CROMOSOMA BACTERIANO

NUCLEOIDE O CROMOSOMA BACTERIANO

Llamado tambien equivalente nuclear. No posee membrana nuclear (de alli el termino nucleoide). Esta formado por un unico filamento de ADN apelotonado (superenrollado). Confiere sus peculiaridades geneticas a la bacteria. Regula la sintesis proteica.

Esquematiza el cromosoma bacteriano

LOS CROMOSOMA DE LAS BACTERIAS: ORGANIZACIÓN EN DOMINIOS

La información hereditaria de las bacterias se encuentra fundamentalmente en un único cromosoma consistente en una molécula de ADN doble hélice circular. El tamaño de esta molécula varia según la especie bacteriana de 0,1 x 109 a 8 x 109 dalton. Una de las bacterias más estudiadas desde el punto de vista genético es Escherichia coli cuyo ADN mide 1.100 m de longitud y tiene 3.200.000 pares de nucleótidos.

La circularidad del cromosoma de E. coli se demostró mediante estudios genéticos de construcción de mapas de tiempo mediante la técnica de la conjugación interrumpida (Jacob y Wollman, 1958). Sin embargo, la primera evidencia citológica de la circularidad del cromosoma de E. coli se obtuvo más tarde (Cairns, 1963) marcando radiactivamente el ADN, realizando una autorradiografía y analizando los resultados al microscopio óptico.

La deshidratación requerida por las técnicas citológicas necesarias para la observación al microscopio electrónico de la organización cromosómica de las bacterias produce un desplegado o disgregación del nucleoide bacteriano que dificulta los análisis. Por esta causa, no ha sido posible determinar mediante microscopía electrónica la estructura del nucleoide bacteriano.

La extracción del nucleoide se realiza mediante un lisado de la pared celular con detergentes y lisozimas y posterior centrifugación en un gradiente de sucrosa. El 60 % del nucleoide es ADN, un 30 % es ARN (incluido el ARN producto de la transcripción), del 5 al 10 % es proteína (un 90% de la proteína corresponde a polipéptidos de la ARN polimerasa) y 1% son lípidos (probablemente contaminaciones de membrana).

El estado más o menos relajado, desplegado o disgregado del nucleoide bacteriano puede deducirse de su comportamiento después de ciertos tratamientos y posterior centrifugación en gradiente de sucrosa. Cuanto más compactado está el nucleoide menos viscoso es, menos rozamiento ofrece cuando migra en el tubo de centrifuga a través de la solución saturada de sucrosa y, por tanto, presenta una mayor velocidad de sedimentación. Cuanto más relajado o disgregado está el nucleoide más viscoso es, ofrece un mayor rozamiento en su migración y disminuye su velocidad de sedimentación.

Cuando el nucleoide se trata con ARNasa, enzima que digiere específicamente ARN, la velocidad de sedimentación disminuye de 1.600 S a 160 S en una relación directa al tiempo de tratamiento con ARNasa.

El tratamiento con reactivos que disocian o degradan proteínas también produce un desplegado o relajamiento del ADN del nucleoide que se traduce también en una disminución de la velocidad de sedimentación. Este dato indicaría que también las proteínas podrían jugar un papel en el enrollamiento o plegamiento del nucleoide.

El tratamiento del nucleoide con bromuro de etidio produce también una disminución de la velocidad de sedimentación. Este cambio en la velocidad de sedimentación es típico de ADN superenrollado.

Organización en dominios del nucleoide bacteriano

Cuando se trata con ADNasa que produce roturas a nivel de una sola hélice, también se relaja la estructura y disminuye la velocidad de sedimentación, pero se necesitan muchas roturas para relajar todo el superenrollamiento del nucleoide. Este superenrollamiento del nucleoide se produce en parte por una cuestión de tipo mecánico. Si imaginamos dos cuerdas paralelas (cada una de las hebras de la doble hélice de ADN) y las enrollamos girando los extremos en sentido contrario (como si quisiéramos hacer una trenza, modelo estructural de la doble hélice) y, por último, unimos los extremos para forma un circulo, observaremos que debido a la tensión producida se forman inmediatamente nuevos superenrollamientos. Este resultado parece sugerir que el cromosoma de E. coli está formado por distintos dominios que a su vez están superenrollados. La rotura en una sola hélice de un dominio relajaría el superenrollamiento de ese dominio y no de los otros.

El número de dominios que se estima que existen en el cromosoma de E. coli es variable (12 a 80) y depende de las condiciones experimentales de aislamiento y purificación.

