1MICROBIOLOGIA GENERALCURSO 2009

TEMA: Introduccin a la Microbiologa.

DOCENTE: Dra. Nora InBibliografa recomendada:

Brock Biologa de los Microorganismos de Madigan, Martiniko y Parke, 10a edicin (PEARSON, Prentice Hall).

Bioqumica de Stryer, Berg y Tymoczko, 5ta edicin (Editorial Revert)

Microbiology de Prescott, Harley y Klein 7ma edicin (McGraw-Hill).

Sitio web recomendado: http://www.ugr.es/local/eianez

2Microbiologa

Es el estudio de los microorganismos Como ciencia bsica permite conocer los

procesos vitales en sistemas simples. Como ciencia aplicada permite solucionar

problemas prcticos, por ej. en medicina, agricultura, industria, etc.

3Caractersticas de la clula

Las clulas microbianas son distintas a las clulas de animales o de plantas.

Crecen, se multiplican, generan energa. A diferencia de las clulas de animales o

de plantas, las clulas microbianas pueden vivir en forma aislada de otras clulas.

4a y b: organismos pluricelulares, compuestos por muchos tejidos que forman rganos;

c y d: microorganismos. (c) bacterias rojas, (d) cianobacterias.

5La microbiologa estudia

Las clulas vivas: como trabajan y como existen en vida libre.

La diversidad de los microorganismos. Como evolucionan. Los distintos procesos que llevan a cabo.

6La microbiologa es una ciencia biolgica

Como ciencia bsica es la herramienta mas simple para el estudio de procesos vitales.

Como ciencia aplicada se puede utilizar en distintos campos: para el estudio de la produccin animal; fertilidad de la tierra; enfermedades humanas, de animales y de plantas; procesos biotecnolgicos o Biotecnologa, etc.

7Los microorganismos como clulas

Es la unidad fundamental de la vida. Posee membrana celular y en algunos

casos pared. En el citoplasma se encuentran sustancias

qumicas, estructuras subcelulares y una regin nuclear o ncleo.

Las clulas contienen protenas, cidos nucleicos, lpidos y polisacridos

8Ancestro comn

Se piensa que todas las clulas provienen de un ancestro comn o ancestro universal que a lo largo de millones de aos de evolucin ha dado lugar a la gran diversidad observada hoy en da.

9Localizacin de las macromolculas en la clula

a) Las protenas se encuentran en toda la clula formando parte de estructuras celulares y de las enzimas. b) cidos nucleicos. El DNA (verde) se encuentra en el nucleoide de las clulas procariticas y en el ncleo de las clulas eucariticas. El RNA (naranja) se encuentra en el citoplasma (mRNA y tRNA) y en los ribosomas (rRNA). (c) Los polisacridos (amarillo) se localizan en la pared celular y, en ocasiones, en grnulos de reserva internos. (d) Los lpidos (azul) se localizan en la membrana citoplasmtica, la pared celular y en grnulos de reserva.

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Peso seco de una clula en crecimiento de Escherichia coliaproximadamente 2,8 x 10-13 g

Peso total (70 % agua) = 9,5 x 10-13 g

El 96% del peso seco de una clula es debido a las macromolculas y, dentro de estas , las protenas son las ms abundantes. Las protenas se encuentran por toda la clula y tienen funciones estructurales y catalticas. Le sigue el cido ribonucleico (RNA) presente en los ribosomas (junto con las protenas), RNA mensajero y de transferencia.

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Las clulas tienen estructura y tamao definidos. Sufren cambios continuamente sustituyendo cada una de sus partes. Son unidades dinmicas. Son sistemas abiertos que cambian continuamente pero

que a la vez permanecen dentro de ciertos lmites.

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Caractersticas de una clula

Metabolismo Reproduccin Diferenciacin Comunicacin Movimiento Evolucin

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Caractersticas de los sistemas vivos

1- Metabolismo. Toman sustancias qumicas del medio y las transforman, conservan parte de la energa de dichas sustancias de modo que las clulas puedan usarla, y luego eliminan los productos de desecho. La clula es por lo tanto un sistema abierto.

2- Reproduccin. Poseen la capacidad de autoduplicarse es decir dirigir una serie de reacciones qumicas que conducen a su propia sntesis.

Como resultado de los procesos metablicos, una clula crece y se divide para formar dos clulas.

