8/18/2019 Cap 3 Metabolismo y Genética de Las Bacterias

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En lugar de liberar toda la energía de la molécula en forma de calor, lasbacterias degradan la glucosa mediante pasos independientes para poder captar laenergía así producida en formas utilizables. Las bacterias producen energía a partirde la glucosa a través de enumerados por orden creciente de e0ciencia' lafermentación, la respiración anaerobia y la respiración aerobia. La respiración aerobialogra convertir los seis átomos de carbono de la glucosa en !"-, $-" y energía,mientras que los metabolitos 0nales de la fermentación son compuestos de dos o trescarbonos.

Ruta de Embden-Meyerhof-arnas

)ediante la glucólisis, llamada también ruta de Embden4)eyerhof4&arnas, lasbacterias convierten la glucosa en piruvato. Las reacciones de esta ruta puedenocurrir tanto en condiciones aerobias como anaerobias, empezando con la activaciónde la glucosa para formar glucosa 54fosfato. Esta reacción, y la que convierte lafructosa 54fosfato en fructosa 6,54difosfato, consume 6 mol de 1& por mol de glucosa.

7urante la glucólisis, la energía se produce química y electroquímicamente.8uímicamente se genera !" a partir del 7&, empleando el grupo fosfato de altaenergía de uno de los metabolitos intermedios de la ruta. Estas fosforilaciones anivel de sustrato son catalizadas por enzimas cinasas y ocurren en dos puntos de laglucólisis9 en la conversión del :4fosfoglicerol4fosfato en :4fosfoglicerato y en laconversión del ácido -4fosfoenolpir/vico en piruvato. sí se producen cuatromoléculas de 1& por cada mol de glucosa, aunque descontando la inversión inicial dedos moléculas de 1&, se obtiene un rendimiento neto de dos moles de 1&.Electroquímicamente, la energía se produce al reducir el N!#$ a #7$, que puedeluego oidarse para generar 1&.

En condiciones anaeróbicas, las fosforilaciones a nivel de sustrato constituyenel principal medio para generar energía. )ediante la fermentación, el piruvato esconvertido en diversos metabolitos 0nales. Estas moléculas son utilizadas comoaceptores de electrones para reciclar el #7$ producido por la glucólisis' en #7;.En las levaduras, la fermentación convierte el piruvato en etanol y !"-. En lasbacterias, en cambio, la fermentación alcohólica es poco usual y el piruvato seconvierte en ácido láctico. "tras baterías utilizan rutas de fermentación máscomple2as para producir ácidos, alcoholes y gases.

%iclo del ácido tricarbo&ílico

En condiciones aeróbicas, el piruvato puede ser completamente oidado paraproducir agua y !"- a través del ciclo del ácido tricarboílico 1!'. El ciclo comienzacon la descarboilación oidativa del piruvato, que se convierte en acetil4!o y libera!"- y #7$. Los carbonos del piruvato entran al ciclo del 1! al condensarse con eloaloacetato para formar citrato, una molécula e seis carbonos. En una serie dereacciones oidativas, el citrato se convierte nuevamente en oaloacetato. &or cadamolécula de piruvato, el ciclo del 1! produce dos moles de !"-, tres de #7$, uno

de *7$- y uno de

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glucosa, mientras que el metabolismo aerobio puede generar hasta := moléculas de 1& por mol de glucosa.

 demás de producir energía a partir de la glucosa y otros carbohidratos, elciclo del 1! puede emplear los carbonos provenientes de los lípidos y los esqueletosde algunos aminoácidos desaminados. El ciclo del 1!, por tanto9

• Es el principal mecanismo productor de 1&• "ida completamente aminoácidos, lípidos y carbohidratos• &roporciona metabolitos clave para sintetizar aminoácidos, lípidos, purinas y

pirimidinas

En suma, el ciclo del 1! es un ciclo an'bólico, es decir, un ciclo quedesempe3a funciones catabólicas y anabólicas.

Ruta de las pentosas fosfato

La ruta de las pentosas fosfato proporciona precursores sintéticos y poderreductor en forma de N!#( para la síntesis de biomoléculas. En la primera mitad

de la ruta, la glucosa se convierte en ribulosa >4fosfato, un intermediario que puedetransformarse en ribosa >4fosfato un precursor de los nucleótidos' o en ilulosa >4fosfato. En las reacciones restantes, las transacetolasas y transaldolasas generandiversos tipos de az/cares, que pueden funcionar como precursores biosintéticos odesviarse a la glucólisis para producir energía.

