biología molecular de bacterias, virus, hongos y parásitos dra. daniela centrón laboratorio de...
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Biología molecular de Bacterias, Virus, Hongos y
Parásitos
Dra. Daniela CentrónLaboratorio de Investigaciones de los Mecanismos de Resistencia a Antibióticos
Depto de Microbiología, Parasitología e Inmunología Facultad de Medicina
Universidad de Buenos AiresCONICET
Traducción
Dogma central
ADN
ARN
PROTEINAS
Replicación
Transcripción Transcripción reversa
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la Tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
ORIGEN DE LA VIDA
¿Cómo comenzó la vida?
GENERACIÓN ESPONTÁNEAGENERACIÓN ESPONTÁNEA
• En 1668 el médico italiano Francesco Redi refutó la hipótesis de los GUSANOS GUSANOS A PARTIR DE LA CARNEA PARTIR DE LA CARNE..
• A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur en Francia y John Tyndall en Inglaterra refutaron la idea del CALDO QUE SE CALDO QUE SE TRANSFORMA EN TRANSFORMA EN MICROORGANISMOS.MICROORGANISMOS.
• En 1920 y 1930, Alexander OparinAlexander Oparin en Rusia y John B.S. HaldaneJohn B.S. Haldane en Inglaterra advirtieron que la atmósfera rica en oxígeno no habría permitido la formación espontánea de las complejas moléculas orgánicas necesarias para la vida.
¿Cómo comenzó la vida?
EVOLUCIÓN PREBIÓTICA
PRÁCTICAMENTE NO HABÍA OXÍGENO LIBRE
HACE 4600 MILLONES DE AÑOS
Las rocas de la Tierra se Las rocas de la Tierra se fundieron, y los fundieron, y los
elementos más pesados elementos más pesados como el hierro y el níquel, como el hierro y el níquel,
se hundieron hacia el se hundieron hacia el centro del planetacentro del planeta
La energía cinética de los meteoritos se convertía en calor.
Poco a poco la tierra se enfrió y Poco a poco la tierra se enfrió y los elementos se combinaron los elementos se combinaron formando diferentesformando diferentes compuestoscompuestos
• Casi todo el oxígeno se combinó con hidrógeno para formar aguaformar agua, con carbono para formar bióxido de carbonobióxido de carbono, o con elementos más pesados para formar minerales.formar minerales.
• Luego de millones de años, la tierra se enfrió lo suficiente para permitir la existencia de agua agua líquidalíquida.
• En la superficie, el agua disolvió muchos agua disolvió muchos mineralesminerales y formó un océano saladoocéano salado.
La atmósfera y el clima primitivos gobernaron la
evolución prebiótica
Se sintetizan moléculas orgánicas espontáneamente en condiciones prebióticas
En 1953, Stanley Miller, y otros investigadores produjeron produjeron aminoácidos, proteínas aminoácidos, proteínas
cortas, nucleótidos, cortas, nucleótidos, trifosfato de adenosina, trifosfato de adenosina,
y otras moléculas características de los seres vivos en experimentos de
laboratorio.Aparecieron moléculas
orgánicas al cabo de unos días
Which organiccompounds could have occurred on theprebiotic earth?
Cold Soring Harb.Symp. Quant. Biol.52, 17-27
Miller, SL, 1987.
Las condiciones prebióticas habrían permitido la
acumulación de moléculas orgánicasHabría habido un “caldo primigenio”“caldo primigenio” dónde se habría generado
una mayor concentración de sustanciasmayor concentración de sustancias,.
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
ORIGEN DE LA VIDA
¿Fue el ARN la primera molécula autorreproductora?
• En la década de 19801980, Thomas Cech y Sidney Altman descubrieron que el ARN, puede ARN, puede actuar como enzimas que catalizan reacciones celulares, entre ellas, la síntesis de más
moléculas de ARN.
• Parece inevitable que, en cientos de millones de años los los nucleótidos de ARN hayan formado cadenas cortas de nucleótidos de ARN hayan formado cadenas cortas de
ARN, algunas de las cuales se convertirían en ARN, algunas de las cuales se convertirían en ribozimas,ribozimas, que evolucionaron en rapidez y exactitud de
replicación.
Traducción
ADN
ARN
PROTEINAS
Replicación
Transcripción Transcripción reversa
La transición al moderno mecanismo de “ADN---ARN---Proteína” debió haber requerido una
serie compleja de etapas intermedias.serie compleja de etapas intermedias.
