Capítulos 27: Bacterias y Archaea

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Capítulos 27:

Bacterias y Archaea

Dr. Fernando J. Bird-Picó Departamento de Biología Recinto Universitario de Mayagüez

Primeros organismos

• Dos dominios: Archaea y Bacteria

• No poseen organelos celulares con membrana tales como el núcleo, cloroplastos, mitocondrios, plastidios, etc.

• Los más numerosos (5,000 especies conocidas (se estiman 4 millones especies)

• Diversidad genética entre éstos es inmensa • Microscópicos

• En un puñado de tierra puede haber 10,000 especies [diferentes] de procariotas

• Ubicuos: Se encuentran en todos lados

• Microbiología: la mayoría entre 0.5 – 5 µm (células eucariotas entre 10 -100 µm)

Formas morfológicas

bacterianas comunes:

• Cocos (sencillos, racimos, rosarios)

• Bacilos (alargados, bastones)

• Espirales

– Espirilo (hélice rígida)

– Espiroqueta (hélice flexible)

• Vibrios (en forma de coma)

Figure 27.2

(a) Cocos (b) Bacilos (c) Espirales

3 µ m 1 µ m 1 µ m

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Micrococcus

bacteria tipo

coco

Salmonella

bacteria tipo

bacilo

Spiroplasma

bacteria tipo

espiral

Microscopía

de barrido

electrónico

mostrando

bacterias en

la cabeza de

un alfiler

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Pared celular

Función: mantener forma de la

célula, protección, y evitar que

exploten en ambientes hipotónicos

Bacteria – pared de peptidoglicano

Archaea – pared de polisacáridos y

proteínas pero no peptidoglicano

Paredes celulares en eubacteria: – Gram-positiva

• Peptidoglicano muy grueso

– Gram-negativa

• Peptidoglicano muy delgado • Poseen membrana externa

• Incluye las bacterias más patogénicas- membrana externa tóxica y

protege contra defensas del huésped

• Más resistentes a antibióticos: membrana externa no permite

entrada de éstos

Muchos antibióticos atacan peptidoglicano y dañan paredes celulares de bacterias

Cápsula

• De polisacárido o proteína; es “pegajosa” - adhesión • Rodeando y envolviendo la pared celular

• Hace la bacteria más resistente a defensas del cuerpo

Figure 27.4 Bacterial cell wall Bacterial capsule Tonsil cell 200 nm Figure 27.3

(a) Gram-positive bacteria Gram-negative

bacteria (b) Cell wall Peptido-glycan layer Plasma membrane Carbohydrate portion of lipopolysaccharide

Crystal violet is easily rinsed away, revealing the red safranin dye.

Peptidoglycan traps crystal violet, which masks the safranin dye.

Gram-positive bacteria Gram-negative bacteria Cell wall Outer membrane Peptido-glycan layer Plasma membrane 10 µm

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Figure 27.5 Gram-positive and gram-negative bacteria

• Fimbrias:

– Estructuras proteicas que se extienden desde la célula

– Ayudan a las bacterias a adherirse a las superficies (“fimbrias” o “attachment pili”)

• Pilos

– Hay pilos sexuales (más largos de que fimbrias): permiten intercambio de DNA entre procariotas)

• Flagelo

– Produce movimiento rotativo

– Compuesto de cuerpo basal, gancho, y filamento

Fimbrias y Pilos en bacteria tipo

bacilo

Figure 27.7 20 nm Filament Hook Motor Cell wall Plasma membrane Rod Peptidoglycan layer Flagellum

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Organización Interna (subcelular)

Células procariotas carecen de una

compartimentalización compleja

Algunos procariotas poseen membranas

especializadas que llevan a cabo funciones

metabólicas (mesosomas)

Figure 27.8 0.2 µm 1 µm Respiratory membrane Thylakoid membranes (a) Aerobic prokaryote (b) Photosynthetic prokaryote

• Material genético bacteriano

– Molécula de DNA Circular en región

nucleoide

– Plásmidos

• Reproducción asexual

– Fisión binaria

– Gemación (“budding” o yemas)

– Fragmentación

Plásmidos R y Resistencia

Antibiótica

plásmidos R tienen genes para resistencia a antibióticos

• Tomar antibióticos hace que se seleccionen las bacterias con genes que son resistentes a antibióticos

• Cada vez es mas común las cepas de bacterias resistentes a una gama amplia de antibióticos

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Figure 27.8

Chromosome Plasmids

1 µµµµm

• Transformación

– Ingesta de fragmentos de DNA

• Transducción

– Bacteriófago acarrea DNA bacteriano entre células

• Conjugación

– Células de diferentes tipos (“mating”) que se aparean e intercambian material genético

