7/21/2019 Microbiología

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TEMA 6. GENÉTICA MICROBIANA

Elementos Genéticos Bacterianos

El genoma bacteriano está compuesto:

• Cromosoma. Son las estructuras altamente organizadas, formadas

por ADN y proteínas, ue contiene la mayor parte de la informaci!n

gen"tica de un indi#iduo$ todo lo esencial para la bacteria está

codi%cado en este elemento. Suele &aber uno por bacteria.• 'lásmidos. son mol"culas de ADN e(tracromos!mico circular ue se

replican y transmiten independientes del ADN cromos!mico. Están

presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en

organismos eucariotas como las le#aduras. El n)mero de plásmidos

puede #ariar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia &asta

algunos cientos por c"lula. Se trata de genes ue codi%can proteínas

ue no son esenciales, de manera ue son prescindibles peroimportantes. Se replican de manera independiente y se pueden

generar #arias copias.• Elementos gen"ticos transponibles. es una secuencia de ADN de

doble cadena ue puede mo#erse de manera autosu%ciente de un

sitio a otro dentro de la misma mol"cula o entre mol"culas distintas

de la misma bacteria, un fen!meno conocido como transposici!n. En

este proceso, se pueden causar mutaciones y cambio en la cantidad

de ADN del genoma. Están insertados en uno de los dos anteriores,

de manera ue no se replican de forma independiente y pueden

generar #arias copias como los plásmidos, además, codi%can genesue no son esenciales.

Replicación del DNA semiconseratia

El DNA es una doble &"lice con bases complementarias apareadas$ la

adenina se aparea especí%camente con la timina y la guanina se aparea

especí%camente con la citosina. Si la doble &"lice del DNA se abre, puede

sintetizarse una nue#a cadena complementaria de cada una de las cadenas

parenterales. *a replicaci!n es semiconser#ati#a, es decir, cada una de las

dos dobles &"lices resultantes contiene una cadena parenteral y otra de

nue#a síntesis$ cada nue#a molecula tiene una de las &ebras de la original y

una nue#a complementaria.

*a mol"cula de DNA ue es copiada para formar una complementaria se

denomina molde, es decir, un modelo preformado ue puede copiarse. *a

nue#a mol"cula de DNA no está co#alentemente conectada con la #ie+a

mol"cula de DNA.

El precursor de cada nucle!tido en la cadena es un nucle!tido - tri

fosfato, del cual se eliminan los dos fosfatos terminales y el fosfato interno

se une co#alentemente a la ribosa de la cadena naciente. *a adicion delnucle!tido a la cadena naciente reuiere la presencia de un grupo &idr!(ido

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libre, el cual se encuentra e(clusi#amente en el e(tremo /- de la molecula:

la replicaci!n del DNA siempre ocurre desde el e(tremo - al &idro(ilo del

e(tremo /-, uni"ndose el fosfato - de cada nucle!tido nue#o ue se

incorpora al &idro(ilo /- del nucle!tido a0adido pre#iamente.

*as enzimas ue catalizan la adicion de los nucle!tidos se denominan DNApolimerasas, ue sintetizan el DNA en la direcci!n - 1 /-. 'ara comenzar

una nue#a cadena debe e(istir un iniciador, un lugar al ue la DNA

polimerasa pueda a0adir el primer nucle!tido. En la mayoría de los casos, es

un fragmento corto de 2NA.

Cuando la doble &"lice se abre al comienzo de la replicaci!n, primero actua

una enzima ue polimeriza 2NA, lo ue da como resultado la síntesis de

este 2NA iniciador. 3na enzima especí%ca ue polimeriza 2NA, llamada

primasa, participa en la síntesis del iniciador, sintetizando un corto

fragmento de 2NA. En el e(tremo creciente de este 2NA iniciador, e(iste un

grupo /- 45 al cual la DNA polimerasa a0ade el primer

deso(irribonucle!tido. 'or tanto, la subsecuente elongaci!n de la mol"cula

se produce como DNA y no como 2NA. De esta manera, la nue#a mol"cula

sintetizada tiene la siguiente estructura:

En este proceso inter#iene #arias enzimas:

• 5elicasa. Se encarga de separar las dos &ebras rompiendo los enlaces

ue las mantiene unidas.• 2NA primasa. Se encarga de sintetizar una secuencia de 2NA ue es

complementaria a la &ebra molde. Es el iniciador del proceso.• DNA polimerasa 666. A partir de la secuencia corta ue se conoce

inicialmente, esta enzima #a a0adiendo los nucle!tidos restantes de

manera ue se obtiene toda la secuencia$ realiza el proceso de

replicaci!n sintetizando el DNA.

