Bacteria y Archaea

Biología de OrganismosBIOL1300

Prof: Jorge Molina

Procariotas vs Eucariotas

Bacteria y Archaea Protistas, hongos, plantas y animales

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?

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

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

4) Presencia de peptidoglicano en la pared celular.

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

5) La ausencia de un citoesqueleto interno con microfilamentos de actina ymicrotubulos con tubulina.

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

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

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.

7) Ausencia de fagocitosis, endocitosis, exocitosis.

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

Epulopiscium sp.

Naso tonganus

Se encuentra como simbionte en el tracto intestinal del pez unicornioy no se ha podido cultivar

200-300 µm largo x 50-60 µm diámetro

Angert. 2006. Microbiol Monogr. 285-301

Procariotas vs Eucariotas¿Por qué son tan grandes?

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

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

¿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

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

Nanotubos en procariotas

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

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 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

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)

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

¿Cómo obtienen su energía?

Hasta el momento solo unas 6800 especies han sido descritasprincipalmente aquellas que se pueden cultivar

Definición de especie?????

La clave son entonces los “ecotipos” conuna primera clasificación genética y luegouna clasificación por adaptación al hábitat

¿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

SSU+LSU RNArNo es

cultivable

“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)

Nanoarchaeum equitans

Simbionte obligadodel hipertermófiloIgniococcusDiámetro: 400 nm Genoma: 500 pb

NanoarchaeotaSu posición basal todavía

se discute

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

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

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