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN ARN Proteína
• Formación de protocélulas
ORIGEN DE LA VIDA
Las protocélulas pudieron haber consistido en ribozimas encerradas en microesferas
• Los químicos han demostrado que si se agita agua que agua que contenga proteínas y contenga proteínas y lípidoslípidos a modo de simular las olas que golpeaban contra las antiguas costas, se forman estructuras huecas llamadas microesferas.
• Las microesferas se microesferas se asemejan a las células asemejan a las células vivasvivas:– Tienen una membrana
similar a la membrana celular.
– Absorben material de la solución.
– Crecen.– Se dividen.
Protocélula• Si una microesfera microesfera
hubiera encerrado hubiera encerrado ribozimasribozimas, se habría formado algo parecido a una célula viva, a la que se llamaría protocélula.
• Dentro se habrían producido proteínas, y por difusión por difusión habrían entrado habrían entrado nucleótidos y nucleótidos y aminoácidosaminoácidos necesarios para sintetizar nuevos ARN y proteínas.
• Cuando la microesferamicroesfera creció lo suficiente, pudo haberse divididodividido, dando casi fin al camino hacia la evolución de las primeras primeras célulascélulas.
Pero, ¿acaso sucedió todo eso?
Los investigadores discrepan en si la vida surgió en:
• Aguas estancadas.• El mar.• Películas de humedad
sobre la superficie de trozos de arcilla o de pirita de hierro.
• Respiraderos muy calientes de las profundidades marinas.
• El espacio y luego llegó a la tierra.
¿Cómo eran los primeros organismos?
Árbol del dominio Bacteria
AntiguasAntiguashipertermófilashipertermófilas
LOS PRIMEROS 500 AÑOS DE VIDA
progenote
Los primeros organismos eran procariotas anaerobios
• Las primeras células eran procariotas:– Su material genético NONO
estaba separado del resto de la célula y encerrado en un núcleo envuelto en una membrana.
– Eran heterótrofosheterótrofos. Obtenían nutrimentos y energía probablemente absorbiendo moléculas orgánicas de su entorno.
– Su metabolismo era anaerobioanaerobio
Hoy las podemos encontrar.....
La Travertina es carbonato de calcio precipitado por las hipertermófilas en los manantiales cálidos (a más de 80ºC
solo es debido a bacterias) del Parque Nacional de Yellowstone, USA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN ARN Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos)
ORIGEN DE LA VIDA
La vida comenzó
durante la era precámbricaLos organismos fósiles Los organismos fósiles
más antiguos más antiguos encontrados hasta encontrados hasta
ahora están en ahora están en rocas rocas
precámbricasprecámbricas de de 3400 millones de 3400 millones de
años de antigüedad. años de antigüedad. Los rastros químicos Los rastros químicos
de rocas más de rocas más antiguas han antiguas han
inducido a algunos inducido a algunos paleontólogos a paleontólogos a
pensar que la vida pensar que la vida es aún más antigua: es aún más antigua:
quizá hasta 3900 quizá hasta 3900 millones de años.millones de años.
ROCAS SEDIMENTARIAS PRODUCIDAS POR CIANOBACTERIASCIANOBACTERIAS....
PRIMEROS FÓSILES DE VIDA SOBRE LA TIERRA...
ARRECIFES DE ARRECIFES DE ESTROMATOLITOS FÓSILESESTROMATOLITOS FÓSILES
Actualmente se siguen formandoen algunos sitios del planeta:
•Costa oeste de Australia•Bahamas•Mar Rojo
•Lagoa Salgada (RJ) en Brasil•Salar de Llamara en Chile
Árbol del dominio Bacteria
PRIMEROS FOSILES DE VIDA EN LA TIERRA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN ARN Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos)
• Organismos fotosintetizadores
ORIGEN DE LA VIDA
• Al multiplicarse estas bacterias ancestrales consumieron las moléculas orgánicas sintetizadas prebióticamente.
• Sin embargo, el CO2 y el H2O eran abundantes al igual que la energía solar.
• Entonces, lo que faltaba eran moléculas energéticas, es decir, en las que se ha almacenado energía en enlaces energía en enlaces químicosquímicos.
Algunos organismos adquirieron la capacidad de
capturar energía solar• Con el tiempo, algunas
células adquirieron la capacidad de usar la energía solar para sintetizar moléculas complejas de alta energía a partir de moléculas más simples (fotosíntesis).
• Como la fotosíntesis necesita una fuente de hidrógeno, las primeras bacterias fotosintéticas probablemente usaron sulfuro de hidrógenosulfuro de hidrógeno, y luego cuando éste se agotó, debieron comenzar a usar aguaagua......PREVALECÍA LA FOTOSÍNTESIS BACTERIANA.....
