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Lección 5.- El citoplasma de las bacterias. La membrana citoplasmática de las bacterias. Antibióticos que actúan sobre la membrana citoplasmática. El ribosoma 70S. La síntesis de las proteínas en las bacterias. Antibióticos que actúan en la síntesis proteica. El nucleoide de las bacterias. Estructura y replicación del DNA. Antibióticos que actúan sobre la biosíntesis de pirimidinas. Antibióticos que actúan sobre la replicación/transcripción del DNA.
Esta es una lección básicamente descriptiva y pretende completar el conocimiento de los aspectos más sobresalientes de la estructura de las bacterias. Los objetivos fundamentales podrían resumirse así:
- Pretendemos describir brevemente las particularidades de la membrana de las bacterias
- Hacer mención de los antibióticos que actúan sobre la membrana bacteriana así como de su utilidad en odontología
- Describir el ribosoma 70 S, las diferencias con el 80S y sus principales componentes. Descripción breve de la síntesis proteica en las bacterias.
- Describir brevemente el mecanismo de acción de los antibióticos que actúan a nivel del ribosoma.
- Describir las propiedades del nucleoide de las bacterias, algunas particularidades de la duplicación del genoma bacteriano y los antibióticos que actúan en la síntesis de nucleótidos y en la duplicación del genoma
En contacto directo con el citoplasma encontraremos la membrana citoplasmática. Esta es una membrana que en principio no tiene muchas diferencias con respecto a la membrana de cualquier ser vivo. Es decir se trata de una bicapa lipídica. Entre las membranas de las bacterias y las de los demás seres vivos se dan únicamentre dos diferencias dignas de mención que son la ausencia de esteroles y la mayor cantidad de proteínas que contienen las membranas bacterianas.
Es decir se trata de una bicapa lipídica con proteínas. La mayor concentración de proteínas tiene fácil explicación: en una célula eucariota las distintas funciones residen en orgánulos distintos /mitocondrias, aparato de Golgi, Retículo endocitoplasmático, etc.) En general las funciones tienen lugar sobre el soporte físico de una membrana, por lo tanto los equipos enzimáticos encargados de los distintos procesos residen en cada una de las membranas de cada uno de los orgánulos. En las bacterias sólo esta presente la membrana citoplasmática y por tanto todas esas funciones se desarrollan sobre el soporte de dicha membrana. En otras palabras TODOS los enzimas encargados de funciones que deben tener lugar en membranas aquí se encuentran en la membrana plasmática. Ello hace que podamos afirmar que en peso el 70% de la membrana son proteínas. Lo que hemos dicho para la membrana es válido para el resto de membranas de bacterias. Se dan sin embargo algunas excepciones como es el caso de los micoplasmas que son bacterias cuya membrana contiene esteroles. Esta circunstancia viene determinada por el hecho de que los micoplasmas no tienen pared celular. Sin pared una membrana no es estable a no ser que contenga colesterol o moléculas relacionadas. De este modo nos encontramos que los micoplasmas, que son evolutivamente muy relacionados con las bacterias grampositivas tienen una membrana que se parece mucho a la de los animales pero con más cantidad de proteínas.
El resto de las bacterias contienen otras moléculas que juegan un papel similar a los esteroles de las membranas eucariotas, entre ellos los hopanoides. Los hopanoides son son compuestos pentacíclicos similares a los esteroles, cuya función principal es conferir propiedades de resistencia y equilibrio rigidez/planticidad a la membrana plasmática en los procariotas. Aunque las moléculas hopanoides, fueron descubiertos como fósiles moleculares conservados en pizarras de hace 2.700 de millones de años, en Australia. El bioquímico catalán Juan Oró fue uno de los científicos destacados en el estudio de los hopanoides.
