Capítulo 19 La diversidad de los procariotas y los virus

Lecture Outlines by Gregory Ahearn, University of North Florida

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Unos trabajadores se preparan para descontaminar el Hart Office Building, uno de los edificios del Capitolio en Washington, D. C., después de que fue blanco de un ataque con un arma biológica.

Contenido del capítulo 19 • 19.1 ¿Cuáles son los organismos que constituyen los dominios procarióticos Bacteria y Archaea? • 19.2 ¿Cómo sobreviven y se reproducen los procariotas? • 19.3 ¿Cómo afectan los procariotas a los humanos y a otros eucariotas? • 19.4 ¿Qué son los virus, los viroides y los priones?

Contenido de la sección 19.1 • 19.1 ¿Cuáles son los organismos que constituyen los dominios procarióticos Bacteria y Archaea? – Las bacterias y las arqueas son fundamentalmente diferentes. – Los procariotas dentro de cada dominio son difíciles de clasificar. – Los procariotas difieren en tamaño y forma.

Dominios procarióticos • Los primeros organismos que habitaron la Tierra fueron procariotas, microbios unicelulares que carecían de organelos. • Los procariotas siguen siendo extraordinariamente abundantes y comprenden dos de los tres dominios de la vida: – Bacteria – Archaea

Bacteria y Archaea • Similitudes entre Bacteria y Archaea: – Procariotas – Organismos unicelulares – Organismos pequeños (0.2-10 micrones)

• Diferencias entre Bacteria y Archaea: – Características estructurales y bioquímicas. • Difieren en paredes celulares, composición de las membranas plasmáticas, ribosomas, y RNA polimerasas.

Es difícil clasificar a los procariotas • Los procariotas tienen una estructura muy simple. • No presentan una enorme cantidad de diferencias anatómicas y de desarrollo (como los animales).

Es difícil clasificar a los procariotas • Características usadas para clasificar a los procariotas: – Forma – Medios de locomoción – Pigmentos – Necesidades nutrimentales – Apariencia de sus colonias – Propiedades de tinción – Secuencias de nucleótidos

Diferentes formas y tamaños • Tres formas procarióticas comunes: – Esféricas – De bastón – De sacacorchos

FIGURA 19-1a Tres formas procarióticas comunes

FIGURA 19-1b Tres formas procarióticas comunes

FIGURA 19-1c Tres formas procarióticas comunes

Contenido de la sección 19.2 • 19.2 ¿Cómo sobreviven y se reproducen los procariotas? – Algunos procariotas son móviles. – Muchas bacterias forman películas en las superficies. – Las endosporas protectoras permiten a algunas bacterias soportar condiciones adversas. – Los procariotas se especializan en hábitat específicos.

Contenido de la sección 19.2 • 19.2 ¿Cómo sobreviven y se reproducen los procariotas? (continuación) – Los procariotas presentan diversos tipos de metabolismo. – Los procariotas se reproducen por fisión binaria. – Los procariotas pueden intercambiar material genético sin reproducirse.

Adaptaciones procarióticas • Las adaptaciones de los procariotas les permiten habitar y aprovechar una amplia gama de ambientes.

Procariotas móviles • Algunos procariotas son móviles. • Medios de locomoción: flagelos. – Pueden presentarse individualmente en un extremo de la célula, por pares, o dispersos por toda la superficie celular. – En las bacterias, una peculiar estructura con apariencia de rueda, incrustada en la membrana bacteriana y en la pared celular, hace posible la rotación del flagelo.

FIGURA 19-2a El flagelo procariótico

FIGURA 19-2b El flagelo procariótico

Biopelículas • Algunas bacterias secretan capas pegajosas de material viscoso compuestas de polisacáridos o proteínas. • Las colonias de bacterias que secretan ese material viscoso forman comunidades conocidas como biopelículas. – La placa dental es una biopelícula.

• Las bacterias incrustadas en la biopelícula están protegidas contra los antibióticos y desinfectantes.

FIGURA 19-3 La causa de la caries dental

Endosporas protectoras • Cuando las condiciones ambientales se tornan inhóspitas, muchas bacterias forman estructuras protectoras llamadas endosporas. • Una endospora se forma dentro de la bacteria y contiene material genético y unas cuantas enzimas encerradas dentro de una gruesa capa protectora.

Endosporas protectoras • Las endosporas son resistentes a condiciones ambientales extremas: – Resisten la ebullición. – Son estables y viven largo tiempo (> 250 millones de años). – Ideales como agentes de terrorismo biológico (por ejemplo, las esporas del ántrax).

