Biología Celular y Microbiología: Células Procariotas

Conceptos clave tema 1: Introducción
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Teoría celular
La célula como unidad fundamental del ser vivo
Pasteurización
Postulados de Koch
Sopa primitiva y experimento de Stanley Miller
Dogma central de la biología molecular
Categorización de los seres vivos (complejidad, fenotipo y genotipo)
Eucariota / Procariota (tabla)
Teoría endosimbiótica
Árbol filogenético y cronómetro evolutivo
Los 3 dominios
Clasificación de los microorganismos (celulares y acelulares)
2. Determinación de organismos de interés biotecnológico.
Introducción a biología celular y microbiología. Teoría celular, el origen de la vida, tipos de células, teoría endosimbionte taxonomía y
filogenia.
Microbiología I. Células Procariotas: Taxonomía, morfología, estructura, nutrición y reproducción. Procariotas de interés biotecnológico.
Microbiología II. Células Eucariotas: Taxonomía, morfología, estructura, nutrición y reproducción. Eucariotas de interés biotecnológico.
Membranas e interacción con el medio: La membrana celular y el transporte. Estructura de la membrana. Transporte activo y pasivo.
Ósmosis. Endocitosis. Exocitosis.
Genética básica: La replicación, la transcripción y la traducción del ADN. Código genético y síntesis de proteínas. Conceptos de gen y de
cromosoma (exones e intrones).
Microbiología III. Virus: Tipos, estructura, reproducción. Utilidades y potenciales aplicaciones biotecnológicas. Viroides y priones.
Biología de organismos superiores I. Células animales: Tejidos, órganos y sistemas básicos. Inmunidad y oncología básica. Diferenciación y
cel. madre. Animales y cel. animales de interés biotecnológico.
Biología de organismos superiores II. Células vegetales: Anatomía y tejidos vegetales. Agua y otros nutrientes. Factores externos y
diferentes cultivos. Plantas y cel. vegetales de interés biotecnológico.
PRINCIPIOS DE BIOTECNOLOGÍA
2. DETERMINACIÓN DE ORGANISMOS DE
INTERÉS BIOTECNOLÓGICO:
2. 2 Microbiología I. Células Procariotas
❑ Morfología y tamaño
❑ Reproducción y crecimiento
❑ Estructura y funciones
❑ Introducción a genética bacteriana
❑ Movimiento y tactismos
❑ Resumen Bacteria y Archaea
❑ Nutrición y metabolismo
❑ Procariotas de interés
Víctor Nájera – Alesón
[email protected]
Procariotas
Bacteria
Archaea
MORFOLOGIA DE LA BACTERIA
Procariotas: Bacteria y Archaea
Forma:
- Coco: esférica u ovoide
- Bacilo: cilíndrica o de bastoncillo
- Filamentosos: filamentosa
- Hifas: filamentos largos multinucleados
- Bacilos largos retorcidos: espirilos y espiroquetas
MORFOLOGIA DE LA BACTERIA
Procariotas: Bacteria y Archaea
Agrupaciones
MORFOLOGIA DE LA BACTERIA
Procariotas: Bacteria y Archaea
Tamaño:
-De 0,3 (Mycoplasma) a 7 μm
(Oscillatoria) de diámetro
-Existen bacterias tan grandes
como células eucariotas
-E.coli: 1,1 a 1,5 μm de ancho y
de 2 a 6 μm de largo)
BACTERIAS GIGANTES
Epulopiscium fishelsoni
Thiomargarita namibiensis
Estructura de célula procariota
Membrana plasmática.
• Rodea el citoplasma de procariotas y eucariotas
• Barrera con permeabilidad selectiva, punto clave de contacto entre
medio intra y extra celular.
• Compuesta por:
Lípidos y proteínas
Lípidos anfipáticos que forman bicapas
Fosfolípidos: ácidos grasos (hidrofóbicos) + glicerol (hidrofílico)
• Ausencia de esteroles presentes en eucariotas
• Presencia de hopanoides, similares a esteroides (estabilidad)
• 5 a 10 nm de grosor
Esterol (colesterol, eucariotas)
Hopanoide (diplopteno, procariotas)
Membrana plasmática.
• Los lípidos de membrana de Arqueas son diferentes
• Unidos por enlaces éter (en vez e éster)
• No poseen ácidos grasos, sino hidrocarburos:
- Diéteres y tetraéteres de glicerol
- Tetraéteres está unidos covalentemente formando una monocapa de
mayor resistencia (hipertermófilas)
Membrana plasmática.
