien proteínas de transporte de membrana con el fin de concentrar metabolitos a partir del medio extracelular. Los metabolitos se transforman en un producto intermedio universal, el ácido pirúvico, a través de una o más rutas. A partir del ácido pirúvico, los carbonos se pueden destinar a la producción de energía o bien a la síntesis de nuevos carbohidratos, aminoacidos, lípidos y ácidos nucleicos.

• Glucólisis y fermentación

La ruta glucolítica más frecuente, o ruta de Embden-Meyerhof- Parnas (EMP), ocurre tanto en condiciones aerobias como anaerobias. El rendimiento de esta vía es de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, dos moléculas de dinucleótido de adenina nicotinamida reducida (NADH) y dos moléculas de piruvato.

La fermentación sucede sin oxígeno y el ácido pirúvico producido por glucólisis es convertido posteriormente en diversos productos metabólicos finales en función de las especies bacterianas. Muchas bacterias se identifican según estos productos metabólicos finales del proceso de fermentación. En mayor medida que el oxígeno, estas moléculas orgánicas son utilizadas como aceptores de electrones para reciclar la forma reducida NADH en la forma no reducida NAD. En las levaduras, el metabolismo fermentativo ocasiona la conversión del piruvato en etanol y C02. En cambio, la fermentación alcohólica es infrecuente en las bacterias, en las que es más frecuente la conversión de ácido pirúvico en ácido láctico en un solo paso. Este proceso es responsable de la transformación de la leche en yogur y del repollo en chucrut. Otras bacterias utilizan rutas de fermentación más complejas, con formación de ácidos, alcoholes y, a menudo, gases (muchos de los cuales desprenden un olor desagradable). Estos productos proporcionan, asimismo. sabor a diversos quesos y vinos y olores a infecciones de heridas y de otros tipos.

• Respiración aerobia

En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico producido a partir de la glucólisis y el metabolismo de otros sustratos puede ser oxidado por completo (combustión controlada) hasta y CO: a través del llamado ciclo del ácido tricarboxílico (ATC), mediante el cual se produce energía adicional. El proceso comienza con la producción de acetilcoenzima A (acetil-CoA) y la liberación de C02, y también se producen dos moléculas de NADH a partir del piruvato. Los otros dos carbonos procedentes del piruvato entran a continuación en el ciclo del ATC en forma de acetil-CoA por condensación con oxalacetato y se forma una molécula de citrato de seis atomos de carbono. En una serie escalonada de reacciones de tipo oxidativo.

• Respiración anaerobia

Durante la respiración anaerobia se utilizan otros aceptores de electrones terminales en lugar del oxígeno. Los nitratos pueden convertirse en sulfato o sulfato molecular a HS, CO: a metano, ion férrico a ion ferroso, y fumarato a succinato. Se produce menos AT P por cada NADH durante la respiración aerobia, ya que el potencial de oxidorreducción es menor para estas reacciones. Las bacterias anaerobias facultativas usan este tipo de reacciones en el aparato Gl y en otros entornos anaerobios.

• Ruta de las pentosas fosfato

La ruta metabólica final del metabolismo de la glucosa que se estudia aquí recibe el nombre de ruta de las pentosas fosfato o ruta de las hexosas monofosfato. La función de esta ruta metabólica consiste en proporcionar precursores de ácidos nucleicos y poder reductor en forma de nucleótido de nicotinamida y adenina fosfato (forma reducida) (NADPH) que se utilizará en la biosíntesis.

 

👀Los genes bacterianos y su expresión

El genoma bacteriano es todo el conjunto de genes que tiene la bacteria, tanto en su cromosoma como en sus elementos genéticos extracromosómicos, si existen. Las bacterias suelen tener solo una copia de sus cromosomas (es decir, son haploides), mientras que los eucariotas suelen tener dos copias distintas de cada cromosoma (son, por consiguiente, diploides). Con solo un cromosoma, la alteración de un gen bacteriano (mutación) tendrá un efecto más evidente sobre la célula. Además, la estructura del cromosoma bacteriano se mantiene por las poliaminas, como la espermina y la espermidina, más que por las histonas.

Además de los genes estructurales relacionados con las proteínas (cistrones, que son genes codificadores), el cromosoma bacteriano contiene genes para ribosomas y la transferencia del ácido ribonucleico (ARN). Los genes bacterianos suelen agruparse en operones o islotes (p. ej., islotes de patogenicidad), que comparten funciones o que coordinan su control. Los operones con muchos genes estructurales son policistrónicos.