)os genes bacterianos y su e&presión

El genoma bacteriano contiene genes estructurales cistrones o genescodi0cadores', genes del ?# y sitios de reconocimiento y unión para otras moléculaspromotores y operadores'. diferencia del cromosoma eucariótico, el cromosomabacteriano es haploide, motivo por el cual sus mutaciones producen mayores efectos.

La estructura del cromosoma bacteriano se mantiene por las poliaminas, como laespermina y la espermidina, más que por las histonas.

Las bacterias también pueden contener elementos genéticose&tracromosómicos, como plásmidos y bacteriófagos. Estos elementos sonindependientes del cromosoma bacteriano y casi siempre pueden transmitirse de unacélula a otra.

"ranscripción

La información almacenada en el 7# debe transcribirse en una molécula de !RN mensa*ero para ser traducida en proteínas. La síntesis del ?#m es realizadapor las !RN polimerasas dependientes de !#N.

La transcripción comienza cuando el factor + reconoce una secuenciaespecí0ca en el 7# el promotor ' y se une a ella. Esta unión promueve elacoplamiento de la ?# polimerasa. lgunas bacterias codi0can varios factores @para inducir la transcripción de genes especí0cos en condiciones especiales, comodurante el choque térmico, la inanición o la esporulación. 1ras la unión de lapolimerasa al 7#, el ?# se sintetiza mediante la adición secuencial deribonucleótidos complementarios. La ?# polimerasa se disocia del 7# cuando seha transcrito completamente un gen o un grupo de genes un operón'. La rifampicina,un antibiótico utilizado contra la tuberculosis, inhibe la ?# polimerasa. partir del

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 7# también se transcribe el !RN de transferencia, utilizado en la síntesis deproteínas, y el !RN ribosómico, que forma parte de los ribosomas.

Los promotores y los operadores controlan la epresión y transcripción degenes determinados. Los operones son grupos de genes epresados a partir de unpromotor concreto. &or tanto, todos los genes incluidos en el operón pueden regularsecoordinadamente. Los operones con muchos genes estructurales se denominanpolicistrónicos. El operón lac, por e2emplo, contiene todos los genes necesarios parael metabolismo de la lactosa y los mecanismos de control para detener en presenciade glucosa' o activar en presencia de galactosas' estos genes eclusivamente cuandose necesitan.

"raducción

La traducción convierte el código genético del ?#m en una proteína. Lasecuencia de aminoácidos de las proteínas está codi0cada en tripletes nucleotídicos,denominados codones. Los 5A codones que eisten codi0can los -B aminoácidos, trescodones de terminación y un codón de inicio. lgunos aminoácidos son codi0caos pormás de un codón. Este fenómeno, denominado degeneración del código genético,

puede proteger a la célula de los efectos de las mutaciones. !ada ?#t contiene unasecuencia complementaria a un codón especí0co. Este anticodón permite la unión del ?#t con el ?#m. En el etremo opuesto de cada ?#t se encuentra el aminoácidoque corresponde al par codón4anticodón en cuestión.

La síntesis proteica comienza con la 02ación de la subunidad ribosómica :B % yun ?#t iniciador al codón de inicio CB %. El ribosoma posee dos sitiosde unión para el ?#t, el sitio ! ,aminoacilo y el sitio ,peptidilo. El sitio & esocupado por el primer ?#t, en tanto que el sitio es ocupado por el ?#tcorrespondiente al segundo codón. Los aminoácidos de ambos ?#t forman un enlacepeptídico, quedando el sitio & ocupado por un ?#t sin aminoácido. Este ?#t nocargado se separa del ribosoma, que posteriormente avanza tres nucleótidos en lamolécula de ?#m. Esto trans0ere el dipéptido formado al sitio & y de2a libre el sitio  para que se una a él un nuevo ?#t cargado. sí comienza nuevamente el proceso,que contin/a hasta que el codón del sitio corresponde a uno de los codones determinación. !uando esto ocurre, la proteína se libera al citoplasma y el comple2o detraducción se desmonta o el ribosoma se desplaza hasta el siguiente codón de inicio.Dnicamente el ribosoma B %, el ribosoma bacteriano, puede desplazarse a lo largodel ?#m para formar una nueva proteína.

La actividad del ribosoma bacteriano constituye un blanco importante paramuchos agentes antimicrobianos. Los aminoglucósidos, como la estreptomicina y lagentamicina, y las tetraciclinas se unen a la subunidad ribosómica menor e inhiben atodo el ribosoma. Los antibióticos macrólidos, como la eritromicina, y laslincosamidas, como la clindamicina, act/an al unirse a la subunidad ribosómica mayor.