!or"#illa de replicación

el origen de replicaci!n consiste en una secuencia especi%ca de /77 pares

de bases ue es reconocida por proteínas especí%cas de la iniciaci!n. En el

origen de replicaci!n, la doble &"lice del DNA se abre y la iniciaci!n de la

replicaci!n se produce en las dos cadenas. A medida ue la replicaci!n

procede, el sitio de replicaci!n, denominado &oruilla de replicaci!n, parece

mo#erse a lo largo del DNA.

*a replicaci!n es frecuentemente bidireccional desde el origen de

replicaci!n y, por tanto, e(isten dos &oruillas de replicaci!n replicando en

direcciones opuestas. En el DNA circular, la replicaci!n bidireccional

conduce a la formaci!n de estructuras características denominadas

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estructuras t&eta 8la formaci!n de intermediarios replicati#os recuerdan a la

letra griega9.

Cromosoma E. coli

El cromosoma de E. coli es una mol"cula de DNA circular y e(iste un )nico

sitio en "l, en el ue se inicia la síntesis de DNA 8origen de replicaci!n9.

E(isten dos formas de situar el gen:

• ilopares de bases

• ;inutos

$l%smidos

5ay #arios y pueden aparecer en

#arios n)meros de copias:

• ;onocopia• <a+o numero de copias

• Alto numero de copias

Elementos &enéticos transponi'les

E(isten dos tipos:

• Secuencias de inserci!n 86S9. Se trata de una corta cadena de DNA

ue contiene solo los genes ue codi%can las enzimas necesariaspara su trasposici!n y ue está limitada a ambos lados por

secuencias id"nticas o muy similares de nucle!tidos ue presentan

una orientaci!n inad#ertida y ue se conocen como secuencias

in#ersamente repetidas, las cuales #arían seg)n el elemento 6S. Entre

estas secuencias se encuentra un gen ue codi%ca una enzima

denominada transposasa, necesaria para la transposici!n y ue es

capaz de reconocer con precisi!n los e(tremos del elemento 6S.

•  =ransposones 8=n9. Contienen otros genes además de los necesarios

para la transposici!n, por e+emplo, genes ue codi%can la resistenciaa los antibi!ticos o ue codi%can to(inas. Se componen de una regi!n

central ue contiene los genes e(tra, >anueados a ambos lados por

elementos de secuencia id"ntica o muy similar. Están limitados por

secuencias cortas in#ersamente repetidas y la regi!n codi%cadora

contiene tanto los genes de transposici!n como genes e(tra.

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3na característica ue tienen en com)n es ue en el lugar en el ue

se #an a insertar dentro del genoma, producen una duplicaci!n del

DNA del genoma en el ue se insertan.

;utag"nesis por transpos!n. El

transpos!n se traslada &asta la

mitad del gen ?, el cual ueda

inacti#ado. El gen A del transpos!n

se e(presará en ambas

localizaciones.

 =ransposici!n. *a inserci!n

de un elemento transponible

genera una duplicaci!n de

la secuencia diana.

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E(isten dos tipos de transposici!n seg)n su mecanismo:

• Conser#ati#a: el transpos!n sale del sitio original en el ue se integr!

y se dirige a otro sitio denominado receptor, desapareciendo del sitio

original.• 2eplicati#a: antes de mo#erse del sitio original al sitio receptor, lle#a

acabo una replicaci!n de manera ue se encuentra en ambos sitios.

Intercam'io Genético De Bacterias

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•  =ransformaci!n. *a bacteria o la c"lula puede captar el DNA del medio

e(terior e integrarlo dentro de "l.• Con+ugaci!n. 6nter#ienen dos bacterias, una es la donadora de genes

y otra es la receptora de genes, además e(iste un contacto estrec&o

entre ambas.•  =ransducci!n. 3na primera bacteria cede genes a una segunda pero

no se reuiere contacto estrec&o. E(iste un intermediario ue es un

#irus.

Trans(ormación

El e(perimento de @rit& fue uno de los primeros e(perimentos ue

demostr! ue las bacterias eran capaces de transferir informaci!n gen"tica

mediante un proceso llamado transformaci!n. Se in#estigaban #arias cepas

de neumococo 8Streptococcus pneumoniae9 y se inyectaron en ratones

la cepa S y la cepa 2 de la bacteria.

