Organización Procariota

Transcripción

1 Organización Procariota 1. Estructura general La organización celular procariótica es el tipo de organización más primitivo y solo lo presentan organismos unicelulares del reino Mónera. Se caracteriza: Porque no existe un núcleo diferenciado, ya que el material genético es ADN desnudo, es decir, sin proteínas de tipo histonas. Dicho material genético está disperso por el interior de la célula. Porque no hay un sistema de membranas. Las principales características de los organismos procarióticos son: Tamaño. Son siempre microscópicos, es decir, su tamaño se mide en micras y Amstrong. Forma. Es muy variable. - Cocos. Son esféricos y pequeños y pueden encontrarse: * Aislados * En cadenas, los llamados Estreptococos * En parejas, a los que se les llama Diplococos * En racimos, también llamados Estafilacocos * En poliedros, a los que se les llama Sarcinas. - Bacilos. Son alargados y pueden estar: * Aislados. Un ejemplo, llamado Escherichia Coli, se encuentra en nuestro intestino grueso y sin él no podríamos vivir. * En cadenas, los llamados Estreptobacilos. Vibrios. Son alargados y con forma de coma. - Espiroquetas y Espirilos, ambos con forma de espiral. La mayoría se consideran formas unicelulares aisladas, pero hay muchas otras multicelulares, como las cianobacterias, que forman colonias lineales a modo de cadenas envueltas en una mucosidad. Una colonia muy característica es Volvox, donde un conjunto de celulas microscópicas forman colonias esféricas. Las células más externas poseen flagelo, mientras que las células interiores realizan las 3 funciones vitales. No se pueden considerar organismos pluricelulares pues no presentan una división del trabajo fisiológico clara La estructura celular comprende: - La envoltura celular, que consta siempre de una membrana plasmática en cuya cara externa suele aparecer, en la mayoría de los casos, la pared bacteriana y, en algunos otros, además, la cápsula bacteriana. - El citoplasma, que consta de dos partes: * El citosol o hialoplasma, formado por un sistema coloidal semejante al de eucariotas. Un sistema coloidal es una mezcla de agua y solutos de gran tamaño molecular lo que le proporciona aspecto viscoso. * El morfoplasma,formado por tan solo algunos elementos formes (ribosomas, inclusiones y vesículas). - La molécula de ADN desnudo, sin asociar a histonas. Además, pueden existir estructuras paraplasmáticas como flagelos y fimbrias. Página 1

2 1.1. Envueltas celulares La membrana plasmática Su función general es la de participar en el intercambio de nutrientes y de productos de desecho. Presenta una serie de repliegues hacia el interior llamados mesosomas, que desempeñan una serie de funciones importantes relacionadas con la forma de vida de cada tipo bacteriano: - Sirven como punto de anclaje para la molécula de ADN desnudo y desde aquí se dirige su duplicación mediante las ADN polimerasas. - Poseen enzimas para el metabolismo aerobio, similares a las que hay para la respiración en la membrana interna de las mitocondrias. - Poseen los pigmentos y enzimas para realizar la fotosíntesis. - Contienen los enzimas para la fijación de nitrógeno molecular atmosférico (N 2 ), así como de nitratos (NO 3 - ) y fosfatos (PO 4 3- ), según los casos La pared bacteriana La pared es una estructura rígida y porosa, de espesor variable, situada por fuera de la membrana. Sus funciones son dar forma a la célula, protegerla y regular el paso de sustancias. Está compuesta, en general, por proteínas y lípidos, y algunas veces también por glúcidos, como la mureína, pero NUNCA por celulosa. Su composición y estructura permiten diferenciar dos tipos de bacterias llamadas Gram positivas y Gram negativas: - Las Gram + poseen una capa muy gruesa y muy pocos lípidos. Se tiñen de color azul oscuro o violeta. - Las Gram -, en cambio, poseen una delgada capa de mureína y hay muchos más lípidos que en las anteriores. Se tiñen de color rosa La cápsula bacteriana La cápsula es una estructura que aparece alrededor de la pared en algunas bacterias llamadas capsuladas. Tiene una consistencia gelatinosa y glúcidos más o menos complejos en su composición. Sus funciones son cuatro: - defensiva frente a la desecación. - defender del ataque de diversos agentes como los virus, los fagocitos o los anticuerpos. - permite su adhesión a otras células - participa en la regulación del intercambio de nutrientes Estructuras citoplasmáticas Ribosomas Son los únicos orgánulos que aparecen de forma constante en todos los procariotas. En los organismos procarióticos solo se pueden apreciar ribosomas 70s, formados por dos subunidades 30s y 50s, mientras que en los eucarióticos solo se encuentran ribosomas 80s (con las subunidades 60s y 30s). Su función es intervenir en la síntesis proteica. s es el coeficiente de sedimentación Svedberg Cromatóforos Son sacos aplanados que contienen bacterioclorofila, por tanto, solo se pueden encontrar en los organismos que realizan la fotosíntesis. Página 2