%ontrol de la e&presión génica

Las bacterias pueden adaptarse rápida y e0cientemente a los cambiosambientales gracias a su capacidad para coordinar y regular adecuadamente laepresión de sus genes. )uchos genes bacterianos se controlan a m/ltiples niveles ypor distintos métodos.

La epresión génica puede regularse usando factores + distintos para la ?#polimerasa o a través de activadores moleculares, como el )&c. demás, ciertos

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genes pueden activarse cuando las concentraciones de algunas moléculas producidaspor las bacterias indican que eiste un n/mero su0ciente de ellas mecanismodenominado censado por .uórum'.

&ara coordinar la epresión de un grupo de genes relacionados funcionalmente,estos se organizan en operones. !ada operón está ba2o el control de una secuencia de 7# promotora o represora, que puede activar o desactivar la epresión de todo eloperón. Los genes responsables de algunos mecanismos de virulencia se organizan enislotes de patogenicidad, que están ba2o el control de un solo promotor, lo quepermite su epresión eclusivamente en condiciones apropiadas para las bacterias.

La transcripción también puede regularse mediante el proceso de traducción.En los procariotas, los ribosomas pueden unirse al ?#m conforme este se transcribea partir del 7#. La posición y el desplazamiento de los ribosomas a lo largo del ?#m pueden modi0car la capacidad transcriptora de la polimerasa. Esto permitecontrolar la epresión génica tanto a nivel de la transcripción como de la traducción.

El inicio de la transcripción puede estar sometido a mecanismos de controlpositivo o negativo. Los genes sometidos a un control negativo se epresancontinuamente, a menos que una proteína represora los inactive. En cambio, losgenes sometidos a un control positivo se transcriben /nicamente en presencia deuna proteína denominada apoinductor .

Los operones pueden ser inducibles o reprimibles. La introducción de unsustrato inductor ' puede inducir la epresión de las enzimas necesarias para sumetabolismo. La acumulación de los productos 0nales correpresores' de una rutametabólica puede reprimirla al disminuir la síntesis de sus enzimas.

Replicación del !#N

La replicación del genoma bacteriano es desencadenada por una serie desucesos relacionados con el crecimiento de la célula. El proceso comienza en unasecuencia especí0ca, denominada OriC, y requiere la participación de una helicasa,una primasa y una o más polimerasas de !#N dependientes de !#N.

La síntesis del nuevo 7# es un proceso semiconservador  que ocurre en unahor.uilla de crecimiento y sigue un curso bidireccional. )ientras la cadena líderse sintetiza de forma continua, la cadena rezagada se sintetiza en forma defragmentos de "FazaFi, que posteriormente deben ser unidos por una ligasa de 7#.

&ara conservar un grado de precisión elevado, las polimerasas de 7# poseenfunciones correctoras de errores, que permiten con0rmar que se ha insertado elnucleótido correcto y corregir los errores que pudieran haberse cometido.

La replicación impone una enorme fuerza de torsión sobre el 7#, que escontrarrestada por la acción de las topoisomerasas , enzimas encargadas desuperenrollar el 7#. Las topoisomerasas son enzimas clave para las bacterias yconstituyen el blanco de los antibióticos del grupo de las quinolonas.

%recimiento bacteriano

El crecimiento de las bacterias eige la presencia de sustratos su0cientes parasintetizar todos los componentes celulares, principalmente de los nucleótidosdestinados a la síntesis del 7#. #o obstante, una vez iniciada, la síntesis del 7#debe concluir, aun si desaparecen del medio los nutrientes.

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La replicación cromosómica inicia en la membrana plasmáticaG cadacromosoma hi2o debe posteriormente anclarse a una porción diferente de la misma. Laformación de membrana, la síntesis de peptidoglucano y la división celular ocurrensimultáneamente. !onforme la membrana bacteriana crece, los cromosomas hi2os seseparan. La división celular puede identi0carse por la formación del tabique queseparará a las células hi2as.

El agotamiento de los metabolitos y la aparición de productos tóicosdesencadenan la producción de alarmonas químicas, sustancias que interrumpen losprocesos sintéticos, aunque los procesos de degradación contin/an. #o obstante, lasíntesis de 7# prosigue hasta completar la formación de todos los cromosomas, peseal per2uicio que ello pudiera acarrear a la célula. En algunas especias bacterianas,se3ales del tipo de las alarmonas inician un proceso de esporulación.