Las bacterias también pueden contener elementos genéticos extracromosómicos como plásmidos y bacteriófagos (virus bacterianos). Estos elementos son independientes del cromosoma bacteriano y en la mayoría de los casos se pueden transmitir de una célula a otra.

👾Transcripción

La información existente en la memoria genética del ácido desoxirribonucleico (ADN) se transcribe en una molécula de un ARN mensajero (ARNm) para su posterior traducción en proteínas. La síntesis del ARNm ocurre por medio de una ARN-polimerasa dependiente del ADN. El proceso comienza cuando el factor sigma reconoce una secuencia especifica de nucleótidos en el ADN (el promotor) y se une firmemente a ella.

👾Traducción

la traducción es el proceso por el cual el código genético, en forma de ARNm, se convierte (traduce) en una secuencia de aminoácidos, el producto proteico. El lenguaje y los signos de puntuación del código genético para cada aminoácido vienen condicionados por un conjunto de tres nucleótidos, que se denomina codón. Existen 64 combinaciones de codones distintas, que codifican los 20 aminoácidos, además de los codones de inicio y terminación. Algunos de los aminoácidos se codifican mediante más de un codón. Este fenómeno se denomina degencración del código genético y puede actuar para proteger a la célula de los efectos de mutaciones leves del ADN o el ARNm. Cada molécula de ARNt contiene una secuencia de tres nucleótidos que es complementaria de una de las secuencias del codón. Esta secuencia de ARNt se conoce como anticodón, y permite el apareamiento de bases y la unión al codón presente en el ARNm. En el extremo opuesto del ARNt se encuentra unido el aminoácido que corresponde a cada pareja específica codón-anticodón.

El proceso de síntesis de proteínas por el ribosoma 70S constituye un objetivo importante de la acción de los agentes antimicrobianos. Así, tanto los aminoglucósidos (p. ej., estreptomicina y gentamicina) como las tetraciclinas se unen a la subunidad menor del ribosoma y provocan una inhibición de la función normal de éste. De manera semejante, los antibióticos del grupo de los macrólidos (p. ej., eritromicina) y las lincosamidas (p. ej., clindamicina) actúan uniéndose a la subunidad mayor del ribosoma. Igualmente, los péptidos formil metionina (p. ej., fmet-leufen), son singulares de las bacterias, son quimiotácticos y atraen neutrófilos al foco de infección.

👾Control de la expresión génica

Las bacterias han desarrollado mecanismos para adaptarse con rapidez y eficiencia a los cambios y estimulos ambientales, lo que les permite coordinar y regular la expresión de los genes para las estructuras con múltiples componentes o las enzimas de una o más vías metabólicas. Por ejemplo, el cambio de temperatura podría indicar la entrada al huésped humano e indicar la necesidad de un cambio global del metabolismo y la regulación al alza de algunos genes importantes para el parasitismo o la virulencia. Muchos genes bacterianos se controlan a múltiples niveles y por distintos métodos.

Los promotores y los operadores son reconocidas secuencias por de los ADNfac• al inicio de un gen, (operón), que son tores sigma, proteínas activadoras y represoras que controlan la expresión de un gen o un operón. De este modo, pueden regularse de forma coordinada todos los genes que codifican las enzimas.

👾Replicación del ADN

La replicación del cromosoma bacteriano se desencadena por una cascada de sucesos relacionados con la velocidad de cre• cimiento de la célula. La replicación del ADN bacteriano se inicia en una secuencia específica del cromosoma denominada oriC. Aparte de otras enzimas, el proceso de replicación exige la participación de una enzima (helicasa) capaz de desenrollar el ADN y exponerlo, otra enzima (primasa) capaz de sintetizar lo cebadores que inician el proceso y una enzima o enzimas (ADN '01imerasas dependientes de ADN) que únicamente sintetizan Ina copia del ADN en presencia de una secuencia cebadora al añadir nucleótidos y tan solo trabajan en dirección 5' a 3'

El ADN nuevo se sintetiza de forma semi conservativa y tilizando cotno plantillas a:nbas cadenas del ADN de la célula rogenitora. La síntesis del nuevo ADN tiene lugar en una orquilla de crecimiento y sigue un curso bidireccional.

