bacteria y archaea
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Bacteria y Archaea
Biología de OrganismosBIOL1300
Prof: Jorge Molina
Procariotas vs Eucariotas
Bacteria y Archaea Protistas, hongos, plantas y animales
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
1) Diferencias estructurales y funcionales entre los flagelos.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266http://www.arn.org/docs/mm/flag_dithani.htm
Proteína del flagelo = flagelinaRotación de 270 rps en E. coliy 1.100 rps en Vibrio alginolyticus
Flagelos, estructura y movimiento
http://www.arn.org/mm/mm_movies.htm
Cómo se mueven las bacteriascon el flagelo?
Cómo se construye el flagelo?
Cómo se mueve el flagelo?
G+G-
Flagelos bacterianos
Monotrico
Politrico
Anfitrico
Peritrico
Flagelos sirven para movilidad, adherirsea sustratos, formación de biopelículas y
contribuyen en los procesos de virulencia
Flagelos y cilios en eucariotas
Axonema con 9+2 microtúbulos unidos por dineina y nexina
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
1) Diferencias estructurales y funcionales entre los flagelos.
2) Ubicación de la cadena respiratoria en la membrana citoplasmática y no enmitocondrias.
3) Ubicación de los fotosistemas en la membrana citoplasmática o en tilacoideslibres y no en cloroplastos.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266
http://www.ivanstalio.com/anatomy.htm
Mitocondrias y cloroplastos
Célula animal Célula vegetal
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
1) Diferencias estructurales y funcionales entre los flagelos.
2) Ubicación de la cadena respiratoria en la membrana citoplasmática y no enmitocondrias.
3) Ubicación de los fotosistemas en la membrana citoplasmática o en tilacoideslibres y no en cloroplastos.
4) Presencia de peptidoglicano en la pared celular.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266
NAG = N-acetilglucosaminaNAM = Acido N-acetilmurámico
Pared celular (peptidoglicano)
Archaea tiene pseudopeptidoglicano conácido N-acetitalosaminuronico y NAG
http://student.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit1/prostruct/cw.html
Pared celular (peptidoglicano)
Síntesis de peptidoglicano con ayudadel transportador de membrana bactoprenol
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
1) Diferencias estructurales y funcionales entre los flagelos.
2) Ubicación de la cadena respiratoria en la membrana citoplasmática y no enmitocondrias.
3) Ubicación de los fotosistemas en la membrana citoplasmática o en tilacoideslibres y no en cloroplastos.
4) Presencia de peptidoglicano en la pared celular.
5) La ausencia de un citoesqueleto interno con microfilamentos de actina ymicrotubulos con tubulina.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266
Eucariotas
Citoesqueleto
Procariotas
El citoesqueleto en procariotasjuega papel importante en la
forma de la célula, movimientosintracelulares, división celular,
locomoción, etc.
De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Callaway. 2008. Nature. 451:124-126De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Citoesqueleto y forma de la célula
Células sinesta proteína
mueren
CreS
Células sinesta proteína
crecenalargadas
Se muestra un solo protofilamento deF-actin y MreB. Tres subunidades componencada polímero, y cada uno está compuesto de
4 dominios, mostrados en azul, amarillo, rojo y verde.El espacio longitudinal es similar para F-actin
y MreB (55 y 51 Å, respectivamente)
La diferencia entre los filamentos de F-actina es que dos protofilamentos se enredanformando un filamento helicoidal, mientras que con MreB los dos protofilamentos
corren paralelos
Subunidad con 4 dominios
Citoesqueleto y división celular
FtsZ está presente en G+, G- y algunasArchaea
Por su papel en la división celular se haconvertido en un excelente objetivo para
medicamentos antibacterianos
Shih & Rothfield. 2006. Microbiol Mol Biol Rev. 70:729-754De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
ParM es una proteína tipo actina involucrada en la segregación de los plásmidosfuncionando como un motor
Citoesqueleto y movimientos intracelulares
Otras proteínas motoras del citoesqueleto como dieninas, kinesinas y miosinasno han sido reportadas todavía en procariotas
?
CreS tiene 40% desimilaridad con las
proteínas de filamentosintermedios en eucariotas
Shih & Rothfield. 2006. Microbiol Mol Biol Rev. 70:729-754De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
1) Diferencias estructurales y funcionales entre los flagelos.
2) Ubicación de la cadena respiratoria en la membrana citoplasmática y no enmitocondrias.
3) Ubicación de los fotosistemas en la membrana citoplasmática o en tilacoideslibres y no en cloroplastos.
4) Presencia de peptidoglicano en la pared celular.
5) La ausencia de un citoesqueleto interno con microfilamentos de actina ymicrotubulos con tubulina.