#inámica poblacional

!uando se a3aden bacterias a un medio de cultivo, estas deben adaptarse alnuevo ambiente antes de empezar a dividirse. Este intervalo se conoce como fase delatencia. 7urante la fase logarítmica o e&ponencial, las bacterias se dividen yduplican su población a intervalos regulares hasta alcanzar el máimo nivel posibleseg/n el medio y las condiciones imperantes. !uando los metabolitos del cultivo seagotan o aparece en él alguna sustancia tóica, las bacterias interrumpen sucrecimiento y entran a la fase estacionaria.

/enética bacteriana

Mutación y reparación

La conservación intacta del código genético es indispensable para lasupervivencia bacteriana, y aunque las bacterias poseen e0cientes sistemas de

reparación del 7#, las mutaciones genéticas son frecuentes. %i bien la mayoría deestas mutaciones resulta inocua o per2udicial, algunas brindan a las bacterias mayoresoportunidades de supervivencia.

Mutaciones y sus consecuencias

Cna mutación es cualquier cambio en la secuencia de bases del 7#. Cncambio de una sola base puede producir una transición, la sustitución de una purinapor otra purina o de una pirimidina por otra pirimidina, o una transversión, elcambio de una purina por una pirimidina o viceversa. Las mutaciones silenciosasson aquellas que no producen cambios en la secuencia aminoacídica de la proteínacodi0cada por el gen en cuestión. unque las mutaciones de sentido erróneo comportan la introducción de un aminoácido diferente en la proteína, si este nuevo

aminoácido posee propiedades seme2antes a las del original puede tratarse de unamutación conservadora. Cna mutación sin sentido es aquella en la que un codóncodi0cante es sustituido por un codón de interrupción, lo que provoca que la síntesisproteica 0nalice prematuramente. Las mutaciones condicionales, como lasmutaciones sensibles a la temperatura, pueden deberse a mutacionesconservadoras que modi0can la estructura o la función de una proteína importanteba2o ciertas condiciones.

Las mutaciones que afectan a m/ltiples bases producen efectos mayores. Lasdeleciones o inserciones que no ocurren en m/ltiplos de tres producen mutaciones

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de desfase de lectura, que alteran el marco de lectura y suelen producir péptidosabsurdos y detener prematuramente la síntesis proteica. Las mutaciones nulas, quedestruyen completamente la función de un gen, se deben a la inserción o deleción degrandes secuencias de 7#, o a la ecesiva reorganización de la estructuracromosómica.

)uchas mutaciones se producen espontáneamenteG otras, en cambio, sonproducto de agentes físicos o químicos. El calor, que produce desaminación, la luzultravioleta, que induce la formación de dímeros de pirimidina, y las radiacionesionizantes, que generan radicales hiperreactivos, son algunos de los agentes físicosmutagénicos. Las sustancias químicas que inducen mutaciones pueden agruparse entres clases9 análogos nucleotídicos, que producen apareamientos erróneos y erroresen la replicación del 7#, mutágenos de desfase de lectura, que se insertan entrelas bases del 7#, y sustancias .uímicas reactivas frente al !#N, que act/andirectamente sobre el 7# y modi0can su estructura química.

Mecanismos de reparación del !#N

Los mecanismos bacterianos de reparación del 7# pueden dividirse en cincogrupos9

• La reparación directa del !#N, que consiste en la corrección enzimática delda3o.

• La reparación por escisión, en la que se eliminan los segmentos da3ados y sesintetizan nuevamente.

• La reparación posreplicación, que consiste en la recuperación de lainformación faltante mediante recombinación genética.

• La respuesta 010, que induce numerosos genes o interrumpe la replicación.• La reparación propensa a error , que se utiliza como /ltimo recurso antes de

morir y rellena los huecos en el 7# con secuencias aleatorias cuando no sedispone de una plantilla de 7# para guiar la reparación.

2ntercambio génico en los procariotas

El intercambio de 7# entre células permite intercambiar genes ycaracterísticas que pueden originar nuevas cepas bacterianas. El 7# transferidopuede integrarse al cromosoma receptor o mantenerse como un elementoetracromosómico estable un plásmido' o como un virus bacteriano unbacteriófago' y transmitirse a las siguientes generaciones.

Los plásmidos son peque3os elementos genéticos que se replicanindependientemente del cromosoma bacteriano. La mayoría de los plásmidos sonmoléculas circulares, aunque eisten también plásmidos lineales, llamadosreplicones. Los episomas son plásmidos que pueden integrarse al cromosoma delorganismo an0trión.