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3- Diferenciacin. Proceso por el cual se forman nuevas sustancias o estructuras. A menudo forma parte de un ciclo de vida en el cual la clulas forman estructuras especiales relacionadas con la reproduccin, la dispersin o la supervivencia.

4- Comunicacin. Las clulas responden a seales qumicas en su medio ambiente, tales como las producidas por otras clulas. Pueden comunicarse por medio de pequeas molculas (como la AHL o lactona de homoserina acilada), que se difunden y pasan entre clulas vecinas.

Existen vias regulatorias que responden a densidad de poblacin o Quorumsensing (percepcion en quorum).

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5- Movimiento. Algunos organismos vivos son capaces de moverse por autopropulsin. Hay diferentes mecanismos responsables de la movilidad en el mundo microbiano.

6- Evolucin. A diferencia de las estructuras inertes, las clulas pueden evolucionar. A travs del proceso de evolucin las clulas pueden cambiar permanentemente sus caractersticas y transmitir las nuevas propiedades a su descendencia.

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Las clulas como mquinas y como sistemas codificados

- Como mquinas qumicas: llevan a cabo transformaciones qumicas. Convierten energa de una forma a otra, rompen molculas, construyen molculas. Las fuerzas conductoras son las enzimas o catalizadores que son protenas capaces de acelerar la velocidad de reacciones qumicas especficas.

- Como sistemas codificados: son anlogos a las computadoras, que guardan y procesan la informacin gentica (DNA) que pasa finalmente a la descendencia durante la reproduccin.El enlace entre estos dos atributos es el crecimiento, el cual debe estar coordinado y regulado para lograr que una clula se reproduzca con fidelidad.

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Las clulas como dispositivos de codificacin procesan la informacin que se transmite a su descendencia o se traduce de otra forma.

Funcin codificante:

transcripcin traduccin

DNA RNA Protena

La clula es un depsito de informacin de secuencias de protenas almacenadas en forma codificada. El cdigo es el cdigo gentico almacenado en el DNADNA: secuencia de nucletidos.

Cada aminocido de una protena est codificada por una secuencia de tres base o triplete. A pesar de la diferencia en la frecuencia del uso de un determinado codn para codificar por un aminocido determinado, el cdigo gentico, con unas pocas excepciones, es el mismo para todos los organismos.

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Sntesis de tres tipos de molculas informacionales

En todas las clulas los genes estn compuestos de cido desoxirribonucleico (DNA). La informacin guardada en el DNA codifica la secuencia de una protena, y lo hace a travs de una molcula intermediaria, el cido ribonucleico (RNA). La transferencia de la informacin al RNA se denomina transcripcin, y la molcula de RNA que lleva la informacin que codifica una protena se denomina RNAmensajero (mRNA). Algunas regiones del DNA que se transcribe codifican tambin para otros tipos de RNA, tales como el RNA de transferencia (tRNA) y RNA ribosmico (rRNA). Gen es entonces un segmento de DNA que codifica para una protena, un rRNA o un tRNA.

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Traduccin. La secuencia especfica de aminocidos en cada protena est determinada por una secuencia especfica de bases en el mRNA. Existe una correspondencia lineal entre la secuencia de bases de un gen y la secuencia de aminocidos de un polipptido. Se necesitan tres bases del mRNA para codificar un solo aminocido y cada uno de estos tripletes se denomina codn. Este cdigo gentico se traduce a protena por medio de la maquinaria para la sntesis de protenas. Este sistema consta de ribosomas (compuestos a su vez de protenas y rRNA), tRNA y varias enzimas. La transferencia de informacin de cido nucleico a protena es unidireccional; la secuencia de la protena no indica la secuencia del cido nucleico. Esta transferencia unidireccional de la informacin se conoce como dogma central de la biologa porque es compartida por todas las formas de vida de nuestro planeta.

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El cdigo gentico consiste de 64 codones. Tres de esos codones son reservados para stops, y uno (AUG) es reservado para iniciacin. Hay un solo codon (UGG) para el amino cido triptofano. Para el resto de los amino cidos hay al menos 2, usualmente 4 y algunas veces 6. Por ejemplo hay 6 codones (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA y CUG) para el aminocido leucina.