6) La ausencia de movilidad citoplasmática mediada por motores molecularescon ATPasa como miosina y dienina.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266
7) Ausencia de fagocitosis, endocitosis, exocitosis.
Procariotas vs Eucariotas
La ausencia de un citoesqueleto y movilidad citoplasmática determina que no hayafagocitosis, endocitosis o exocitosis
Si a lo anterior le adicionamos especialización tisular es fácil ver porquelos eucariotas han alcanzado grandes dimensiones
Procariotas dependen entonces de simple difusión para tener acceso a nutrientesy otros metabolitos importantes
Difusión tiene como limitante la relación superficie/volumen
Para mantener una relación superficie/volumen grande los procariotasdeben mantenerse pequeños para que ninguna parte del citoplasma
se encuentre alejada del medio ambiente y obtenga los nutrientes rápidamente
Mendell et al. 2008. PNAS. 105:6730-6734
Procariotas vs Eucariotas
Epulopiscium sp.
Naso tonganus
Se encuentra como simbionte en el tracto intestinal del pez unicornioy no se ha podido cultivar
Mendell et al. 2008. PNAS. 105:6730-6734
200-300 µm largo x 50-60 µm diámetro
Procariotas vs Eucariotas
Angert. 2006. Microbiol Monogr. 285-301
Procariotas vs Eucariotas¿Por qué son tan grandes?
Mendell et al. 2008. PNAS. 105:6730-6734
El comportamiento alimenticio de Naso varia durante el día con diferentesconcentraciones de comida en diferentes partes del largo sistema digestivo del pez
¿Qué hace entonces la bacteria?
A lo largo del día migra a las diferentes partes donde se concentra el alimento
Se especula que el gran tamaño es una adaptación para poder controlar suposición en el intestino del pez
También hay ciliados predadores de bacterias que pueden ser evitadospor las bacterias grandes
Procariotas vs Eucariotas¿Cómo hacer para ser tan grande y poder realizar difusión?
Una célula grande tiene aprox. 250 pg de ADN, una pequeña tiene aprox. 85 pg ADN
Una célula diploide humana tiene 6 pg ADN
Procariotas vs EucariotasThiomargarita namibiensis (100-800 µm de diámetro)
Con una gran vacuola que ocupa el 98% del volumen celular, citoplasma activose reduce a 0.5-2 µm bajo la membrana citoplasmática
Mendell et al. 2008. PNAS. 105:6730-6734
Material genético también organizado en la periferia de la célula
Procariotas vs EucariotasCómo hacer para ser tan grande y poder realizar difusión?
El gran número de copias se arreglan hacia la periferia de la célula permitiendocompartimentalización celular y especialización regional dentro de esta célula
grande
Esto permite que se tengan las proteínas necesarias en el sitio donde se necesitansin perder tiempo transportándolas del sitio de síntesis al de acción
La gran bacteria funciona entonces como una microcolonia con diferentes regionesde la célula respondiendo a estímulos locales, lo que alivia la necesidad de
mantenerse pequeño para aumentar el tiempo de difusión intracelular
Procariotas vs Eucariotas
Mendell et al. 2008. PNAS. 105:6730-6734
¿Qué hacer con el resto de citoplasma libre?Usarlo para permitir el crecimiento de las crías (viviparidad)
Procariotas vs EucariotasEchlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes
12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
8) Ausencia de sistemas con endomembranas (retículo endoplasmático,aparato de Golgi, lisosomas).
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Tienen: proteasomas (presentes en archaea y eucariotas, pero raros en bacteria)ficobilisomas (cianobacterias y eucariotas) capturan luzclorosomas en bacterias verdes fotosintéticasvacuolas de gas compuestas por varias vesículas gaseosascarboxisomas para procesos de fijación de CO2membranas intracitoplasmáticas de bicapas membranosas que casisiempre son el producto de invaginaciones de la membrana
Tienen complejos proteicos u organelos proteicos
Son aproximadamente 1000 veces mas grande queun ribosoma y el grosor de la cubierta es de 3-4 nm
y está formada por la proteína CsoS1
1000-1500 Å
Compartimentos intracelulares proteinaceos
Utilizados en reacciones metabólicas (7 o mas tipos)
Se les conoce como microcompartimentos bacterianos
Son de forma polihédrica y constituidos por varios miles de polipéptidos10-20 tipos y sin evidencia de componentes lipídicos
Se estima que del 20-25% de todas las bacterias producen microcompartimentos
Citoesqueleto y organelos
Komeili. 2007. Ann Rev Biochem. 76:351-366De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
MamK
Magnetosomas tiene bicapas lipídicas de 3-4 nm con fosfolípidos, ácidos grasosy algunas proteínas que sirven para el transporte de hierro al espacio intracelular
Otros organelos en procariotas
Además de magnetosomas se han encontrado:
Acidocalsisomas: Organelos que almacenan calcio acidificado
Cromatoforos: vesiculas fotosintéticas en bacterias moradas
Tilacoides en saco: en cianobacterias
Vacuolas: en bacterias acuáticas
Pirellulosomas
Anamoxosomas
De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Nanotubos en procariotas
De Souza. 2012. Mem Inst Oswaldo Cruz. 107:283-293
Se les conoce como citonemas y se caracterizan por ser muy delgados y frágiles.