La información contenida en los plásmidos puede proporcionar venta2asselectivas a las bacterias, como la resistencia a ciertos antibióticos o la capacidadpara producir bacteriocinas, toinas o determinantes de virulencia.

Los plásmidos de gran tama3o suelen ser capaces de mediar su propiatransferencia de una célula a otra mediante un proceso denominado con*ugación."tros plásmidos, en cambio, pueden ser transferidos mediante mecanismos distintos.

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Los bacteriófagos son virus bacterianos etracromosómicos que puedenproducir una infección lítica es decir, replicarse ecesivamente hasta provocar lalisis celular' o inducir un estado lisogénico o sea, integrarse al genoma del an0triónsin destruirlo'.

Los transposones son elementos genéticos móviles que pueden transferir 7# de una posición a otra dentro del genoma o entre distintas moléculas de 7#dentro de una misma célula. Los transposones más simples poseen /nicamente lainformación necesaria para su propia transferencia. Los transposones comple2os, encambio, contienen genes adicionales, como los que les brindan resistencia a losantibióticos. Los transposones pueden introducirse en los genes e inactivarlos,produciendo la muerte celular si el gen inactivado resulta esencial para lasupervivencia del organismo.

Mecanismos de transferencia genética entre células

El intercambio de material genético entre bacterias puede darse a través detres mecanismos9 con*ugación, transformación o transducción.

%on*ugación

La con*ugación, que consiste en un apareamiento o intercambio cuasiseualde información genética, ocurre en prácticamente todas las eubacterias. unquegeneralmente se da entre bacterias de una misma especia o de especies relacionadas,también ocurre entre procariotas y células vegetales, animales y micóticas.

La con2ugación produce una transferencia unidireccional de 7# desde unacélula donante o macho' hasta una célula receptora o hembra', a través del pilus se&ual. Las bacterias grampositivas que realizan una con2ugación ? que brindaresistencia a los antibióticos', como los estreptococos y los clostridios, se acercan pormedio de una molécula de adhesina, no a través de un pilus.

El tipo de acoplamiento el seo' de la célula depende de la presencia en lacélula macho' o la ausencia en la célula hembra' de un plásmido con*ugativo. Losplásmidos con2ugativos se de0nen así porque contienen todos los genes necesariospara su propia transferencia, como los que permiten fabricar pili.

El 7# transferido por con2ugación no es una molécula bicatenaria, sino unamolécula monocatenaria que sintetiza su cadena complementaria después de habersetransferido.

"ransformación

La transformación es el proceso mediante el cual las bacterias captanfragmentos de 7# desnudo y los incorporan a sus genomas. 1anto las bacteriasgrampositivas como las gramnegativas son capaces de captar y conservar 7#eógeno. Haemophilus infuenzae, Streptococcus pneumoniae y los géneros Bacillus y

 Neisseria son bacterias naturalmente competentes para captar 7# etra3o.

"ransducción

La transferencia genética por transducción está mediada por losbacteriófagos, que captan fragmentos de 7# y los almacenan para luegoincorporarlos al genoma bacteriano. La transducción puede clasi0carse como

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especiali3ada, si los fagos trans0eren genes especí0cos, o generali3ada, si lassecuencias transferidas son escogidas aleatoriamente.

Recombinación

La incorporación de 7# etra3o al cromosoma ocurre mediante un proceso

de recombinación, que puede ser homóloga y no homóloga. La recombinaciónhomóloga ,legítima ocurre entre secuencias de 7# estrechamente relacionadas,generalmente sustituyendo una por otra. La recombinación no homóloga ocurreentre secuencias distintas, produciendo inserciones o deleciones.

2ngeniería genética

La ingeniería genética, conocida también como tecnología del 7#recombinante, emplea técnicas y métodos desarrollados por genetistas para puri0car,ampliar, modi0car y epresar secuencias genéticas especí0cas. )ediante el uso de

 vectores de clonación y e&presión, y empleando diferentes enzimas, una secuenciade 7# puede introducirse en una bacteria receptiva para ser ampli0cada por ella.

La ingeniería genética también se ha utilizado para aislar y epresar distintosgenes con el propósito de obtener proteínas /tiles, como la insulina, a partir debacterias, levaduras o, incluso, células de insectos. La ingeniería genética tambiénpermite preparar grandes cantidades de un inmunógeno puro destinado a una vacunasin tener que emplear patógenos vivos.

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