El papel del ARN en la estructura del nucleoide no esta claro, ya que se encuentra ARN mensajero (ARN-m), ARN transferente (ARN-t) y ARN ribosómico (ARN-r) unido al ADN mediante la ARN polimerasa. Se ha postulado que el ARN podría encontrarse en la base de los dominios

estabilizándolos, sin embargo, algunos investigadores creen que la causa que mantiene estables los dominios no está identificada. De manera, que los dominios se mantendrían unidos en su base a través de fuerzas desconocidas.

Dominios e interacción del ADN con proteínas básicas

PLASMIDOS Y TRANSPOSONES

Los plásmidos (plasmidios) son elementos extracromosómicos compuestos por ADN de doble cadena, con frecuencia circular, autoreplicativos y autotransferibles.

Los plásmidos son moléculas circulares de ADN que se replican de manera independiente al cromosoma de la célula hospedera. De manera natural se encuentran en las bacterias en tamaños que van desde 5,000 hasta 400,000 pb.

Pueden ser introducidos en las células bacterianas por un proceso denominado transformación. Las células y el plasmido se incubas juntos a 0°C en soluciones de cloruro de calcio, posteriormente se da un incremento de temperatura al medio de entre 37 y 43 °C, alternativamente se puede utilizar un choque de corriente eléctrica en una técnica denominada electroporación.

Podemos clasificar los plásmidos basándose en su función.

a. "Fertility - (F) plasmids" son capaz de conjugación ES DECIR EL FACTOR SEXUAL.b. " Resistance - (R) plasmids " contienen los gens que pueden construir una resistencia contra antibióticos o venenos.c. "Col-plasmids" contiene gens que codifican colicinas, proteínas que pueden matar otra bacteria.d. " Degrative plasmids " permiten la digestión de sustancias insólitas como el toluole o el ácido salicylico.e. " Virulence plasmids " giran la bacteria en un patógeno.

Definición: Los plásmidos son fragmentos extracromosómicos de ácidos nucléicos (ADN o ARN) que aparecen en el citoplasma de algunos procariotas. Son de tamaño variable aunque menor que el cromosoma principal. Cada bacteria puede tener uno o varios a la vez. Los plásmidos tienen una conformación variable que puede ser lineal, circular o con estructura superenrrollada. El control de la replicación del plásmido depende del tipo de plásmido, existiendo plásmidos cuya replicación está acoplada con la replicación del cromosoma bacteriano y plásmidos cuya replicación no está relacionada con la del cromosoma. El tipo de genes que portan los plásmidos es variado, tratándose generalmente de genes que aportan ventajas adaptativas a la bacteria que los porta: genes de resistencia a antibióticos, genes de producción de sustancias tóxicas para otras bacterias o genes que codifican enzimas útiles para degradar sustancias químicas.

Los plásmidos se pueden clasificar siguiendo distintos criterios. Uno de estos criterios es el tipo de genes que portan. Así se define el grupo de plásmidos con genes de degradación de sustancias, el grupo de plásmidos con genes de fertilidad, el que porta genes de virulencia o el grupo que porta genes de resistencia.

Los plásmidos son herramientas muy útiles en ingeniería genética para la transformación génica y la manipulación genética de procariotas y eucariotas. Los plásmidos empleados en ingeniería genética se llaman vectores. Son muy útiles para sintetizar en grandes cantidades proteínas de interés, como la insulina o los antibióticos, mediante un procedimiento conocido como transformación. El proceso de transformación comienza con la selección de un plásmido adecuado, en el que se introducen los genes que se quieren expresar con protocolos específicos que usan enzimas de restricción y DNA ligasa. Posteriormente se transforma un tipo de bacteria con el plásmido modificado y se seleccionan las bacterias transformadas que produzcan las sustancias deseadas. Estas bacterias se cultivan en sistemas de tipo biorreactores para su crecimiento en grandes cantidades. En este proceso se eligen plásmidos con características que permitan seleccionar las bacterias transformadas en un medio de cultivo como por ejemplo plásmidos con genes de resistencia a antibióticos o con genes de enzimas que sinteticen compuestos coloreados.

Aunque los plásmidos no pueden sintetizar una envoltura proteica y se transfieren con dificultad de una célula a otra se ha hipotetizado que podrían ser los precursores de los primeros virus.

Los transposones (genes saltarines o móviles) son elementos compuestos de ADN que pueden moverse de forma autosuficiente a diferentes partes del genoma bacteriano. No poseen la capacidad de autoreplicarse pero pueden transferirse a traves de plasmidios. El transposon al cambiar de posicion puede arrastrar una secuencia de ADN contigua y originar cambios fenotipicos en la bacteria.