Ayudan a establecer contacto entre células y permite el paso de moléculas,pequeños organelos, vesículas secretorias y hasta priones y virus
Procariotas vs Eucariotas
Echlin & Morris (1965); Allsopp (1969) y Stainer (1970) sugieren las siguientes12 diferencias entre bacterias y eucariotas:
9) Organización del cromosoma como nucleoide en el citoplasma y no comonúcleo.
8) Ausencia de sistemas con endomembranas (retículo endoplasmático,aparato de Golgi, lisosomas).
10) Segregación del ADN por asociación con la membrana celular y no porun huso mitótico.
11) Recombinación por procesos parasexuales, no por syngamia (fusión degametos) y meiosis.
12) Inhabilidad para tener endosimbiontes celulares.
Cavalier-Smith. 1998. Biol Rev. 73:203-266
Cavalier-Smith sugiere que las diferencias pueden llegar a 30 en total
Last Universal Common Ancestor (LUCA)
La sopa primitiva fue el punto de partida y LUCA fueel producto final
Tres dominios
Propusieron utilizar el ARNr
Ribosomas tienen dos subunidades
Ramakrishnan. 2002. Cell. 108:557-572
¿Cómo es la subunidad grande?
http://rna.ucsc.edu/rnacenter/ribosome.html
¿Por qué usar el ARNr?Porque evolutivamente el ARNr es muy antiguo
Porque todos los organismos vivos tienen ARNr (síntesis de proteínas)
Porque el ARNr ha evolucionado lentamente y permite encontrar lassimilitudes entre los grupos de organismos
Diferencias entre los tres dominios
Las Archaea y eucariotas están mas estrechamente relacionadosy tienen un ancestro común no compartido con las bacterias
Dominios Procariotas
Eucariotas
Reinos
Autótrofos, saprófitos y heterótrofos
Árbol de la vida
Se debe dividir en dos grupos de organismos
a) Organismos que codifican para cápsidesb) Organismos que codifican para ribosomas
Se usaron 8 proteínasinvolucradas en
diferentes pasos delprocesamiento del
ADN
La sugiere la definición de rizoma en lugar de árbol de la vida debido a que losgenomas de los organismos son en realidad quimeras producto de la transferencia
horizontal de genes
¿Cuál es la diversidad de procariotas?Existen algunos puntos para considerar:
Son el producto de la evolución de 3800 millones de años(2000 millones de años mas que los eucariotas)
Astrobiología
Ambientes extremos (Nichos)
¿Cuál es la diversidad de procariotas?Existen algunos puntos para considerar:
Procariotas son un componente crucial de la biosfera porque catalizanprocesos que sostienen toda la vida sobre la tierra
http://www.bact.wisc.edu/Microtextbook/index.php?module=Book&func=displayarticle&art_id=112
Crecimiento poblacional
Adaptarse y producir enzimas
Utilización de todos los recursos
Producción de desechos tóxicos
Depende el medio donde se encuentren
¿Cuál es la diversidad de procariotas?Existen algunos puntos para considerar:
¿Cómo obtienen su energía?
¿Cuál es la diversidad de procariotas?Existen algunos puntos para considerar:
Hasta el momento solo unas 6800 especies han sido descritasprincipalmente aquellas que se pueden cultivar
Definición de especie?????
¿Cuál es la diversidad de procariotas?Existen algunos puntos para considerar:
La clave son entonces los “ecotipos” conuna primera clasificación genética y luegouna clasificación por adaptación al hábitat
¿Cuál es la diversidad de procariotas?
¿Cuál es la diversidad de procariotas?