En términos generales desde el punto de vista funcional debe considerarse que la membrana de las bacterias es una barrera selectiva de permeabilidad entre el interior y el exterior de la célula en mucho mayor medida que lo es la membrana de las células eucariotas. Las moléculas grandes no pueden atravesar esa membrana: los mayores serian el DNA fragmentado (DNA transformante) y proteínas de bajo peso molecular como enzimas de secreción. Por otra parte los conocidos fenómenos de exocitosis y endocitosis , tan característicos de los sistemas eucariotas están totalmente ausentes de los procariotas. Incluso las bacterias que carecen de pared como los micoplasmas y cuyas membranas se asemejan bastante a las de los eucariotas carecen de estos procesos. El resultado de esta deficiencia es la falta de propiedades ligadas a la capacidad de endocitosis como son la digestión intracelular o la capacidad de tener endosimbiontes.
En los procariotas en muchas ocasiones la membrana plasmática juega un papel central en el metabolismo energético, papel que nunca desarrolla en la célula eucariota. Por ejemplo en las bacterias que respiran, las cadenas de transporte electrónico están situadas en la membrana citoplasmática mientras que en las células eucariotas están en las membranas de las mitocondrias.
Hay también evidencias abundantes que sugieren que la membrana posee ciertos lugares de fijación del DNA cromosómico de la bacteria de modo que participa de modo significativo en la segregación de las copias generadas en el proceso de replicación, si bien desde el punto de vista físico quedan aún muchos interrogantes acerca de la participación de la membrana en este proceso. Obviamente esta es una función que nunca juega la membrana plasmática de las células eucariotas en las cuales la segregación de los cromosomas hijos esta ligada a la mitosis.
Aunque ya lo hemos comentado insistir nuevamente en la ausencia de esteroles y, particularmente de colesterol con la excepción de Mycoplasma , aunque los esteroles de la membrana de esta bacteria son exógenos, los capta del exterior. La síntesis de esteroles está totalmente ausente en el reino procariota.
Finalmente cabe señalar que en lo que se refiere a los ácidos grasos de la membrana, los procariotas (excepto algunas bacterias fotosintéticas) poseen ácidos grasos saturados o monoinsaturados (ninguno o un doble enlace) , mientras que en los eucariotas son mucho más frecuentes los poliinsaturados (que tienen más de un doble enlace)
Las proteínas de la membrana de las bacterias son muy abundantes y, como se desprende de lo dicho anteriormente, si la membrana de las bacterias es la sede de la
La necesidad en microorganismos de un transporte mediado por un portador puede entenderse fácilmente. Si la difusión fuese el único mecanismo de transporte existente, las células no serían capaces de alcanzar las concentraciones de solutos necesarias. En la difusión, tanto el ritmo de paso como la concentración interna alcanzada, son proporcionales a la concentración del soluto en el exterior. Los mecanismos de transporte activo permiten a las células acumular solutos en contra de la concentración de gradiente. Como se aprecia en gráfica, en el transporte mediado por portadores se observa un efecto de saturación: si la concentración de sustrato en el medio es lo suficientemente alta como para saturar el portador, hecho que sucede frecuentemente incluso a bajas concentraciones de sustrato, el ritmo de entrada (y frecuentemente también los niveles de soluto alcanzados en el interior) se hacen máximos.
Una característica de los procesos de transporte mediados por portadores es la alta especificidad del transporte. La unión y el transporte de un sustrato a través de la membrana recuerdan una reacción enzimática. Algunas proteínas portadoras únicamente son capaces de reaccionar con un solo tipo de molécula, pero otras reaccionan con aquellas moléculas que pertenecen a la misma clase. Por ejemplo, algunos portadores son capaces de transportar ciertos aminoácidos en los que existe una relación estructural, mientras que otros transportan distintos azúcares que poseen características comunes. Esta capacidad de transporte múltiple permite incrementar la economía celular, al no requerirse distintos transportadores para cada aminoácido o azúcar que necesite la célula.