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Cdigo gentico y frecuencia de uso en Escherichia coli y en humanos. Los distintos codones que codifinan para un mismo aminocidos no son usados por los diferentes organismos con la misma frecuencia. De los 4 codones para glicina, GGA es usado 26% del tiempo por genes estructurales humanos y aproximadamente 9% del tiempo para las protenas codificadas por genes de la bacteria E. coli. Lo mismo ocurre con el uso de los codonesstop.

Codon Amino cido Frecuencia de uso

E. coli humanos

GGA glicina 0,09 0,26

UGA stop 0,30 0,61

UAG stop 0,09 0,17

UAA stop 0,62 0,22

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REPASO

cidos nucleicos

DNA y RNA o cidos nucleicos son polinucletidos. Son macromolculas formadas por monmeros llamados nucletidos. Un nucletido se compone de tres unidades: un azcar de 5 tomos de carbono, la ribosa (en el RNA) y la desoxiribosa (en el DNA), una base nitrogenada y una molcula de fosfato, PO43-.

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Estructura bsica de un nucletido. Se muestra un ribonucletido en el RNA. Los deoxiribonucletidos, en el DNA , tienen un tomo de H en lugar de un grupo OH en el carbono 2. Tanto los desoxiribonucletidoscomo los ribonucletidos tienen un grupo fosfato en la posicin 5.

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Nucletidos

Las bases nitrogenadas presentes en los cidos nucleicos pertenecen a dos clases. Las bases puricas, adenina y guanina, contienen dos anillos heterocclicos fusionados (que contienen ms de un tipo de tomo), mientras que las bases pirimidnicas, timina, citosina y uracilo, contienen un nico anillo heterocclico de seis elementos (que tiene ms de una clase de tomos). Mientras que la guanina, adenina y citosina se encuentra tanto en el DNA como en el RNA, la timina se presenta (salvo raras excepciones) slo en el DNA y el uracilo slo en el RNA. En un nucletido, una base se une a una pentosa por enlace glicosdico entre el tomo de C1 del azcar y el tomo de N1 (en bases pirimidnicas) o el N9 (en bases pricas). Una base unida al azcar, sin el fosfato se denomina nuclesido. Por lo tanto, los nucletidos son nuclesidos que contienen uno o ms grupos de fosfato.

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Bases pirimidnicas y bases pricas

Estructura de las bases del DNA y del RNA. No se indica el uracilo (U), pero su estructura es la misma que la de la timina, excepto que carece del grupo metileno en el carbono 5. Para establecer la unin de la base al carbono 1del azucar fosfato, las bases pirimidnicas lo hacen a travs del N-1 del anillo y las bases pricas mediante el N-9 del anillo.

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Componentes del trifosfato de adenosina.

Los nucletidos, en especial el trifosfato de adenosina o adenosina trifosfaro (ATP) acta como fuente de energa qumica liberando, mediante la ruptura de un enlace fosfato, suficiente energa como para suministrar la requerida para muchas reacciones celulares.

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Estructura parcial de una molcula de DNA. Las bases pueden ser adenina, guanina, citosina o timina.

El esqueleto de un cido nucleico es un polmero en el que alternan molculas de azcar y de fosfato. Los nucletidos estn unidos covalentemente por medio de un fosfato entre el C 3 de un azcar y el C 5de otro azcar adyacente. Esta unin es un enlace fosfodiester ya que un mismo fosfato se une por enlace ster a dos azcares separados.

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Estructura simplificada del DNA y del RNA donde solo se muestranlas bases nitrogenadas

b) En el DNA las 2 cadenas de DNA son complementarias en su secuencia de bases y estn unidas por puentes de hidrgeno.

c) En el RNA se muestra en (i) solo la estructura primaria y en (ii) una secuencia que permite una estructura secundaria.

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Apareamiento especfico entre la adenina (A) y la timina (T) y entre la guanina (G) y la citosina (C) mediante puentes de hidrgeno. Estos dos pares de bases son los tpicos de los DNA bicatenarios. Los tomos que se encuentran en el surco principal de la doble hlice y que interactan con las protenas se resaltan en rojo. Tambin se indican los esqueletos de desoxirribosa fosfato de las dos cadenas del DNA

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El DNA sufre dos transformaciones principales: replicacin y transcripcin traduccin.