3 Inclusiones Formadas por gránulos de glucógeno, almidón, lípidos, volutina, etc Vesículas gaseosas Son cavidades de aspecto cilíndrico, tapizadas por proteínas, en cuyo interior se acumulan gases. Mantienen la flotabilidad de las células Plásmidos Son pequeñas moléculas de ADN circular dispersas en el citoplasma de algunas bacterias. Se replican independientemente del ADN bacteriano, aunque en ciertas bacterias pueden incorporarse a él y entonces reciben el nombre de episomas. Este material genético puede transferirse de una célula a otra, aportando con sus genes nuevas características, como resistencia a antibióticos, producción de toxinas, 1.3. Nucleoide Es la molécula de ADN desnudo circular que permanece sujeta a la membrana por un punto denominado mesosoma Estructuras Paraplasmáticas Realizan dos funciones: la relación y la movilidad celulares y podemos distinguir dos tipos: Los flagelos y las fimbrias y pelos Flagelos Son filamentos largos, más delgados que los de las eucariotas, sin microtúbulos, ni simetría radial y no rodeados de membrana celular, ya que en realidad están fuera de la célula y atraviesan la pared celular. Están compuestos de un filamento externo formado de unidades de una proteína tubular llamada flagelina empaquetadas en forma helicoidal dentro de una vaina. Este filamento externo se une por un codo a un cuerpo basal situado en el seno de la pared. Estas proteínas generan un giro que se transmite al filamento de forma rotatoria, lo que provoca la propulsión de la célula. La energía necesaria no procede del ATP, sino del transporte de H + a nivel de la membrana plasmática Fimbrias y pelos Las fimbrias son finísimos tubos proteicos rígidos presentes en la superficie de algunas bacterias que parecen servir como puntos de adherencia al sustrato o a otras células o virus, pero no son locomotrices. Un tipo especial son los pili o pelos sexuales que son más largos y sirven como puentes de unión entre células para transmitir material genético 2. Fisiología 2.1. Funciones de reproducción La forma más general es la bipartición, una forma de reproducción asexual: el Página 3