👾Crecimiento bacteriano

La replicación bacteriana es un proceso coordinado durante el cual se producen dos células hijas idénticas. Su crecimiento exige la presencia de suficientes metabolitos para permitir la síntesis de los componentes bacterianos y, especialmente, de los nucleótidos destinados a la síntesis del ADN. Al igual que pasa con una cuenta atrás en el Kennedy Space Center, para que se inicie un proceso de replicación debe producirse una cascada de distintos episodios reguladores (la síntesis de ARN y proteínas clave). Sin embargo, una vez iniciada, la síntesis del ADN debe llegar hasta el final, aun en el caso de desaparición de los nutrientes del medio.

Genética bacteriana

👄Mutación, reparación y recombinación

Es importante que el ADN se replique de forma precisa para que las bacterias sobrevivan, pero se producen errores y alteraciones accidentales del ADN. Las bacterias tienen sistemas de reparación del ADN eficientes , pero aún se siguen produciendo mutaciones y alteraciones en el ADN. La mayoría de estas mutaciones tienen escaso efecto sobre las bacterias o son nocivas, pero algunas mutaciones pueden proporcionar una ventaja selectiva para la supervivencia de las bacterias cuando se ven amenazadas por el entorno, el huésped o el tratamiento antibiótico.

👄Mutaciones y sus consecuencias

Una tnutación se define como cualquier modificación de la secuencia de bases del ADN. Un cambio de una sola base puede ocasionar una transición, en la que una purina es sustituida por otra purina o una pirinlidina es reemplamda por otra pirimidina. También puede aparecer una transversión, en la que una purina es sustituida por una pirimidina o viceversa. Una mutación silenciosa es una modificación del ADN que no provoca cambios en la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada. Este tipo de mutación se debe a que un aminoácido puede estar codificado en más de un codón. Una mutación de sentido erróneo (missense) es aquella que comporta la inserción de un aminoácido diferente en la proteína; sin embargo, cuando el nuevo aminoácido posee unas propiedades semejantes (p. ej., una valina que sustituye a una alanina) puede tratarse de una mutación conservadora. Una mutación sin sentido (nonsense) es aquella en la que se sustituye un codón que codifica a un aminoácido por un codón de interrupción (p. ej., TAG [timidina-adenina-guanina)), lo que provoca que el ribosoma pierda el ARNm y finalice prematuramente la producción de la proteína. Las mutaciones condicionales, como las mutaciones termosensibles, pueden deberse a mutaciones conservadoras que modifican la estructura o la función de una proteína importante cuando la temperatura es elevada.

Mecanismos de reparación del ADN

Con el propósito de minimizar los daños al ADN, las células bacterianas han desarrollado diversos mecanismos de reparación. Estos mecanismos de reparación se pueden dividir en cinco grupos:

l. La reparación directa del ADN consiste en la eliminación enzimática del daño (p. ej., dímeros de pirimidina y bases alquiladas).

2. La reparación por escisión se basa en la eliminación del segmento de ADN que contiene las lesiones, seguida de la síntesis de una nueva hebra de ADN. Existen dos tipos de mecanismos de reparación por escisión: generalizada y especializada.

3.La reparación posreplicación o por recombinación consiste en la recuperación de la sección de ADN perdida o dañada con secuencias iguales o similares que pueden estar presentes durante la replicación o en ADN extracromosómico.

4.La llamada respuesta SOS se caracteriza por la inducción de numerosos genes (aproximadamente 15) tras la aparición de daño al ADN, o bien por la interrupción de su replicación para promover la recombinación o la reparación propensa a error.

5.La reparación propensa a error (error-prone repair) es el último recurso con que cuenta la célula bacteriana antes de morir. Se utiliza para rellenar los espacios con una secuencia aleatoria cuando no se dispone de una plantilla de ADN que pueda orientar con precisión el proceso de reparación directa.

Transformación

La transformación es el proceso mediante el cual las bacterias captan fragmentos de ADN desnudo y los incorporan a sus genomas. La transformación fue el primer mecanismo de transferencia genética que se descubrió en las bacterias. En 1928, Griffth observó que la virulencia del neumococo se relacionaba con la presencia de una cápsula de polisacárido y que los extractos de bacterias encapsuladas productoras de colonias lisas podían transmitir este rasgo a las bacterias no encapsuladas, las cuales presentan generalmente una morfología rugosa. Alrededor de 15 años después, los estudios de Grifflth permitieron que Avery, McLeod y McCarty identificaran el ADN como el principio clave del mecanismo de transformación.

Conjugación

La conjugación produce una transferencia unidireccional de ADN desde un célula donante (o macho) hasta una célula receptora (o hembra) a través del llamado pilus sexual. La conjugación se da en la mayoría de las eubacterias, si no en todas, por IO general entre miembros de la misma especie o de especies relacionadas, pero se ha demostrado también entre procariotas y células de plantas, animales y hongos.