Número de taxa en el suelo = 4 x 106 taxa por tonelada
Número de taxa en mares = no excede 2 x 106 taxa
Estimativos globales:
Diversidad global mínima = 4.5 x 106 taxa o en promedio un individuo de la especiemenos abundante por cada 27 km2
En los mares existen 1029 individuos de bacterias 2/3 son Bacteria y 1/3 sonArchaea (20.000 taxa en mares y 8.000 taxa en lagos)
Dominios, reinos y phyla
Posiblemente reinos o phyla
Phyla (aprox. 52)
Archaea
Quizás la mayoría viven en lasprofundidades de los océanos
Características importantes de Archea:
1) Carecen de peptidoglicano en sus paredes (tienen pseudopeptidoglicano)2) La composición de los lípidos en sus membranas
Archaea: Lípidos en su membrana
Archaea tienen enlaces eter y ácidos grasos ramificados
Bacteria Archaea
Archaea extremos
Pyrodictium brockii 113ºC
Ferroplasma acidarmanus pH 0 - 2.5
Halobacterium salinarium 3-4 M NaCl (17-23%), fotosintético sin clorofila(bacteriorodopsina)
Thermoplasma spp.: sin pared celular, crece a 60ºC y pH 1
No todas son extremófilas
Hay Archaea que viven en el intestinode artropodos
Hay Archaea que viven en el intestinohumano!! Methanobrevibactersmithii
Otros Archaea
Archaea: Clasificación
•fuente de e- en litótrofos
Thermoplasma (no tiene pared celular)
• aceptor e- respiraciónanaerobia
Termófilos del azufre (110°)Dependientes de Azufre
HalófilosAcidófilos (0-3)
Metanógenos (anaerobeos obligados)Termófilos extremos (70-75°)
Ph. EuryarchaeotaPh. Crenarchaeota
Diferencias entre Crenarchaeota y Euryarchaeota están fundamentalmente en la traducción, transcripción y replicación
Archaea: Clasificación
SSU+LSU RNArNo es
cultivable
Archaea: Clasificación
“Candidatus Korarchaeum cryptofilum”
Filamentos con < 2 µm diámetroy entre 15 a 100 µm de largo
Parece ser o un simbionte obligado oun excelente carroñero degradadorde péptidos (incapaz de sintetizar
una amplia variedad decofactores, vitaminas, purinas
y tal vez necesita otro organismopara remover los H)
Archaea: Clasificación
Nanoarchaeum equitans
Simbionte obligadodel hipertermófiloIgniococcusDiámetro: 400 nm Genoma: 500 pb
NanoarchaeotaSu posición basal todavía
se discute
1
2
3
4
No se conocen Archaeas patógenas o parasíticas
¿Por qué debemos saber de las Archaea?(si estudio ingeniería, derecho, arquitectura, etc.)
Porque juegan papel en demasiados aspectos que nos afectan, por ejemplo:
Ciclo del carbono
Industria
Biotecnología
¿Por qué debemos saber de las Archaea?(si estudio ingeniería, derecho, arquitectura, etc.)
Porque juegan papel en demasiados aspectos que nos afectan, por ejemplo:
Ciclo del carbono
Industria
Biotecnología
Ciclo del carbonoCaltratos
Ciclo del carbonoCaltratos
Bacteria
Walsh & Doolittle. 2005. Curr Biol. 15:237-240
Sobresale la radiación de bacteria
Tal vez un “big bang” de radiaciónadaptativa???
Antes del árbol con dominios• Clasificación de bacterias en G+ y G-• Forma (cocos y bacilos)• Pruebas bioquímicas, en condiciones
“humanas”
Bacteria: Clasificación
G- (Didermo)G+ (Monodermo)
12 Reinos (o linajes)
CULTIVABLES
Bacteria: Clasificación
G- con filamentos axiales (flagelomodificado)
Sífilis (Treponema),enfermedad de Lyme (Borrelia)
y leptospirosis (Leptospira)
5 x 250 µm largo
Simbiontes de rumiantes
3-5 millones rads (100 rads letal para humanos)
Deinococcus radiodurans
Tiñen G+, pero tienen pared G-
Varias copias genómicas y rápidos mecanismosde reparación del ADN
Termófilo
Producción de Taqpolimerasa para PCR
Fotosíntesis como en eucariotas
Asociados con hongos, protozoos, angiospermas y
gimnospermas
Fijación de nitrógeno
Bacterias muy pequeñas (0.2-1.5 µm)
Parásitos intracelulares
Producen esporas, toxinas,antibióticos
Clostridium botulinum (botulismo)Clostridium tetani (Tétanos)Clostridium perfringens (Gangrena)
Mycobacterium (Tuberculosis)Streptomyces (Estreptomicina)
Bacillus thuringiensis
Grupo muy grande y muy diversofenotípicamente
También conocidas como proteobacterias
Mitocondria y endosimbiosis
Rhizobium (Fijadoras nitrógeno)Escherichia coliYersinia pestisVibrio choleraSalmonella typhimurium
Pulgas y Yersinia pestis
Kettle. Medical and veterinary entomology. CAB International. 1995.http://www.cdc.gov/ncidod/dvbid/plague/
Kolter & Losick. 1998. Science. 280:226-227http://focus.hms.harvard.edu/1999/Sept17_1999/microbiology.html
Biopelículas: Comunidades complejas
La matriz está conformada por exopolisacáridos
Quorum sensing es importante para la señalización