Como en cualquier sistema de bombeo, el transporte activo requiere la realización de un trabajo. En bacterias la energía necesaria para este transporte se obtiene a partir del ATP en el caso de algunos trasportadores, mientras que en la mayoría de los casos se lleva a cabo mediante la separación de iones de hidrógeno que genera un gradiente de protones a través de la membrana, que se denomina FUERZA PROTÓN-MOTRIZ. La energía generada a partir de la rotura de compuestos orgánicos o inorgánicos o la obtenida a partir de la luz, se utiliza para lograr la separación de protones a través de la membrana, situándose la mayor concentración de protones en el exterior y la menor en el interior. La consecuencia de este proceso es que la membrana se carga de energía. El potencial electroquímico de la fuerza motriz de protones permite la entrada de nutrientes mediante transporte activo. Los transportadores implicados en estos procesos poseen sitios específicos de unión tanto para el sustrato (por ejemplo glucosa o potasio) corno para un protón (o protones). A medida que se va transportando el sustrato, va disminuyendo progresivamente el gradiente de protones. La fuerza motriz de protones es el nexo
energético entre los transportadores de membrana y la maquinaria metabólica, haciendo posible la entrada de nutrientes. Cationes como el K+, pueden ser transportados activamente al citoplasma por uniportador como consecuencia de la fuerza motriz de protones, dado que el interior de la célula se encuentra cargado negativamente cuando la membrana establece el gradiente de protones. La entrada de aniones tiene lugar a la par que la captación de protones por los simportadores, por lo que de hecho es el ácido sin disociar el que entra. Cuando en el interior de la célula existe exceso de sodio (Na+) éste se puede bombear al exterior mediante un antiportador sodio-protón, que permite el mantenimiento de la carga eléctrica neta a través de la membrana. El transporte de sustancias carentes de carga como los azúcares y los aminoácidos puede acoplarse también a diferencias en el potencial de membrana: el simportador transporta tanto el sustrato como uno o más protones. Las bombas de protones asociadas al transporte de membrana son componentes críticos de las membranas de procariotas, y están presentes igualmente en las membranas de mitocondrias y cloroplastos.
Las sustancias que se captan mediante transporte activo no asociado a un gradiente de protones requieren gasto de energía en forma de ATP para llevar a cabo el transporte. Por ejemplo en Escherichia coli , la lactosa se transporta gracias a la fuerza motriz de protones, mientras que el transporte de un disacárido relacionado como la maltosa se realiza a expensas del consumo de ATP.
Se conocen dos tipos de transporte asociados al consumo de energía. La translocación de grupo es un proceso en el que se transporta una sustancia a la vez que se la modifica químicamente, generalmente mediante fosforilación. En los procesos de transporte activo, la sustancia transportada puede acumularse en altas concentraciones en el interior de la célula, sin sufrir ninguna modificación química. Él transporte activo requiere energía que se obtiene bien a partir del ATP o de gradientes iónicos.
Translocación de grupo. Se denomina translocación de grupo al proceso en el que se modifica químicamente al compuesto que se transporta en su trasiego a través de la membrana. Dado que el producto que se encuentra en el interior de la célula es diferente
Ya en el interior del citoplasma las estructuras que mejor se reconocen son los ribosomas. Los ribosomas son los lugares de la síntesis proteica. La síntesis proteica tiene lugar con la participación, en primer lugar de todos los productos de la transcripción, es decir los RNA El RNA ribosómico es un componente de los ribosomas.
En cierto modo podría afirmarse que el ribosoma de los procariotas es el único orgánulo propiamente, además el ribosoma procariota es un a excelente Diana para ciertos antibióticos y por otra parte los ribosomas tienen el gobierno de la expresión de todos los genes son por lo tanto de interés fundamental.
La forma funcional de los ribosomas de los procariotas es la que denominamos ribosoma 70 S por que su coeficiente de sedimentación (que en realidad es una velocidad) es de 70 unidades.