4 cromosoma está unido al mesosoma por su punto de replicación; comienza a duplicarse al mismo tiempo que el mesosoma se desdobla; entre ambos comienza a aparecer un tabique y acaban formándose dos nuevos individuos idénticos. Aunque algunos opinan que no es mas que una forma de soportar las condiciones adversas (desecación, calor, radiaciones, ácidos ), otra forma es por esporulación o formación de esporas, que pueden ser de dos tipos: - endosporas, formadas en condiciones desfavorables de manera que en la célula madre el ADN se divide y una copia es aislada del resto del citoplasma envuelta en una cubierta especial; el cuerpo celular se reseca y desaparece quedando la endospora libre en estado latente a la espera de condiciones favorables, momento en el que germina, se libera de la cubierta y crece. - esporas simples; toda la célula se transforma en espora resistente rodeada por una gruesa pared celular como respuesta a una situación adversa. Otra forma de reproducción es la parasexualidad, modalidad muy primitiva de sexualidad, en la que únicamente se realiza un intercambio de material genético. En ningún caso se produce un aumento en el número de individuos, sino de nuevas características. Podemos distinguir los siguientes tipos: - Conjugación, una bacteria cede material genético a otra a través de un puente de unión tal como un pelo sexual o pili. En Escherichia coli el proceso es como sigue: la célula dadora contiene un plásmido llamado factor F o episoma, por lo que se llama célula F + ; éste factor es transferido a una célula que no lo tiene (célula F - ), con lo que ésta pasa a ser F +. Si el plásmido se incorpora al cromosoma bacteriano la capacidad de unión de la célula dadora a otras receptoras aumenta; se convierte así en célula Hfr y lo que se transfiere es parte del cromosoma bacteriano, que antes se duplica con el episoma incorporado. Dado que este episoma - Transformación, una bacteria incorpora del medio un ADN que puede proceder de una bacteria destruida (es un proceso raro en la naturaleza y frecuente en el laboratorio). - Transducción, la transferencia de ADN se realiza usando como vehículo de transporte un virus llamado bacteriófago, que infectó una bacteria y al multiplicarse en su interior consiguió parte del material genético bacteriano que será transmitido luego a otra bacteria cuando sea infectada por el virus Funciones de nutrición Tienen todos los tipos de nutrición: -autótrofas quimiosintéticas, exclusivo de ellas -autótrofas fotosintéticas, las cianobacterias emplean H 2 O como dador de e -, liberando O 2 ; las bacterias verdes y rojas del azufre emplean H 2 S, H 2 o sustancias orgánicas y no producen O 2 -heterótrofas, siendo parásitas, saprofitas y simbiontes Página 4

5 En cuanto a los tipos de metabolismo, respecto del uso del O2, las hay aerobias, anaerobias estrictas y anaerobias facultativas Funciones de relación Son capaces de captar estímulos a los que responden normalmente con movimientos mediante flagelos o con deslizamientos o con flexiones del cuerpo. Muchas poseen fototactismo, quimiotactismo, a veces complejo al detectar ciertas señales químicas similares a los mensajeros químicos entre las células de los organismos superiores, e incluso magnetotactismo al sintetizar partículas de magnetita que funcionan como microscópicas brújulas. 3. Origen y evolución de las células Lo que sigue a continuación puede ser probablemente una hipótesis bastante real, a la vista de pruebas fósiles, sobre el origen de las células. Podemos distinguir varias etapas: - etapa precelular, en algún momento debieron de darse las circunstancias adecuadas para que aparecieran sistemas que cumplieran tres requisitos en el caldo primitivo : presencia de una membrana aislante, presencia de moléculas orgánicas complejas (proteínas y enzimas) y capacidad para duplicarse. Una teoría muy aceptada supone que las primeras entidades precelulares debieron de surgir cuando espontáneamente una capa de lípidos formó una envuelta en torno a unas moléculas orgánicas; los coacervados de Alexander Oparin. Entre las moléculas así aisladas debieron producirse reacciones químicas en condiciones más favorables y alguna de ellas tenía la capacidad de autorreplicarse; no debía ser ADN, por las necesidades enzimáticas especiales que posee, sino un ARN especial, las ribozimas. Estas células primitivas pudieron aparecer entre 3800 y 4000 m.a. - etapa celular, las primeras células debieron ser procariotas con nutrición heterótrofa y metabolismo anaerobio, ya que en la atmósfera de la época escaseaba el O 2 y en el caldo primitivo había muchos nutrientes de tipo orgánico. Esta célula es lo que se conoce como procariota ancestral. - de la célula procariota a la eucariota, el procariota ancestral (progenote) pudo dar lugar a tres ramas evolutivas: ---Eubacterias; comprende las procariotas autótrofas fotosintéticas, primero las que usan el Página 5