FIGURA 19-4 Las esporas protegen a algunas bacterias

Especialización en hábitat • Cada especie está especializada para ciertas condiciones ambientales. • Los procariotas ocupan una amplia gama de hábitats.

Especialización en hábitat • Hábitats de los procariotas: – Ambientes de alta presión (2.8 kilómetros por debajo de la superficie terrestre). – Ambientes muy fríos (el hielo del océano Antártico). – Ambientes con alta concentración de sal (Mar Muerto). – Ambientes ácidos o alcalinos (desagüe de minas de carbón). – Ambientes moderados (el cuerpo humano). – Ambientes calientes (fuentes hidrotermales, manantiales calientes).

FIGURA 19-5 Algunos procariotas prosperan en condiciones extremas

Diversos tipos de metabolismos • Metabolismo anaeróbico – Muchas bacterias viven sin oxígeno (el oxígeno es tóxico para ellas). • Por ejemplo, la bacteria que causa el tétanos.

– Otras pueden cambiar entre la respiración anaeróbica y la respiración aeróbica • Por ejemplo, Escherichia coli en nuestro intestino grueso.

Diversos tipos de metabolismos • Las bacterias extraen energía de: – Compuestos orgánicos conocidos. • Carbohidratos, grasas, y proteínas.

– Compuestos tóxicos para los humanos. • Petróleo, metano, benceno y el tolueno.

– Moléculas inorgánicas. • Hidrógeno, azufre, amoniaco, hierro y nitrito.

Diversos tipos de metabolismos • Algunas bacterias obtienen energía de la luz solar. – Las cianobacterias llevan a cabo la fotosíntesis. – Las bacterias del azufre, utilizan sulfuro de hidrógeno (H2S) en vez de agua (H2O) en la fotosíntesis.

FIGURA 19-6 Cianobacterias

Fisión binaria • La división celular asexual produce copias genéticamente idénticas. • La fisión binaria puede ocurrir una vez cada 20 minutos.

Fisión binaria • Esta rápida reproducción permite una rápida evolución. – Las mutaciones en la duplicación del DNA se propagan rápidamente.

FIGURA 19-7 Reproducción de procariotas

Intercambio de material genético • El DNA se transfiere de un donador a un receptor durante un proceso que se llama conjugación. • Los pelos sexuales se adhieren a la célula receptora para facilitar la conjugación.

Intercambio de material genético • La conjugación puede ocurrir entre especies diferentes. • Una molécula pequeña y circular de DNA (plásmido) transporta los genes del donador al receptor.

FIGURA 19-8 Conjugación: apareamiento” procariótico

Contenido de la sección 19.3 • 19.3 ¿Cómo afectan los procariotas a los humanos y a otros eucariotas? – Los procariotas desempeñan papeles importantes en la nutrición animal. – Los procariotas captan el nitrógeno que necesitan las plantas. – Los procariotas son los recicladores de la naturaleza. – Los procariotas pueden reducir la contaminación. – Algunas bacterias constituyen una amenaza para la salud de los seres humanos.

Papeles en la nutrición • Los animales que comen hojas dependen de ciertas bacterias para descomponer la celulosa (por ejemplo, el ganado y los conejos). • Muchos alimentos de los humanos se producen mediante la acción de bacterias (por ejemplo, el queso y el yogur). • Las bacterias de nuestros intestinos producen vitaminas (por ejemplo, las vitaminas K y B12).

Fijación de nitrógeno • Las plantas son incapaces de captar el nitrógeno de la atmósfera. • Las bacterias nitrificantes toman nitrógeno gaseoso (N2) del aire atrapado en el suelo y lo combinan con hidrógeno para producir ion amonio (NH4+).

Fijación de nitrógeno • Las bacterias fijadoras de nitrógeno viven en los nódulos radiculares. – Se encuentran en la alfalfa, soya, altramuz, y trébol.

FIGURA 19-9a Bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos radiculares

FIGURA 19-9b Bacterias fijadoras de nitrógeno en los nódulos radiculares

Recicladores de la naturaleza • Muchos procariotas encuentran una vasta fuente de moléculas orgánicas en los productos de desecho y en los cadáveres de plantas y animales. • Además, la descomposición que realizan los procariotas libera los nutrimentos que contienen los desechos para ser reutilizados por los organismos vivos.