Modelo del mosaico fluido
Singer y Nicholson (1972)
Bicapa lipídica
* proteínas periféricas: 20-30% del total
solubles en soluciones acuosas
algunas son lipoproteínas
* proteínas integrales: 70-80% del total
insolubles en soluciones acuosas
anfipáticas
pueden llevar unidos hidratos de
carbono (Glicoproteinas)
- Estabilidad por puentes de H e interacciones
hidrofóbicas.
Membrana plasmática.
Funciones
Retiene el citoplasma y lo separa del medio exterior
Barrera selectivamente permeable en ambos sentidos
Porta los sistemas de transporte específicos para muchas sustancias
Lleva a cabo procesos metabólicos (respiración, fotosíntesis, síntesis de lípidos…)
Favorece la diferencia de potencial entre el medio exterior e interior para generar energía (ATP)
Tiene moléculas receptoras específicas
Sistemas internos de membranas:
Aumenta la proporción superficie /volumen
Mesosomas:
- Invaginaciones de la membrana plasmática
(vesículas, tubos, lamelas)
- Próximos a los cromosomas.
Plegamientos internos extensos:
- en cianobacterias, bacterias púrpuras, etc
- mayor actividad metabólica
La pared celular
• Capa rígida que cubre la membrana plasmática
• Da forma y protege de la lisis osmótica ¿ÓSMOSIS?
• Morfología diferente en bacterias: Tinción de Gram: Gram+ y Gram• Gram+: pared de peptidoglicano (o mureína), de 20-80 nm
• Gram- : capa de peptidoglicano de 2-7 nm rodeada por una membrana externa de 7-8 nm
*La pared de Gram positivas en mas fuerte
Bacillus subtillis (gram +)
Escherichia coli (gram -)
Ósmosis y pared celular
La presión osmótica dentro de una
bacteria puede llegar a 2 atm
Procariotas sin pared celular: excepciones!
Micoplasma: patógeno, esteroles de membrana (gram+ ¿?)
Thermoplasma. Arquea, extremófila. Lipoglicanos de membrana
La pared celular
Protege a las bacterias de destrucción por la presión osmótica:
-Lisis en hábitat hipotónicos
-Plasmólisis en hábitat hipertónicos
*Lisozima (ENZIMA antibacteriana): Saliva, lagrimas, mucosa…
rompe el enlace entre NAM y NAG
En solución isotónica:
Protoplastos: bacterias Gram+ sin peptidoglicano
Esferoplastos: bacterias Gram-con membrana externa y parte
de peptidoglicano
**Penicilina (antibiótico): inhibe la síntesis del peptidoglicano
La pared celular
- Envoltura celular: pared y cápsulas si existen
- Espacio periplásmico en Gram+ y GramSupone un 20-40% del volumen total de la envoltura celular
•en Gram-: hay proteínas (captación de nutrientes, respiración,
transporte, síntesis de peptidoglicano…).
•en Gram+: casi no hay espacio, no hay tantas proteínas, las
secretan (exoenzimas).
Peptidoglicano o mureína.
Componente estructural de la pared.
Gran polímero formado por subunidades idénticas:
- N-acetil glucosamina (NAG) y N-acetil murámico (NAM)+ 4 amino ácidos
(tetrapéptido)
- Acido D- glutámico
- Alanina (D- y L-)
- L-Lisina
- Ácido meso-diaminopimélico (DAP)
*no están presentes en proteínas.
La pared celular
Gram -
Peptidoglicano o mureína.
En Gram+ tiene además cadenas entrecruzadas de 5 glicinas (pentaglicina)
Existe gran variabilidad en la estructura del peptidoglicano y en los aa que forman el tetrapéptido.
(se conocen más de 100 tipos)
Gram - :
Gram +
Gram +
La pared celular GRAM +
- Mureínas (peptidoglicano) enlazadas por puentes peptídicos (pentaglicina)
- Ocupa el 90% de la pared, en una o varias capas
- Muchos ácidos teicoicos (polímeros de glicerol y ribitol unidos por fosfatos) unidos a D-ala y glucosa
Unidos en unión covalente al peptidoglicano (ac. teicoico – NAM): Carga negativa de la superficie celular
Unidos a veces a lípidos de membrana: Ac. Lipoteicoicos
La pared celular GRAM -
La capa de peptidoglicano no está entrelazada y es un 10% de la pared celular.
Tienen una membrana externa (que cubre el peptidoglicano)
En el medio se encuentra el espacio periplásmico: gelatinoso (alta concentración de proteínas, sustratos y
productos del metabolismo de proteínas)
Membrana externa.