Los transposones son segmentos de ADN que pueden moverse a diferentes posiciones en el genoma de una sola célula. En el proceso, pueden

mutaciones causan

aumento (o disminución) de la cantidad de ADN en el genoma.

Estos segmentos móviles de ADN se denominan "genes saltarines"

Transposon. Secuencia de DNA que puede moverse de un lugar a otro del cromosoma, insertar copias adicionales de ella misma en otros puntos o pasar de un cromosoma a otro. Tramo de DNA que puede incorporarse en otras moléculas de DNA en lugares donde no hay homología de secuencia. Tienen un tamaño entre 1 y 40 kb. Codifican todas las enzimas necesarias para su inserción. Pueden desplazarse dentro de un cromosoma o entre cromosomas.

Elemento genético móvil que puede moverse de una localización genómica a otra, gracias a la presencia de secuencias repetidas cortas que lo flanquean y que es capaz de replicar e insertar una copia en un lugar nuevo en el genoma.

los plásmidos son elementos genéticos accsesorios, en general portan genes que brindan a la bacteria alguna ventaja en la lucha por la supervivencia, como por ejemplo genes de resistencia a los antibióticos. Los plásmidos tambien son replicones es decir moléculas de ADN que hacen copias de sí mismo. En este curso diremos que sólo hay plásmidos en las bacterias que pertenecen al reino monera (aunque las levaduras -fungi- tambien tienen estructuras plasmídicas).

Por otro lado los transposones son elementos genéticos móviles, también llamados "genes saltarines". Los transposones tienen la capacidad de "saltar" de una región del genoma a otra, es decir pueden cambiar su localización en la molécula o moléculas de ADN. Hay varios tipos de transposones, algunos hacen copias de si mismos en el proceso de "salto" y otros no. Cuando un transposon "salta" a otro lugar del ADN puede provocar mutaciones, hay muchas mutaciones identificadas que fueron provocadas por los transposones, tanto en humanos como en animales. Aparentemente un 45% del genoma humano consta de elementos genéticos móviles, aunque su papel no está del todo claro, pero aparentemente evolutivamente han sido muy importantes y han tenido una gran importancia en la estabilidad y dinamismo del genoma.

CROMOSOMA BACTERIANO

Que una bacteria sea más simple que un elefante no quiere decir que sea simple. Sólo quiere decir que es menos compleja que algo muy complejo. Pero las bacterias están muy distantes de ser simples. Incluso podríamos estar equivocados. Y ser las bacterias más complejas que un elefante en algunos sentidos.

Para empezar, toman decisiones tras haber obtenido información del entorno. Para seguir, su diversidad es enorme. Entre dos grupos de bacterias puede existir tanta distancia genética como entre un animal y una planta. No, definitivamente, una bacteria es algo más que enzimas empaquetadas.

En primer lugar, hay una considerable organización subcelular, que comienza en el material genético y se propaga a toda la célula. No se puede considerar simple a un organismo que tiene material genético, que tiene que expresarlo, que tiene que copiarlo y que tiene que replicarlo con fidelidad para tener descendencia. Y luego dividirse en dos. No, definitivamente, eso no es ser simple.

El cromosoma bacteriano es una de las estructuras más visibles de este tipo de células. De hecho, en algunos sentidos es bastante más complejo que los cromosomas de un elefante. O que los tuyos o los míos. Está enormemente empaquetado en un muy pequeño espacio. La longitud de los 4,3 millones de pares de bases de E. coli significan, estirados, 1,8 mm. Lo que es una barbaridad comparado con las 1-2 micras, lo cual es 1.000 veces menor. ¡Eso es MUY MUY empaquetado! Para compactar toda esa estructura se necesitan herramientas. Y las bacterias las tienen: topoisomerasas. Unas enzimas especiales, muy especiales. Propias de ellas y no de las células eucariotas. Que ayudan a plegarse al ADN y le sujetan otras proteínas que así lo mantienen. Enzimas que regulan la topología del ADN mediante acciones como la rotura, relajación, paso y reunión de las cadenas de ADN en las células. Estas enzimas son componentes importantes del sistema de replicación del adn.

Además, es circular y de él salen múltiples bucles, que son sus regiones activas. Ocupa una región más o menos central. Que no está separada del resto por una membrana, aunque sí que hay una clara diferenciación entre ese lugar y el resto del citoplasma, y eso se corresponde con una segregación metabólica, con procesos que allí no ocurren y con procesos que sólo allí ocurren. Y es mantenido en su sitio por un sistema de citoesqueleto.