Transformación

Transducción

Fig. 27-11-4 Recombinant cell Recipient cell A+ B B A+ A Recombination A+ Donor cell A+ B+ A+B+ Phage DNA

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Conjugación y recombinación en E. coli Figure 27.13 Bacterial chromosome F plasmid F+cell F+cell F+cell (donor) Mating bridge Bacterial chromosome (a) Conjugation and transfer of an F plasmid

F− cell (recipient) Hfr cell (donor) F factor F−cell (recipient) Recombinand F−bacterium

(b) Conjugation and transfer of part of an Hfr bacterial chromosome, resulting in recombination A A+ A A+ A A A+ A+ A+ A+

Endosporas

• Células aletargadas,

de alta resistencia al

calor, frío y

desecación,

producidas por

algunas eubacterias

• Bajo condiciones

adversas de estrés

en el medioambiente

• Perduran por siglos

• Clostridium tetani,

Bacillus anthracis

Endospora

Procariotas se pueden clasificar sobre

la base de sus requisitos nutricionales:

• Heterótrofos

– Fotoheterótrofos – Quimioheterótrofos

• Se alimentan de materia orgánica muerta y/o en descomposición

• Autótrofos

– Fotoautótrofos – Quimioautótrofos

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Cianobacterias o algas verdeazules

Procariotas también se pueden clasificar por

sus requisitos atmosféricos (metabolismo)

• La mayor parte de las bacterias son

aeróbicas

• Las bacterias anaerobias facultativas

utilizan oxígeno si está disponible (llevan a

cabo respiración celular y fermentación)

• Las bacterias anaerobias obligadas

solamente pueden llevar a cabo metabolismo

de forma anaeróbica (fermentación)

• Algunos procariotas convierten nitrógeno

atmosférico(N

2

) en ammonia (NH

3

)

Cooperación Metabólica

Cooperación entre procariotas les permite utilizar

recursos ambientales que de otra forma no

podrían utilizar como células individuales

Anabaena (cianobacteria): las células

fotosintéticas y células fijadoras de nitrógeno

(heterocitos) intercambian productos metabólicos

En otras especies, la cooperación se lleva a cabo

en colonias que tapizan superficies (“biofilms” y

tapetes)

Fig. 27-14 Photosynthetic cells Heterocyte 20 µm

Anabaena

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Fig. 27-15

1

µ

m

“biofilms”

Uso de técnicas de PCR para obtener de forma

Clasificación de Procariotas:

más rápida secuencias de diferentes genomas y

comparar los mismos (sistemática molecular) han

sido de gran ayuda.

• Dominio Bacteria

– Reino Bacteria • Gram + y Gram -• Dominio Archaea

– Reino Archae

• Paredes celulares carecen de peptidoglicanos • Mecanismo de traducción es similar al de los eucariotas Eukarya Archaea Bacteria Figure 27.15 UNIVERSAL ANCESTOR Eukaryotes Korarchaeotes Euryarchaeotes Crenarchaeotes Nanoarchaeotes Proteobacteria Chlamydias Spirochetes Cyanobacteria Gram-positive bacteria D o m a in E u k a ry a D o m a in A rc h a e a D o m a in B a c te ri a Table 27.2

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• Metanógenas

– Producen gas metano (CH4) – Ambientes anaeróbicos

• Halófilas extremas

– Habitan soluciones de sales saturadas (salinas)

• Termófilas extremas

– Habitan ambientes cuyas temperaturas pueden sobrepasar los 100°C

Medioambiente típico de bacterias

termófilas

Bacteria

• Incluye la mayoría de los procariotas que

los humanos están conscientes

• De diferentes requerimientos nutricionales

• Lleva a cabo funciones ecológicas vitales: – Descomponedoras de materia orgánica – Fijación de nitrógeno para las plantas • Patógenas

– Postulados de Koch:

• Presencia del patógeno en individuos afectados • Muestra del patógeno puede ser cultivada

(pura)

• Muestra del cultivo es inoculada en individuo no afectado causando la misma enfermedad • Se recupera el microorganismo del individuo

inoculado experimentalmente

– Exotoxinas: producidas por bacterias y

secretadas al exterior de las mismas (o liberadas al morir la bacteria): difteria y botulismo

– Endotoxinas: toxinas forman parte de la pared celular de las bacterias gram-negativas

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Bacterias Gram (-)

• Grupo grande y diverso de bacterias

• Sobre la base de secuencias de rRNA, se agrupan en cinco (5) subgrupos:

– Alpha

• Simbiontes de plantas, animales y algunas patógenas

– Beta

• Nitrosomonas (oxida NH3) y Neisseria gonorrhoeae

– Gamma

• Enterobacterias y Vibrio cholerae

– Delta

• Myxobacterias (bacterias lamosas)

– Epsilon

• Tracto digestivo de animales (Helicobacter pylori)

Figure 27.17-a Alpha Beta Gamma Delta Proteo-bacteria Epsilon

Subgroup: Alpha Proteobacteria

Rhizobium (arrows) inside a root

cell of a legume (TEM)

2

.5

µµµµ

m

Subgroup: Delta Proteobacteria

Subgroup: Gamma Proteobacteria Subgroup: Epsilon Proteobacteria

Nitrosomonas (colorized TEM) 1µµµµ

m

Subgroup: Beta Proteobacteria

2 µµµµ m 3 0 0 µµµµ m

Helicobacter pylori (colorized TEM)

Fruiting bodies of Chondromyces

crocatus, a myxobacterium (SEM)

2 0 0 µµµµ m Thiomargarita namibiensis

containing sulfur wastes (LM)

Figure 27.17-b Chlamydias 5 µµµµ m Spirochetes 2 .5 µµµµ m Leptospira, a spirochete (colorized TEM) Gram-Positive Bacteria 2µµµµ m 5 µµµµ m

Hundreds of mycoplasmas covering a human fibroblast cell (colorized SEM)

Streptomyces, the source of many

antibiotics (SEM) 4 0µµµµ m Oscillatoria, a filamentous cyanobacterium Cyanobacteria

Chlamydia (arrows) inside an

animal cell (colorized TEM)

Bacterias Gram +

• Gram- + incluye

– Actinomycetes, descomponedores en suelo

Bacillus anthracis, causante del anthrax

Clostridium botulinum, causante del botulismo

Algunos Staphylococcus y Streptococcus, que pueden ser patogénicos

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Importancia de Procariotas

• Si procariotas desaparecieran hay pocas

probabilidades de que otras formas de vida sobrevivan

• Indispensable en el reciclaje de elementos químicos

– (fijación de nitrógeno: bacterias -únicas capaces de convertir nitrógeno atmosférico en forma útil para plantas)

– Descomponedores (saprobios) obtienen sus

nutrientes de organismos muertos-regresan

elementos al ambiente en forma inorgánica para que las plantas lo utilicen

– Bacterias autótrofas

• Toda la vida depende de procariotas

Pueden vivir en relación

simbiótica

• Tres tipos de relaciones

1. mutualismo - ambos se benefician

2. comensalismo - uno se beneficia, el otro no se afecta 3. parasitismo (una se beneficia la otra se

perjudica-absorben sus nutrientes de fluídos de húespedes vivos) Ejemplos:

– Bacteria en intestino nos proveen vitaminas-mutual – Bacterias en raíces de leguminosas- plantas

habichuelas, etc. (mutual)-bacteria le brinda nitrógeno, planta le da azúcar para respiración celular

– Bacterias patógenas - parasitismo

Nitrosomonas (colorized TEM)

• Bacterias (parasíticas)- patógenos de

plantas y

animales-– causan enfermedades-patógeno se

adhiere a célula -se multiplica y produce

toxinas- venenos

• Exotoxinas: secretadas

• Endotoxinas: al romperse célula bacteriana

• tuberculosis, cólera, enfermedades sexuales

(chlamydia, gonorrea), botulismo,

envenenamiento por comida, salmonella,

úlcera digestiva, ántrax, tétano, etc.

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Importancia de Procariotas

• Microbiología industrial

• Microbiología médica (clínica)

• Ecología microbiana (ej. Bioremediación)

• Microbiología de alimentos

Uso de procariotas en

investigación y tecnología

– Producción de antibióticos-eritromicina,

estreptomicina

– Bioremediación- usar procariotas y hongos para remover (degradar) contaminantes (agentes químicos peligrosos como pesticidas, yerbicidad, petróleo, gasolina, metales pesados, etc.) del suelo, agua y aire a compuestos no tóxicos

– Tecnología- crecer bacterias en el laboratorio, manipuladas genéticamente, para que produzcan medicinas-, insulina, interferón, antibióticos, hormona de crecimiento, alcohol, acetona, vacunas, vitaminas – Microbiología de alimentos- usa ácido láctico

bacteriano para convertir leche a Yogurt, queso, salami, vinagre, chocolate

Bioremediación en derrames de

petróleo

Plantas de tratamiento de aguas

usadas

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Fig. 27-21

5 µm

Lyme disease

Figure

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