Es una bicapa lipídica pero no igual que la membrana plasmática
Contiene además de fosfolípidos y proteínas:
- Lipopolisacáridos(LPS) Polisacáridos unidos covalentemente a los lípidos de membrana.
*Es lo mas característico
- Hay zonas de contacto directo con la membrana plasmática: zonas de adhesión
La membrana externa es una barrera protectora y además es permeable a ciertas sustancias (modulo 2.4)
- Existen canales estrechos formados por 3 moléculas de porina
- Existen transportadores específicos para proteínas mayores de 700 da
- …
La pared celular GRAM -
La pared celular GRAM LPS
- Tiene mucha variabilidad entre bacterias y entre cepas
- Permite la adhesión en de bacterias patógenas a células y tejidos huésped
- Es el causante de las reacciones inmunitarias innatas más comunes aunque también induce tolerancia en algunos casos
Estructura
•Lípido A:
-2 glucosaminas unidas a 3 ac. grasos y un fosfato insertado en la mb externa
-Puede ser tóxico (endotoxina)
•Core o núcleo: 10 azúcares poco comunes unidos al péptido A
•Cadena lateral O:
- Cadena polisacarídica
- Puede tener azúcares peculiares
- Estructura de defensa frente al huésped
- Contribuye a la carga negativa de la superficie
- Estabilización de la estructura de la membrana
Tinción Gram
Christian Gram (1853 - 1938)
1. Recogida de muestra y fijación
2. Coloración:
Cristal Violeta+ : Colorante.
Lugol (disolución de Iodo I2-): mordiente.
Cristal violeta – Iodo (complejo insoluble)
3. Decoloración:
Alcohol- acetona (Paso diferencial) decolorante, disuelve el complejo.
Disolvente orgánico: destruye los lípidos y deshidrata el peptidoglicano
4. Contraste: Safranina: Colorante
Componentes externos a la pared celular:
Confieren protección, fijación y permiten su desplazamiento
Capa S
Muy común en arqueas y presente en algunas bacterias Gram + y Gram –.
Compuesta de proteínas o glicoproteínas ordenadas y veces polisacáridos.
En Gram- adherida a la membrana externa (LPS)
En Gram+ directamente asociada al peptidoglicano
Da forma y rigidez a las bacterias y permite su adhesión a superficies
Funciones: Refuerzo estructural. También interfase filtros y redes de retención
Protege frente a cambios de pH, [iones], enzimas, estrés osmótico, ataque de agentes
patógenos, fagocitosis, etc..
Glicocálix: Capsula y capas mucosas (slime o limo)
Capa S: Thermonaerobacter
Célula
*BIOFILMS
Capa externa a la pared celular.
Compuesta principalmente de polisacáridos que interaccionan con la pared y con el
material donde habita la bacteria.
Diferentes niveles de hidratación. (cápsula o mucosa)
Confieren ventajas como la adhesión, deslizamiento, resistencia a la desecación y
protección frente al sistema inmune del hospedador.
Cápsula: Rhizobium trifoli
Cápsula
Apéndices bacterianos
Son estructuras filamentosas que sobresalen en la superficie celular. Hay bacterias que no tienen ningún apéndice
Fimbrias y Pelos (pili )
Son tubos huecos, formados por proteínas que aparecen en la superficie externa de algunas bacterias.
Las fimbrias son cortas y muy numerosas, y sirven para que la célula pueda fijarse al sustrato (tejidos
animales en patógenos, p.ej: en humanos Salmonella (salmonelosis) o para crear biofilms.
Los pili son largos y sólo aparecen uno o dos por bacteria. Casi exclusivas de Gram- en el proceso de
conjugación, intervienen en el intercambio de material genético con otras bacterias. A veces también
están implicados en colonización y un tipo raro de movimiento (deslizamiento)
Flagelos
Apéndices locomotores. Estructuras delgadas y rígidas de 20 nm de ancho y 15-20 mm de largo
El nº de flagelos varía en las distintas bacterias:
• monotricas, 1 flagelo
• anfitricas, 1 flagelo en cada polo
• lofotricas, un grupo de flagelos en uno o ambos extremos
• peritricas, distribución uniforme por la superficie
Movimiento bacteriano
Movimiento flagelar: Hélice rígida que gira y produce el movimiento de velocidad variable
(270rps E.coli - 1100rps Vibrio) la dirección de rotación determina acelerar o frenar (agujas
del reloj). El motor en la base del flagelo no se conoce el mecanismo de rotación (turbina
de protones (1000 protones /r)).
El movimiento se produce a través de carreras, tumbos y re-orientación al azar.