El ribosoma puede disociarse en sus dos componentes 50 S y 30 S (Observa que 50 + 30 son 80 y no 70, puede ser una pregunta tendenciosa. Los coeficientes S son eso, coeficientes y por lo tanto no magnitudes y por lo tanto no se pueden sumar ni restar ni etc, esto solo si te preguntaran!) Esta disociación es reversible ya que se obtiene por métodos físicos. La subunidad 30 S está formada por 1 molécula de cada una de las 21 proteínas distintas. Los pesos moleculares de estas proteínas están comprendidos entre 10,000 y 40,000 dalton. Además una única molécula de RNA ribosómico 16S.
La subunidad grande o 50S está formada por dos moléculas de RNA una de ellas de tamaño considerable 23 S y una de tamaño ciertamente pequeño 5 S. Estas tres moléculas 5, 16(en la pequeña) y 23 S son las tres clases de RNA ribosómico.
Además la subunidad grande contiene 1 molécula de cada una de las 35 proteínas que lo forman.
Es de destacar que el ribosoma tiene una única copia de cada molécula constituyente.
Los RNA a los que hemos hecho referencia son en general moléculas altamente conservadas. Ello tiene gran sentido, puesto que una mutación que afecte a la funcionalidad de estas moléculas tendría como consecuencia una alteración en la expresión de Todos los genes puesto que la traducción tiene lugar en el ribosoma. Por ello se ha utilizado la comparación de secuencias de estas moléculas como un reloj biológico y en concreto la secuenciación del RNA 16S constituyó la primera base de la clasificación basada en criterios filogenéticos obtenidos a partir de datos de naturaleza molecular.
La síntesis de las proteínas tiene lugar en los ribosomas. Las etapas de la síntesis proteica en los procariotas no son substancialmente distintas de las de los eucariotas aunque se dan algunas diferencias. Son precisamente estas diferencias lo que permite que ciertas moléculas con capacidad para inhibir la síntesis proteica en el ribosoma 70 S sean totalmente inocuas para la síntesis proteica en el ribosoma 80 S ¿es decir el ribosoma citoplasmático de los eucariotas. Esta toxicidad selectiva hace posible la existencia de una serie de antibióticos cuyo mecanismo de acción sea justamente la síntesis proteica.
Las fases principales de la síntesis proteica son: ´
- Activación del aminoácido ( es decir formación del aminoacil-tRNA, por efecto de las aminoacil tRNA sintetasas)
- Iniciación de la transcripción: La subunidad 30 S se combina en un lugar concreto del RNAm para formar el denominado complejo de iniciación.
- Polimerización : se van añadiendo aminoácidos a la cadena en crecimiento en varias fases - Reconocimiento - Transferencias del péptido - Translocación - Terminación de la cadena
El segundo de los grupos también muy conocido es el de los Macrólidos que incluye Eritromicina, espiramicina, Metimicina y otros.