6 hidrógeno del H 2 S y luego las que usan el del H 2 O junto con las precursoras de los cloroplastos, y las procariotas heterótrofos areobios precursores de los peroxisomas y los precursores de mitocondrias. ---Arqueobacterias; Son bacterias consideradas "fósiles vivientes" pues viven en hábitats muy especiales (ambientes termales, en fumarolas, medios halófitos ) que parecen corresponder con los que existieron en la Tierra primitiva. ---Organización eucariota. Algunos procariotas anaerobios primitivos debieron de perder la pared quedando con una membrana flexible que comenzaría a plegarse hacia el interior, compartimentándolo y aislando así el material genético, con lo que aparecería el núcleo y el resto de orgánulos. Sería un eucariota ancestral anaerobio heterótrofo con capacidad de fagocitosis; de esta manera podría haber fagocitado un procariota aerobio que, en lugar de ser digerido, establecería una relación de simbiosis; la relación llegaría a ser tan íntima que incluso intercambiarían material genético y formaría las mitocondrias actuales (los peroxisomas pudieron ser los precursores de las mismas). Aparece así la célula eucariota heterótrofa aerobia (Protozoos, hongos y animales). Posteriormente llegaría una nueva endosimbosis. Algunas de las células eucariotas anteriores debieron englobar a otro tipo de procariota fotosintético (cianobacterias) que pasaron en la actualidad a ser los cloroplastos, formándose así la célula eucariota fotosintética. Aspectos que relacionan mitocondrias y cloroplastos con bacterias a.- El tamaño y la forma similares de todos ellos b.- Todos tienen ADN circular desnudo y libre en un sistema coloidal (matriz, estroma y citoplasma respectivamente) c.- Poseen ARNm y ARNt d.- Contienen ribosomas 70S e.- El ADN puede replicarse y dirigir la síntesis de proteínas propias f.- Tienen división por bipartición y segmentación g.- La membrana interna de la mitocondria parece equivalente a los mesosomas de bacterias aerobias. La membrana de los tilacoides parece equivalente a la de las cianobacterias h.- La membrana externa de mitocondrias y plastos parece proceder de la membrana plasmática de la célula que los fagocitó i.- El análsis molecular de ADN muestra la existencia de genes homólogos. Organización acelular Hoy se conocen las siguientes partículas de organización acelular: viroides, plásmidos, transposones, priones y virus. Todas tienen en común su capacidad para perpetuarse en el interior de las células, pueden aportar a la célula caracteres nuevos o provocar trastornos graves, fuera de las células son partículas inertes Viroides Son fragmentos de ARN monocatenario desnudo y circular que infectan células vegetales. Para algunos son un tipo de virus sin envuelta proteica Plásmidos Es ADN con independencia para replicarse y que se puede encontrar en bacterias, levaduras y plantas. A veces, el plásmido o un fragmento del mismo se integran en el genoma de la célula huésped. Página 6

7 Transposones Son fragmentos de ADN que se encuentran integrados en el ADN celular sin capacidad de replicarse por sí mismos y que pueden migrar. Algunos consideran que son derivados o precursores de virus o de plásmidos Priones Son un tipo especial de proteínas infecciosas, sin material genético. Su descubrimiento en los años 80 ocasionó un gran debate, debido a que echaba por tierra uno de los dogmas de la Biología que defendía la necesidad de material genético para que una partícula fuese infecciosa. Entre otras enfermedades, son responsables de ciertas enfermedades del sistema nervioso conocidas en general como encefalopatíass espongiformes, como el mal de las vacas locas (temblores, trastornos locomotrices hasta morir). En los humanos una enfermedad similar es la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob. La infección por priones no provoca una respuesta inmunitaria, debido a que el prión está dentro de nuestras propias células. El agente causante es una proteína propia de la membrana plasmática de las neuronas. Se sabe que está codificada por un gen del cromosoma 20. Esta proteína sufre una alteración que la convierte en patológica (prión) Las proteínas defectuosas actúan como agentes infecciosos que cambian las proteínas normales en defectuosas. La aparición de la demencia es consecuencia de que se acumulan cristalizadas en las neuronas provocando su destrucción y muerte. Comparando las dos proteínas, normal y patológica, se comprueba que tienen la misma secuencia de aminoácidos (estructura primaria), pero tienen un plegamiento distinto. Se han encontrado casos de transmisión hereditaria de la enfermedad, debido a una mutación puntual que implica modificación en la estructura primaria de la proteína, sustituyéndose una prolina por una leucina. Virus Su tamaño es muy inferior al de cualquier célula y próximo al de las macromoléculas (entre 10 y 300 nm). Siempre tienen la misma forma, mientras que las células cambian a lo largo de su vida. La autoperpetuación es su única actividad vital, que además debe ocurrir dentro de una célula viva. Por tanto, son parásitos intracelulares obligados, pues para realizar su actividad emplean los materiales de la célula invadida, de manera que la maquinaria celular trabaja bajo las órdenes contenidas en el ácido nucleico del virus. Como consecuencia la célula invadida se desorganiza y puede legar a morir, por lo que la mayoría de los virus causan graves enfermedades. Su estructura consta de ácido nucleico, que puede ser ADN o ARN, nunca ambos a la vez, envuelto en una cubierta de proteínas. En algunos casos aparecen lipoproteínas y fosfolípidos. Las proteínas son casi todas estructurales; cada unidad se denomina capsómero cuya reunión forma la cápsida. El conjunto de cápsida y ácido nucleico es la nucleocápsida. Sólo algunos virus tienen enzimas que usan para penetrar en las células o para replicarse y dirigir la síntesis de nuevas proteínas víricas. Los ácidos nucleicos, tanto si es ARN como si es ADN, pueden ser de doble cadena o de cadena sencilla. En el caso de ADN éste puede ser lineal o circular. Esto implica que algunos virus deben tener formas atípicas de sintetizar sus ácidos nucleicos, en contra del dogma central de la biología molecular (el flujo de información genética va del ADN al ARN y de éste a las proteínas); para ello el propio virus aporta los enzimas necesarias o tiene los genes necesarios para dirigir sus síntesis. El material genético del virus contiene además los genes para la síntesis. Además, el genoma vírico presenta solapamiento de genes, es decir, una misma secuencia de genes puede formar parte de dos genes contiguos. Página 7