El tipo de acoplamiento (sexo) de la célula depende de la presencia (célula macho) o ausencia (célula hembra) de un plásmido conjugativo, como el plásmido F de E. coli. El plásmido F se define como conjugativo porque contiene todos los genes necesarios para su propia transferencia, como la capacidad de fabricar pili sexuales e iniciar la síntesis de ADN en el llamado «origen de transferencia» (oriT). El pelo sexual es un tipo de secreción de tipo IV especializado. Al transferirse el plásmido F, las células receptoras se convierten en células macho F'. Cuando un fragmento de ADN cromosómico se ha incorporado a la secuencia del plásmido, se designa como «plásmido F prima» (F'). Cuando este plásmido se transfiere al interior de la célula receptora, transporta el fragmento y lo convierte en un F' macho. Cuando la secuencia del plásmido se integra en el interior del cromosoma bacteriano, la célula se designa como «célula Hfr» (alta frecuencia de recombinación).

 

Transducción

La transferencia genética por transducción está mediada por virus bacterianos (bacteriófagos) que captan fragmentos de ADN y los almacenan en el interior de partículas de bacteriófago. El ADN suministrado a las células infectadas se incorpora luego al genoma bacteriano. La transducción puede clasificarse como especializada si los fagos en cuestión transfieren genes específicos (habitualmente los adyacentes a sus lugares de integración en el genoma) o generalizada si la incorporación de las secuencias es aleatoria debido al almacenamiento accidental del ADN de la célula hospedadora en el interior de la cápside del fago. Por ejemplo, una nucleasa del fago Pl degrada el ADN cromosómico de E. coli y algunos fragmentos de ADN son empaquetados en partículas fágicas. El ADN encapsulado, en lugar del ADN fágico, es inyectado en el interior de una nueva célula huésped, en la que puede recombinarse con el ADN homólogo de aquella. Las partículas implicadas en la transducción generalizada son muy valiosas para realizar el cartografiado genético de los cromosomas bacterianos. Cuanto más próximos se dispongan dos genes en el cromosoma bacteriano, mayor será la probabilidad de un proceso de cotransducción en el mismo fragmento de ADN.

Recombinación

La incorporación del ADN extracromosómico (extraño) en el cromosoma tiene lugar mediante un proceso de recombinación. Existen dos tipos de recombinación: homóloga y no homóloga. La recombinación homóloga (legítima) es la que tiene lugar entre secuencias de ADN estrechamente relacionadas y habitualmente sustituye una secuencia por otra. El proceso requiere la presencia de un conjunto de enzimas producidas por los llamados genes rec (en E. coli). La recombinación no homóloga (ilegítima) es la que tiene lugar entre secuencias distintas de ADN y, por regla general, produce inserciones, deleciones o ambas. Habitualmente este proceso precisa de la intervención de enzimas de recombinación especializadas (algunas veces, incluso específicas para un sitio determinado), como las producidas por muchos transposones y bacteriófagos lisogénicos.

Ingeniería genética

La ingeniería genética, conocida también como tecnología del ADN recombinante, emplea técnicas y métodos desarrollados por especialistas en genética bacteriana con el objeto de purificar, amplificar, modificar y expresar seCuencias genéticas específicas. La utilización de la ingeniería genética y la «clonación» ha revolucionado tanto la biología como la medicina. Los componentes básicos con que cuenta la ingeniería genética son los siguientes:

l) los vectores de clonación y expresión, que pueden utilizarse para introducir secuencias de ADN en el interior de bacterias receptivas y amplificar la secuencia deseada; 2) la secuencia de ADN que se desea amplificar y expresar; 3) diversas enzimas, como las enzimas de restricción, que se usan para degradar de forma reproducible la molécula del ADN en unas secuencias determinadas, y 4) la ADN ligasa, la enzima que une los fragmentos al vector de clonación.

Los vectores de clonación y expresión deben permitir que el ADN exógeno se inserte en su interior, pero conservando su capacidad de replicación normal en la célula huésped bacteriana o eucariota. En la actualidad se utilizan muchos tipos de vectores. Los vectores de tipo plasmídico, como pUC, pBR322 y pGEM, se ocupan de fragmentos de ADN de hasta 20 kb. Los bacteriófagos, como lambda, se emplean para fragmentos mayores de ADN (de hasta 25 kl), y los vectores cósmidos han combinado algunas de las ventajas de los plásmidos y los fagos para transportar fragmentos de ADN de hasta 45 kb.