¡Y sí! Las bacterias tienen citoesqueleto.

¿Cómo sabemos todo esto? Por nuevas técnicas, como la fluorescencia microscópica o la fusión con proteínas fluorescentes. En ella, se modifica un gen para que la proteína que expresa tenga una parte que emita fluorescencia y así poder seguirla por toda la célula. ¡Es una técnica dinámica!

De hecho, gracias a esa técnica, hemos descubierto que las proteínas grandes no se mueven por difusión libre en bacterias. Cuando son superiores a 400 kDal. Por tanto, y como veremos después, debe haber motores que trasladen de un lugar a otro grandes complejos proteicos. Citoesqueleto, vamos.

Pero hasta ahora te hablaba de estructura. Y donde las bacterias son enormemente complejas es en su fisiología, en su funcionamiento.

El ADN es el protagonista de los procesos bacterianos. En eucariotas, lo que le ocurre al ADN define el ciclo celular. Que en el caso de las bacterias es más un concepto que una realidad. Mucho de lo que hace el ADN lo hace todo a la vez. No ocurre como en eucariotas, que separan procesos. Un cromosoma bacteriano se replica, transcribe, separa y repara todo a la vez. En diferentes regiones, eso sí. Y todo ello con la ayuda de, otra vez, citoesqueleto. En concreto, un citoesqueleto similar al que se responsabiliza de la mitosis en eucariotas. Una factoría de replicación (con polos en las células y con ya algunas proteínas actoras implicadas, como Spo0J).

Las factorías de replicación ocupan lugares fijos. En concreto, una zona central en la célula. Pueden aparecer dos focos adicionales, en la región axial, a ¼ y ¾ de su recorrido, lo que supone que serán los futuros centros de las células que vendrán tras la replicación, y que, como el medio es favorable, ya están preparando la segunda replicación. Aún antes de haber acabado la primera. Así funciona una bacteria. Superpone procesos, no espera a finalizar uno para comenzar el otro. Ya está haciendo

la siguiente replicación antes de acabar la primera. “Siguiente” no es una palabra hecha para bacterias.

En ese sentido, son muy complejas. Las bacterias y sus proteínas. De hecho, sus proteínas tienen que ser compatibles entre sí para poder actuar simultáneamente, para que una bacteria ejecute varias funciones a la vez.

Por tanto, podríamos especular con una idea. Especular, ojo. Y es que podríamos pensar que, la complejidad eucariota sirve para simplificar la fisiología. Una célula eucariota no necesita proteínas totalmente compatibles entre sí porque los procesos están separados en el espacio o en el tiempo. Una célula eucariota ha inventado los compartimentos y el ciclo celular. Eso le permite mayor sencillez fisiológica. Eso le lleva a poder tener enzimas que inicialmente serían incompatibles entre sí en una bacteria. P. ej., enzimas que trabajen a pH diferentes.

Entonces, ¿debemos seguir viendo a una bacteria como algo más sencillo que un elefante? Estructuralmente sí. Fisiológicamente, con toda probabilidad no. De hecho, a mí se me ha metido en la cabeza que la complejidad estructural eucariota sirve para simplificar su fisiología. Para permitirles tener proteínas incompatibles entre sí en un procariota.

Para darles más libertad para evolucionar.

Desde luego, también forman parte de sistemas muy, muy complejos, como cuenta en su magnífico blog Juan José Ibáñez. De hecho, lo cuenta varias veces. Lo cual, siempre, es un placer.

Replicación de ADN

Replicación de ADN. La doble hélice es desenrollada y cada hebra hace de plantilla para la síntesis de la nueva cadena. La ADN polimerasa añade los nucleótidos complementarios a los de la cadena original.

El proceso de replicación de ADN es el mecanismo que permite al ADN duplicarse (es decir, sintetizar una copia idéntica). De esta manera de una molécula de ADN única, se obtienen dos o más "clones" de la primera. Esta duplicación del material genético se produce de acuerdo con un mecanismo semiconservador, lo que indica que las dos cadenas complementarias del ADN original, al separarse, sirven de molde cada una para la síntesis de una nueva cadena complementaria de la cadena molde, de forma que cada nueva doble hélice contiene una de las cadenas del ADN original. Gracias a la complementariedad entre las bases que forman la secuencia de cada una de las cadenas, el ADN tiene la importante propiedad de reproducirse idénticamente, lo que permite que la información genética se transmita de una célula madre a las células hijas y es la base de la herencia del material genético.