8 Según como se empaqueten los capsómeros podemos distinguir varios tipos de virus: a. Virus cilíndricos, con simetría helicoidal y material genético de la misma forma, como el virus mosaico del tabaco. b. Virus esféricos, con simetría icosaédrica (la cápsida es un poliedro regular con 20 caras triangulares o un múltiplo la forma más económica de empaquetamiento espacial). Alguno poseen además unas proteínas a modo de espinas saliendo de la cápsida; ejempls serían los adenovirus y el virus de la polio c. Virus complejos, con una simetría muy diferente de las anteriores y muy compleja Atendiendo a otros criterios también se pueden distinguir: a. Virus con envuelta, que son aquellos que por fuera de la cápsida presentan una envuelta fosfolipídica parecida a una membrana celular que procede de la membrana plasmática de la célula infectada; también puede aparecer erizada de proteínas propias del vrus; son ejemplos el virus de la gripe y el del SIDA o VIH b. Bacteriófagos, que infectan bacterias y presentan simetría mixta, mezcla de helicoidal e icosaédrica. Constan de una cabeza icosaédrica, una cola cilíndrica separada de la anterior por un collar y terminada en una placa de la que salen fibras y espinas. La cola tiene un filamento interior rígido, rodeado de una vaina flexible. El ciclo vital de un virus o ciclo infeccioso es el conjunto de acontecimientos que tienen lugar desde su incorporación a la célula hasta su salida con el fin de multiplicarse. Aunque los pasos dependen mucho del tipo de virus, en general podemos distinguir las siguientes fases: a. Adsorción o Fijación, se establece el contacto entre la cápsida o la envoltura del virus y la superficie de la célula mediante receptores específicos de ambos. Así cada virus infecta un tipo celular específico. b. Penetración, el virus supera la barrera de la membrana celular introduciéndose completo en el citoplasma o el genoma sólo y algunas proteínas acompañantes. c. Eclipse, replicación, transcripción, y traducción del material genético, sacando copias de su genoma y nuevas proteínas víricas. d. Ensamblaje, reunión de las copias del genoma con las proteínas víricas. e. Liberación, los nuevos virus salen de la célula. Hay dos tipos de ciclos infecciosos: a. Ciclo lítico, porque termina con la desorganización celular e incluso con la lisis o rotura de la misma. b. Ciclo lisogénico, el genoma vírico, en lugar de formar nuevos virus, se integra en el ADN celular, denominándose provirus o virus atenuado. Así puede permanecer sin expresarse, replicando su genoma al mismo tiempo que el de la célula, hasta que algún factor externo le hace despertar y comenzar un ciclo lítico. Página 8