• La fotosíntesis introdujo cantidades importantes de OO2 2
libre en la atmósfera por primera vezlibre en la atmósfera por primera vez.• Al principio el OO22 se consumía rápidamente en se consumía rápidamente en
reacciones con otras moléculasreacciones con otras moléculas de la atmósfera y la corteza terrestre (Fe).
• Cuando todo el Fe accesible se transformó en herrumbre, la concentración de OO2 2 libre comenzó a aumentarlibre comenzó a aumentar (hace 2200 millones de años-cianobacterias).
• Los niveles de O2 atmosférico aumentaron hasta alcanzar un nivel estable hace 1500 millones de añoshace 1500 millones de años, y se mantiene casi constante hasta ahora.
CO2 + H2O ----------- CH2O (azúcar) +O2
LUZLUZ
2H2H22SS + CO2-------- CH2O (azúcar) +2S + H2O
FOTOAUTÓTROFOS Y QUIMIOAUTÓTROFOS
Árbol del dominio Bacteria
PRIMEROS AUTÓTROFOSPRIMEROS AUTÓTROFOS
El metabolismo aeróbico surgió en respuesta a la crisis de
oxígeno• La acumulación de oxígeno en la
atmósfera de la tierra primitiva PRODUJO PRODUJO LA PRIMERA EXTINCIÓN MASIVA LA PRIMERA EXTINCIÓN MASIVA SOBRE LA TIERRA SOBRE LA TIERRA y fomentó la evolución de mecanismos celulares para contrarrestar su toxicidad.
• La crisis de oxígeno también creó la presión ambiental para que las bacterias las bacterias adquieran la aptitud de utilizar adquieran la aptitud de utilizar oxígeno en el metabolismo.oxígeno en el metabolismo.
• Esto dio a las células aerobias una importante ventaja selectivaventaja selectiva.
¿POR QUÉ?
Metabolismo energético
FERMENTACIÓNFERMENTACIÓNCH2O (azúcar) ----------- Alcohol + CO2 +
ATP o ácido
RESPIRACIÓNRESPIRACIÓNCH2O (azúcar) + O2 ----------- CO2+ H2O+
ATP
32-3432-34 ATP ATP
2 ATP2 ATP
2 ATP2 ATP
MITOCONDRIA
CITOPLASMA
Árbol del dominio Bacteria
RESPIRACIÓN AERÓBICARESPIRACIÓN AERÓBICA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN ARN Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos)
• Organismos fotosintetizadores
• Origen de eucariotas: teoría endosimbiótica
ORIGEN DE LA VIDA
La hipótesis de los La hipótesis de los endosimbiotasendosimbiotas,defendida ,defendida
principalmente por Lynn Margulis, principalmente por Lynn Margulis, de la Universidad de de la Universidad de
Massachusetts, propone que las Massachusetts, propone que las células primitivascélulas primitivas se hicieron de se hicieron de
los precursores de las los precursores de las mitocondrias y los cloroplastos mitocondrias y los cloroplastos englobando ciertos tipos de englobando ciertos tipos de
bacteriasbacterias (protobacteria aerobia (protobacteria aerobia y cianobacteria, y cianobacteria,
respectivamente).respectivamente).
Teoría Endosimbiótica
Están encargados de suministrar la mayor parte de la energía
necesaria para la actividad celular; Sintetizan ATP por medio
de la fosforilación oxidativa.
Las mitocondrias y los cloroplastos pudieron haber surgido a partir de
bacterias englobadas
MITOCONDRIAS VISTAS AL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN
Microsporidia y Giardia: carecen de mitocondria, son parásitos obligados, tienen genoma un poco mayor que los procariotas.
La amiba La amiba Pelomyxa palustrisPelomyxa palustris carece de mitocondrias, carece de mitocondrias,
pero alberga unapero alberga una población permanente depoblación permanente de
bacterias aerobias bacterias aerobias que desempeñanque desempeñan
un papel muy similar. un papel muy similar.
El origen del núcleo es más enigmático
• Una posibilidad es que la membrana plasmática se haya plegado hacia adentro para rodear el ADN.
• Otra hipótesis es que surgió como resultado de una endosimbiosis.
• Cualquiera que haya sido el origen del núcleo, el hecho de tener el ADN dentro de él, parece haber conferido conferido grandes ventajasgrandes ventajas, quizá al permitir una regulación más fina del material genético.