Reducir la contaminación • Casi todas las sustancias hechas por el hombre (salvo el plástico) pueden ser biodegradadas por algunas especies de bacterias. • Para limpiar el desastre que causó el derrame del Exxon Valdez, se usaron bacterias que se alimentan de petróleo.

Amenaza para la salud humana • Las bacterias que causan enfermedades son patógenas. • Algunas bacterias anaeróbicas producen venenos peligrosos: – Clostridium tetani causa el tétanos. • Entra al cuerpo por una herida punzante profunda. • Liberan un veneno paralizante.

– Clostridium botulinum produce el botulismo. • Se reproduce en recipientes de comida enlatada no esterilizados adecuadamente. • La toxina del botulismo es muy potente.

Amenaza para la salud humana • Los humanos han combatido las enfermedades bacterianas a través de la historia.

Amenaza para la salud humana • Peste bubónica (Peste negra). – Causada por la bacteria Yersinia pestis y diseminada por pulgas que se alimentan de ratas infectadas. – Mató a 100 millones de personas a mediados del siglo XIV.

• Enfermedad de Lyme (surgió en 1975). – Causada por la bacteria en forma de espiral Borrelia burgdorferi. – La garrapata del venado la transmite a los seres humanos a los que muerde. – Los síntomas parecidos a los de la gripe pueden producir ataques de artritis y anormalidades cardiacas y del sistema nervioso.

Amenaza para la salud humana • Otras enfermedades bacteriales desaparecen y luego vuelven a aparecer. – La tuberculosis (que se pensaba se había erradicado por completo en Estados Unidos). – Gonorrea y sífilis (de transmisión sexual). – Cólera (se transmite por medio del agua contaminada).

Especies bacterianas comunes dañinas • Bacteria Streptococcus – Provoca inflamación de garganta, neumonía, fascitis necrosante.

• Escherichia coli – Habitantes comunes del sistema digestivo. – La cepa O157:H7 E. coli es patógena. • Se transmite por carne mal cocida. • Causa sangrado intestinal y puede ser fatal.

La mayoría de las bacterias son inofensivas • La mayoría de las bacterias son inocuas. • Las comunidades bacterianas pueden ser benéficas. – Crean un ambiente hostil a las infecciones por parásitos como las levaduras en la vagina femenina. – Producen vitamina K en nuestros intestinos.

Contenido de la sección 19.4 • 19.4 ¿Qué son los virus, los viroides y los priones? – Un virus consiste en una molécula de DNA o RNA envuelta en una cubierta proteica. – Algunos agentes infecciosos son aún más simples que los virus. – Nadie sabe con certeza cómo se originaron estas partículas infecciosas.

Virus • Características de los virus: – Carecen de ribosomas, membrana celular, citoplasma – no son seres vivos. – Sólo se pueden reproducir dentro de una célula huésped. – Tamaño muy pequeño (0.05-0.2 micrómetros). – Adoptan una gran variedad de formas.

FIGURA 19-10 Tamaño de los microorganismos

FIGURA 19-11 (parte 1) Los virus tienen diversidad de formas La forma viral está determinada por la naturaleza de la cubierta proteica de los virus.

FIGURA 19-11 (parte 2) Los virus tienen diversidad de formas La forma viral está determinada por la naturaleza de la cubierta proteica de los virus.

FIGURA 19-11 (parte 3) Los virus tienen diversidad de formas La forma viral está determinada por la naturaleza de la cubierta proteica de los virus.

FIGURA 19-11 (parte 4) Los virus tienen diversidad de formas La forma viral está determinada por la naturaleza de la cubierta proteica de los virus.

Virus • Los virus constan de dos partes principales: – Una molécula de material hereditario de DNA o RNA, ya sea de una sola cadena o de doble cadena. – Una cubierta proteica. • Puede estar rodeada de una envoltura formada a partir de la membrana plasmática de la célula huésped.

FIGURA 19-12 Estructura viral y replicación

Virus • No pueden crecer o reproducirse por sí solos y son parásitos de las células vivas. • Poseen una capa proteíca especializada que les permite entrar a una célula huésped…

Virus • El material genético viral “secuestra” a la célula huésped para producir los componentes de nuevos virus. • Las piezas se ensamblan rápidamente, y un ejército de nuevos virus brota dispuesto a invadir y conquistar las células vecinas.

Los virus tienen huéspedes específicos • Cada tipo de virus se especializa en atacar células específicas del huésped.

Los virus tienen huéspedes específicos • Los virus que infectan bacterias se llaman bacteriófagos.