Tactismos: movimiento en respuesta sensorial
Quimiotaxis: en respuesta sustancias químicas atrayentes o repelentes:
A través de receptores de membrana y cascadas de activación se “pone en marcha” el motor
flagelar.
Experimentos de demostración con capilar.
*Tb otros tactismos como Fototaxis
Percepción de quorum
Mecanismo por el cual las bacterias evalúan su densidad de
población antes de iniciar una respuesta que requiera de una cierta
densidad celular para surtir efecto. Por ejemplo, una bacteria
patógena o la formación de una Biofilm
Molécula señal: Autoinductor.
Difunde libremente a través de las membranas.
Cuando hay alta concentración en el interior celular significa que
hay muchas bacterias de su especie cercanas.
El autoinductor se une a una proteína activadora que activa la
transcripción de genes específicos.
El más estudiado es AHL (lactonas de acilhomoserina)
Bioluminiscencia por percepción de quorum
Aliivibrio fischeri
Genoma bacteriano Genoma: todo el DNA presente en una célula o virus
Gran diversidad en tamaño y geometría
Procariotas: 1 juego de genes (1N, solo una dotación cromosómica) y a
menudo poseen elementos genéticos extracromosómicos: Plásmidos
Plásmido: Pequeña molécula de ADN circular separado del cromosoma.
Se replican de forma independientemente.
Pocos genes, algunos de resistencia a los antibióticos.
Todas las Archaea y la mayoría de bacterias tienen un cromosoma de
DNA circular de doble cadena superenrollado.
El número de cromosomas es variable, generalmente 1
El cromosoma bacteriano se compacta en el nucleoide y está asociado
a proteínas. NO tiene membrana ni envuelta.
Resumen funciones estructurales procariotas
Cápsula o capas de limo:
Resistencia a fagocitosis y adherencia a superficies.
Pared bacteriana:
Cuerpos de inclusión
Soporte estructural y de protección frente riesgo de lisis
en ciertos medios.
Barrera semipermeable, límite mecánico celular, transporte
de nutrientes y desechos, localización de muchos procesos
metabólicos (respiración, fotosíntesis), captación de
señales y quimiotaxis.
Contiene enzimas hidrolíticas y proteínas de unión para el
procesamiento y consumo de nutrientes.
Almacenamiento de carbono, fosfato, etc.
Vacuolas de gas
Flotabilidad en medio acuoso
Nucleoide
Localización del material genético ADN
Ribosomas
Sintesis de proteinas
Fimbrias y pilus (pili)
Adhesion a superficies y "apareamiento celular"
Flagelo
Movimiento
Endosporas
Supervivencia en condiciones extremas
Membrana plasmática:
Espacio periplasmico
•
•
•
Estructura altamente conservada
DNA “libre” sin encapsular
Ausencia de orgánulos
Reproducción de los seres vivos:
Crecimiento bacteriano
Tiempo de generación
Fisión binaria
Proteínas FtsZ presentes en Archaea, Bacteria, mitocondrias y cloroplastos.
*Muestra similitud con al tubulina eucariota
-
Replicación del DNA: proteínas Min (MinE) interaccionan con los
nucleoides antes de que se forme el anillo FtsZ
- Determinación del punto medio real.
-
Divisoma: Anillo de FtsZ alrededor del cilindro celular hacia dentro
(10.000 moléculasaprox.) define el plano de división celular. También
hay proteínas de síntesis de peptidoglicano. Dirige la síntesis de nuevos
materiales de pared y membrana.
-
Constricción para formar las dos células hijas: despolimerización del
anillo FtsZ.
Síntesis de pared hacia el interior
FtsZ tiene energía para la polimerización/despolimerización
Crecimiento de poblaciones microbianas.
Incremento del número de células o de masa
Curva de crecimiento
Fase de latencia(fase lag)
- No hay incremento neto de masa.
Fase exponencial o logarítmica(log)
- Crecimiento y división al máximo nivel posible.
- Velocidad de crecimiento constante.
*Logaritmo: Exponente al que hay que elevar un número, llamado base,
para obtener otro número determinado.
Fase estacionaria.
- Cesa el crecimiento de la población
- Aprox:109células/ml en bacterias).
- Limitación de nutrientes
- Acumulación de residuos tóxicos.
Fase de muerte.
- Disminución del número de células viables
- Muerte: pérdida irreversible de la capacidad de
dividirse
- Hay células particularmente resistentes
-
Representación gráfica del incremento del número de células del cultivo
con el tiempo.
Cultivo discontinuo o cerrado.
