capítulos 27: bacterias y archaea - academic.uprm.eduacademic.uprm.edu/fbird/biol...
TRANSCRIPT
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 1
Capítulos 27:Bacterias y Archaea
Dr. Fernando J. Bird-PicóDepartamento 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 µm
1 µm
1 µm
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 2
Micrococcusbacteria tipo coco
Salmonellabacteria tipo bacilo
Spiroplasmabacteria tipo espiral
Microscopíade barridoelectrónicomostrando
bacterias enla cabeza de
un alfiler
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 3
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 exte rna tóxica y
protege contra defensas del huésped• Más resistentes a antibióticos: membrana externa n o permite
entrada de éstos• Muchos antibióticos atacan peptidoglicano y dañan p aredes
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 cuer po
Figure 27.4
Bacterialcell wall
Bacterialcapsule
Tonsilcell
200 nm
Figure 27.3(a) Gram-positive bacteria Gram-negative
bacteria(b)
Cellwall
Peptido-glycanlayer
Plasmamembrane
Carbohydrate portionof lipopolysaccharide
Crystal violet is easily rinsed away, revealingthe red safranin dye.
Peptidoglycan traps crystal violet,which masks the safranin dye.
Gram-positivebacteria
Gram-negativebacteria
Cellwall
Outermembrane
Peptido-glycan layer
Plasma membrane
10 µm
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 4
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 tipobacilo
Figure 27.7
20 nmFilament
HookMotorCell wall
Plasmamembrane Rod
Peptidoglycanlayer
Flagellum
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 5
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
Respiratorymembrane
Thylakoidmembranes
(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
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 6
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
TransformaciónTransducción
Fig. 27-11-4
Recombinant cell
Recipientcell
A+B–
B–
A+
A–
Recombination
A+
Donorcell
A+B+
A+B+
Phage DNA
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 7
Conjugación y recombinación en E. coliFigure 27.13
BacterialchromosomeF plasmid
F+ cell
F+ cell
F+ cell(donor)
Matingbridge
Bacterialchromosome
(a) Conjugation and transfer of an F plasmid
F− cell(recipient)
Hfr cell(donor)
F factor
F− cell(recipient)
RecombinandF− bacterium
(b) Conjugation and transfer of part of an Hfr bacte rial 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
Table 27.1
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 8
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(N2) en ammonia (NH3)
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
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 9
Fig. 27-15
1 µ
m
“biofilms”Clasificación de Procariotas:
Uso de técnicas de PCR para obtener de forma 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
UNIVERSALANCESTOR
Eukaryotes
Korarchaeotes
Euryarchaeotes
Crenarchaeotes
Nanoarchaeotes
Proteobacteria
Chlamydias
Spirochetes
Cyanobacteria
Gram-positivebacteria
Dom
ainE
ukaryaD
omain A
rchaeaD
omain B
acteria
Table 27.2
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 10
• 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 bacteriastermófilas
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
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 11
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
GammaDelta
Proteo-bacteria
Epsilon
Subgroup: Alpha Proteobacteria
Rhizobium (arrows) inside a rootcell of a legume (TEM)
2.5
µµ µµm
Subgroup: Delta ProteobacteriaSubgroup: Gamma Proteobacteria Subgroup: Epsilon Proteobacteria
Nitrosomonas (colorized TEM)
1 µµ µµm
Subgroup: Beta Proteobacteria
2 µµ µµm
300
µµ µµm
Helicobacter pylori (colorized TEM)Fruiting bodies of Chondromycescrocatus , a myxobacterium (SEM)
200
µµ µµm
Thiomargarita namibiensiscontaining sulfur wastes (LM)
Figure 27.17-b
Chlamydias
5 µµ µµm
Spirochetes
2.5
µµ µµm
Leptospira , a spirochete(colorized TEM)
Gram-Positive Bacteria
2 µµ µµm
5 µµ µµm
Hundreds of mycoplasmas coveringa human fibroblast cell (colorized SEM)
Streptomyces , the source of manyantibiotics (SEM)
40 µµ µµ
m
Oscillatoria , a filamentouscyanobacterium
Cyanobacteria
Chlamydia (arrows) inside ananimal 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– Micoplasmas, células más pequeñas que se conocen
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 12
Importancia de Procariotas• Si procariotas desaparecieran hay pocas
probabilidades de que otras formas de vida sobrevivan
• Indispensable en el reciclaje de elementosquímicos – (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 relaciones1. mutualismo - ambos se benefician2. comensalismo - uno se beneficia, el otro no se afecta3. 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.
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 13
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
BIOL 3052 - Bacteria y Archaea 08/02/2016
Dr. Fernando J. Bird-Picó - 2016 14
Fig. 27-21
5 µm
Lyme diseaseTable 27.2