FIGURA 19-13 Algunos virus infectan bacterias

Los virus tienen huéspedes específicos • Los bacteriófagos pueden tratar enfermedades provocadas por bacterias. – El aumento de las bacterias resistentes a los antibióticos hace que las drogas normales sean menos efectivas. – Los bacteriófagos atacan bacterias específicas. – Los bacteriófagos no dañan las células del cuerpo humano.

Los virus tienen huéspedes específicos • En los organismos multicelulares diferentes virus se especializan en atacar tipos particulares de células. • El virus del resfriado común ataca las membranas del tracto respiratorio. • El virus del sarampión infecta la piel. • El virus de la rabia ataca las células nerviosas.

Los virus tienen huéspedes específicos • Se ha vinculado a los virus con ciertos tipos de cáncer (por ejemplo, la leucemia de células T, el de hígado y el cervical). • El virus del herpes ataca las membranas mucosas de la boca y los labios (y produce fuegos labiales). – Un segundo tipo produce úlceras en los órganos genitales.

Los virus tienen huéspedes específicos • El virus del VIH ataca un tipo específico de leucocitos, causando el SIDA.

FIGURA 19-12 Estructura viral y replicación

Las infecciones virales son difíciles de combatir • Los antibióticos, que son tan eficaces contra muchas infecciones bacterianas, resultan inútiles contra los virus. • Los agentes antivirales pueden destruir las células huésped junto con los virus. • Los virus que “se esconden” dentro de las células son difíciles de atacar.

Las infecciones virales son difíciles de combatir • Las tasas de mutación son muy altas entre los virus. – Una mutación pude conferir resistencia una droga antiviral. – Los virus resistentes predominan, de manera que el medicamento antiviral que antes resultaba eficaz se vuelve inútil.

Los virus como armas biológicas • La dificultad de combatir las infecciones virales hace posible la creación de armas biológicas basadas en virus. • Se guardan reservas limitadas del virus de la viruela para desarrollar vacunas más eficaces. • La fiebre hemorrágica de Ébola mata a más del 90 por ciento de sus víctimas (Actualmente no existe un tratamiento ni una vacuna para prevenirla).

Viroides • Los viroides son partículas infecciosas que carecen de cubierta proteica y que consisten en cadenas cortas y circulares de RNA. • Los viroides son capaces de entrar en el núcleo de una célula huésped y dirigir la síntesis de nuevos viroides. • Algunas enfermedades de los cultivos son causadas por viroides. – Por ejemplo, la enfermedad del pepino pálido, las manchas del aguacate y la enfermedad del tubérculo ahusado de la papa.

Priones Los priones son los causantes de una: • Enfermedad degenerativa fatal descubierta en 1950 en una tribu primitiva llamada Fore, de Nueva Guinea. • El kuru que así se le llamó, causa pérdida de coordinación, demencia y la muerte. • El kuru se transmitía en la tribu por la vía de un canibalismo ritual.

Priones • Otras enfermedades como el kuru incluyen: – La enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en los humanos. – La tembladera en las ovejas. – La encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las vacas locas) en el ganado.

• Estas enfermedades provocan que el tejido cerebral se torne esponjoso, es decir, lleno de huecos.

Priones • El kuru, la tembladera, y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob son causadas por un agente infeccioso compuesto únicamente de proteína (Stanley Prusiner, Premio Nobel 1882). • Las enfermedades causadas por priones pueden heredarse.

FIGURA 19-14 Los priones: proteínas enigmáticas Un corte del cerebro de una vaca infectada con encefalopatía espongiforme bovina contiene agrupamientos fibrosos de proteínas priónicas.

Mecanismo de replicación para los priones 1. Los priones consisten en una única proteína que es producida por las células nerviosas normales. 2. Se pliegan de una forma errónea y de este modo se transforman en priones infecciosos. 3. Los priones inducen la transformación de otras copias normales de la molécula proteica en priones. 4. Su concentración en el tejido nervioso podría llegar a ser lo suficientemente grande para provocar daño y degeneración celulares.

¿Cómo se originaron estas partículas infecciosas? • ¿Son vestigios evolutivos de las etapas más antiguas de la historia de la vida? – Los mecanismos de autorreplicación son similares a los propuestos antes del mundo del DNA.

• ¿Son descendientes de células parasitarias que sufrieron degeneración? – Los parásitos antiguos terminaron dependiendo de la maquinaria bioquímica del huésped.