Si representamos el logaritmo del nº de células frente al tiempo
Endosporas bacterianas
-
Estructuras latentes muy resistentes a calor (algunas hasta más de 140ºC), radiación, desecación, agentes químicos, etc.
-
NO SON ESPORAS!!! (de plantas, levaduras y algunos tipos de bacterias)
-
En algunas bacterias Gram+ (Bacillus, Clostridium son los mas estudiados).
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Algunos formadores de endosporas son patógenos.
Estructura de la endospora
Endosporas bacterianas
Termorresistencia:
-
15% del peso seco es ácido dipicolínico con Ca2+.
Proteínas ácido solubles ligadas al DNA (SASP)
Cubierta de la espora
Enzimas reparadoras del DNA
Eliminación de agua del protoplasto por el córtex
(deshidratación 90 -75 % menos de agua).
Formación de la endospora o esporulación.
-
Cuando hay falta de nutrientes y cesa el crecimiento.
Más de 200 genes implicados.
Proceso complejo y rápido (8 horas en Bacillus
subtilis).
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Germinación: activación por calor y presencia de
nutrientes, suele durar minutos.
¿Cuánto tiempo puede sobrevivir una espora?
Nutrición
Macronutrientes:
Carbono C, nitrógeno N, hidrogeno H y oxígeno O.
Micronutrientes:
Fósforo P, potasio K, azufre S, magnesio Mg.
Elementos traza:
Zinc, cobre, manganeso, molibdeno, cobalto.
Carbono: el 50% del peso seco de una célula media.
Presente en todos los compuestos orgánicos: aminoácidos, ac. grasos, azucares…
Puede ser asimilado a partir de otras moléculas obteniendo energía y ser reutilizado para formar otras biomoléculas.
Puede ser asimilado del CO2 para construir las biomoléculas y obtener la energía de la luz o de compuestos inorgánicos
(NH3, NO2-, H2S, S2O, Fe2+...).
Nitrógeno: 12% del peso seco de una célula media.
Muy importante para ácidos nucleicos (ADN, ARN) y proteínas.
Puede ser de origen orgánico e inorgánico, la mayor parte de las bacterias pueden usar NH3 (amoniaco) y algunas incluso
N2 gaseoso (bacterias fijadoras de nitrógeno).
Metabolismo y Bioenergética:
Reacciones endergónicas y exergónicas, energía libre ∆G
Oxidación – Reducción
Agentes reductores (trasportadores de electrones)
Aceptor final de electrones
Conservación de la energía: ATP Adenosín trifosfato
1. La forma en la que el organismo obtiene la energía para vivir y crecer:
Quimiótrofo. La energía se obtiene de compuestos químicos externos
Fotótrofo. La energía se obtiene de la luz.
2. Obtención de carbono:
Autótrofo. El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO2).
Heterótrofo. El carbono se obtiene de compuestos orgánicos (glucosa…).
Mixótrofo. El carbono se obtiene tanto de compuestos orgánicos como fijando el
dióxido de carbono.
3. Reductores para biosíntesis y energía:
Litótrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos inorgánicos.
Organótrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos orgánicos
(carbono).
4. Aceptor final de electrones en la respiración:
Aerobio: SI RESPIRACIÓN
Anaerobio: NO FERMETACIÓN
Dominio Bacteria
-
Procariotas: Gram+ y Gram- en función de la estructura de la pared celular
-
Clasificación por sus propiedades fenotípicas y genotípicas
-
Reproducción mediante fisión binaria
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Paredes celulares compuestas por peptidoglicano
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Gran variedad de tipos nutricionales y rutas metabólicas
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Miles de bacterias en el organismo humano y en todos los hábitat naturales
Dominio Archea
Diversidad morfológica:
- Fenotípicamente similares a eubacterias
- Esféricos, bacilos, espirales lobulados, irregulares o pleomórficos
- Tinción Gram: grampositivos y gramnegativos
- Unicelulares, filamentos o agregados
- Reproducción: fisión binaria, gemación, fragmentación u otros mecanismos
Diversidad fisiológica:
- Aerobios, anaerobios facultativos o anaerobios estrictos
- Quimiolitoautótrofos a organotrofos
- Mesófilos e hipertermófilos (+ 100 ºC)
Hábitat:
- Ambientes extremos acuáticos y terrestres
- Ambientes anaerobios
- hipersalinos /altas temperaturas /ambientes fríos
- 34 % biomasa procariota en aguas costeras superficiales del Antártico
- Especies simbióticas digestivo animales
- No causan enfermedades conocidas en humanos