*a cepa lisa 8S9 era da0ina, mientras ue la rugosa 829 no lo era. *a cepa S

se cubre a si misma con una cápsula de polisacárido ue la protege

del sistema inmune del ser ue &a sido infectado, resultando la muerte de

este, mientras ue la cepa 2 no contiene esa cápsula protectora.

Cuando se inyecta la cepa S #i#a, se produce la muerte del rat!n. Sin

embargo, cuando se inyecta la cepa S inacti#ada por calor, no &ay secuelas

y el rat!n #i#e. De la misma manera, al inyectar la cepa 2, el rat!n sigue

#i#iendo. Sorprendentemente, al combinar cepa 2 8no letal9, con cepa S

inacti#ada por calor 8no letal9, el rat!n muri!. *o ue ocurre es ue al

inacti#ar por calor la cepa S, se eliminaron los lípidos, proteínas y

polisacáridos pero el estreptococo a)n conser#! su capacidad de replicar su

ADN, de manera ue la celula muerta se &a lisado y el ADN de las cepas S

entraron en las cepas 2.

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*a transformaci!n es un proceso ue implica DNA donador en estado libre

en el ambiente. El DNA libre se incorpora a una c"lula receptora y lle#a a

cabo un cambio gen"tico. Este proceso puede lle#arse a cabo de manera

natural o arti%cial.

;ecanismo de transferencia del DNA por transformaci!n en una bacteria

@ram positi#a:

a. Bi+aci!n del DNA por una proteína de uni!n del DNA ligada a la membrana

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b. 'aso de una de las dos cadenas a la c"lula mientras la acti#idad nucleasa

degrada la otra cadenac. la cadena sencilla dentro de la c"lula se une a proteínas especí%cas, y

tiene lugar la recombinaci!n con regiones &om!logas del cromosoma

bacteriano mediada por la proteína 2ecA

d. C"lula transformada

3na celula ue es capaza de tomar una molecula de DNA y ser

transformada se dice ue es competente. *as proteínas especi%cas de la

competencia incluyen una proteína de membrana de uni!n del DNA, una

autolisina de la pared celular y #arias nucleasas. *as c"lulas producen y

e(cretan un peue0o p"ptido durante el crecimiento y llegan a ser

competentes a altas concentraciones de ese p"ptido, a tra#"s de la acci!n

de una uinasa sensora 8Com'9 y de un regulador de respuesta 8ComA9.

Es posible inducir arti%cialmente la competencia. 3n m"todo es tratar labacteria a altas concentraciones de iones calcio y luego mantenerse en frío,

de esta forma se con#ierte en transformable con ba+a e%cacia. De esta

manera, la bacteria toma dNA bicatenario y así la transformaci!n por DNA

plasmídico es relati#amente e%ciente. Este m"todo esta siendo suplantado

por electroporaci!n, una t"cnica en la ue las c"lulas se e(ponene a campos

el"ctricos pulsados para abrir peue0os poros en sus membranas. Cuando

e(isten mol"culas de DNA fuera de las c"lulas durante un pulso el"ctrico,

pueden entrar en las c"lulas a tra#"s de los poros. Este m"todo permite

tanto la entrada como la salida en la celula de peue0as mol"culas de DNA.

Con)#&ación

*a transferencia implica un contacto c"lula c"lula y la presencia de un

plásmido con+ugati#o en la c"lula donadora. Es una funci!n codi%cada por

algunos plásmidos. Es un proceso replicati#o y ambas c"lulas terminan con

copias del plásmido.

 =ransferencia del plásmido de c"lula a c"lula durante la con+ugaci!n.

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Transd#cción

*a transferencia del DNA donador está mediada por un #irus. El DNA se

trans%ere de una c"lula a otra mediante un #irus.

*a transferencia gen"tica de genes puede ocurrir de dos maneras:

•  =ransducci!n generalizada. El DNA del &u"sped, ue puede proceder

de cualuier parte del genoma, pasa a formar parte del DNA de la

partícula madura del #irus en lugar del genoma del #irus. Cualuier

gen de la bacteria original puede ser transferida a otra.

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•  =ransducci!n especializada. 4curre solo en algunos #irus

atemperados$ el DNA de una regi!n especí%ca del cromosoma

bacteriano se integra directamente en el genoma del #irus,

generalmente reemplazando algunos de los genes del #irus. Solo

determinados genes pasan a una segunda bacteria.

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