- Grupo de la estreptogramina A
- Grupo de la Lincomicina
- Grupo de la estreptogramina B
- Grupo de las oxazolidinionas
La estructura restante que se distingue en el citoplasma de las bacterias es el material genético. Como ya se comentó en su momento no existe una barrera bien definida entre el material genético y el resto del citosol en las bacterias. Sin embargo en las imágenes al microscopio electrónico de transmisión y en cortes ultrafinos la zona central del soma bacteriano se aprecia de color claro, es decir muy poco densa a los electrones. Esta zona poco densa a los electrones es justamente la que esta ocupada por el material genético. El genoma bacteriano, con algunas excepciones ( Brucella tiene dos cromosomas por ejemplo, no hace falta decirlo porque invitas a hablar de ello pero conviene saberlo por si te preguntan) esta formado por una única molécula de DNA circular cerrado. A esta molécula se le denomina normalmente cromosoma bacteriano aunque en realidad no es un cromosoma en el sentido en que se aplica el término a la célula eucariota dado que se trata de DNA pero no incorpora el resto de los componentes de la cromatina (No tiene histonas, por ejemplo). En lo que podríamos denominar una bacteria standard el cromosoma bacteriano integra aproximadamente 4, 000 genes aunque el tamaño de genoma es muy variable. Una molécula con esta capacidad de codificación tiene una longitud aproximada de 1 mm lo cual es más de 1000 veces la longitud de la célula. Imaginemos que tuviéramos que introducir en una caja de 1 cm. Una cuerda circular y cerrada de 1000 cm es decir 10 metros. Es obvio que se debería empaquetar de forma muy considerable. Ahora pensemos en que la cuerda es doble (las dos hebras del DNA) y que cada media hora ambas cuerdas deben separarse (para permitir la duplicación) y re-asociarse para introducir cada vez la doble hebra de 10 m en la cajita de 1 cm de largo. Aunque esta sugerencia es poco académica nos puede dar una cierta idea del grado de empaquetamiento necesario así como de la necesidad y precisión de los sistemas enzimáticos implicados en la replicación (topoisomerasas, girasas y DNA polimerasas)
Hemos dicho anteriormente que las bacterias carecen de las histonas. Sin embargo una de las funciones de las histonas es la compensación de cargas eléctricas del propio DNA. Esta función (imprescindible) la realizan en las bacterias moléculas con gran número de grupos amino (las poliaminas) como la espermidina y la espermina.
Finalmente hay que hacer una mención especial a que las bacterias son generalmente haploides. Incluso si hay más de un cromosoma son haploides. Sin embargo los mecanismos de intercambio genético generan en ocasiones organismos diploides parciales es decir que para una parte de su genoma son diploides,
La mayoría de las bacterias contienen moléculas de DNA autónomas con respecto al cromosoma que se conocen con el nombre de plásmidos. En general los plásmidos se caracterizan por codificar funciones que no son fundamentales para la bacteria, aunque pueden conferirle propiedades que amplíen considerablemente su capacidad de adaptación o de colonización de ciertos habitats específicos. Entre las funciones frecuentemente codificadas en plásmidos cabe mencionar la resistencia a los antibióticos o la capacidad para degradar productos recalcitrantes. Los plásmidos tienen la capacidad de replicarse de modo autónomo, es decir tienen su propio origen de replicación.- De modo que a cada célula hija va una copia del plásmido, pero además los plásmidos se pueden extender en las poblaciones naturales por procedimientos horizontales lo cual quiere decir que las funciones codificadas por las plásmidos tienen una gran capacidad de extensión en las poblaciones microbianas.
La replicación Ocurre en tres etapas: 1ª etapa: desenrrollamiento y apertura de la doble hélice.en el punto ori. En el punto de origen u ORI, que es un lugar del cromosoma con gran contenido de A y T, la doble hélice se abre, mediante la DNA helicasa y las proteínas desestabilizadoras de la hélice o proteínas de unión a DNA de una sola cadena, La DNA polimerasa sintetiza las cadenas complementarias a cada una de las cadenas primitivas. Forma dos copias activas de ADN, una es continua, o sea, basta con agregar los nucleótidos correspondientes porque la hebra antigua tiene 3', por lo que se crea una 5´. En la otra hebra, se produce un proceso discontinuo, se va sintetizando la cadena discontinua formando pequeños fragmentos, denominados Fragmentos de Okazaki, cada uno de unos 1000 nucleótidos. El DNA sintetizado, y su cadena patrón sufren un plegamiento, de tal forma que la DNA polimerasa de la cadena conductora se unen para formar un complejo único, de modo que las proteínas de replicación puedan utilizarse
- Vesiculas de fotosintéticas
- Carboxisomas
- Poli-ß-hidroxibutirato
- Azufre
- Granulos de volutina
- Formaciones membranosas de Nitrosomonas
- etc.