El aparato de traduccin es una maquinaria muy compleja y es el centro mismo de la funcin celular. Es el atributo central y fundamental de la clula. Con pequeas variaciones es prcticamente el mismo en todos los organismos. Ha sido probablemente una adquisicin muy temprana en la historia de la Tierra y se ha mantenido sin grandes variaciones hasta ahora. Durante el crecimiento celular y divisin debe haber una duplicacin del cdigo gentico. La fidelidad de la copia debe ser muy alta. Los errores suelen dar mutaciones. En general son perjudiciales. En raros casos son beneficiosas y dan una ventaja selectiva permitiendo, si el medio ambiente es adecuado, una seleccin natural. Esto forma parte del proceso de evolucin

Teora de Darwin: mutacin seleccin evolucin

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La evolucin necesita reproduccin, variacin y presin selectiva

El proceso evolutivo. Hay varios principios bsicos comunes a los sistemas en evolucin, tanto si son simples colecciones de molculas como poblaciones de organismos en competicin.

1- La propiedad fundamental de los sistemas en evolucin es su capacidad para replicarse o reproducirse. Sin su capacidad de reproducirse, cada especie molecular que pueda aparecer estcondenada a su extincin, tan pronto las molculas individuales se degraden. Las molculas capaces de replicarse seguirn representadas en la poblacin, incluso si el tiempo de vida de cada molcula individual sigue siendo corto.

2- El segundo principio fundamental de la evolucin es la variacin. Los sistemas que se replican deben sufrir cambios. Si un sistema se replica siempre perfectamente, la molcula replicada ser igual a las molculas progenitoras y la evolucin no podr tener lugar.

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3- El tercer principio bsico de la evolucin es la competicin. Las molculas que se replican compiten entre s por los recursos disponibles, tales como los precursores qumicos, y la competicin permite que ocurra el proceso biolgico de la evolucin por la seleccin natural. La variacin producir distintas poblaciones de molculas. Algunas de las variantes que surjan pueden estar, por casualidad, mejor adaptadas que las molculas progenitoras para sobrevivir y replicarse en las condiciones predominantes. Las condiciones predominantes ejercen una presin selectiva que proporciona una ventaja a una de las variantes. Estas molculas que son ms capaces de sobrevivir y replicarse, aumentarn en concentracin relativa. Por tanto surgen nuevas molculas que son ms capaces de replicarse en las condiciones de su entorno. El mismo principio es vlido para los organismos actuales. Los organismos se reproducen, presentan variaciones entre organismos individuales y compiten por los recursos; las variantes con ventajas evolutivas se reproducirn con ms xito.

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El proceso molecular en clulas incluye las replicacin de la informacin gentica (que lleva a la divisin celular) y la produccin de protenas a travs de los procesos de transcripcin y traduccin

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Fidelidad de la replicacin del DNA y fenmeno de mutacin

La parte de arriba de la figura muestra un evento de replicacin normal; la parte de debajo de la figura esquematiza la introduccin de una mutacin

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Si la doble hlice de DNA se abre, puede sintetizarse una nueva cadena complementaria de cada una de las cadenas parentales. La replicacin del DNA es un proceso semiconservativo por lo cual cada una de las dobles hlices nuevas contiene una cadena nueva y una vieja. La molcula de DNA que es copiada para formar una complementaria se llama molde. La nueva molcula de DNA no est covalentementeconectada con la vieja cadena de DNA.

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El precursor de cada nucletido nuevo en la cadena de DNA es un nucletido 5-trifosfato del cual se eliminan los dos fosfatos terminales y el fosfato interno se une covalentemente al OH 3 libre de la ribosa de la cadena creciente. Esta restriccin qumica impone que: la replicacin del DNA siempre ocurre desde el extremo 5 al hidroxilo del extremo 3, unindose el fosfato 5 de cada nucletido nuevo que se incorpora al hidroxilo 3 del nucletido aadido previamente. Las enzimas que catalizan la adicin de nucletidos se denominan DNA polimerasas. Todas las DNA polimerasas sintetizan el nuevo DNA en la direccin 53. No se conoce ninguna polimerasa que pueda iniciar una cadena. Todas estas enzimas pueden nicamente aadir un nucletido a un 3-OH preexistente.

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Estructura del complejo RNA-DNA que se forma al iniciar la sntesis del DNA.Cuando la doble hlice se abre al comienzo de la replicacin, primero acta una enzima que polimeriza RNA, lo que da como resultado la sntesis de este RNA iniciador. Una enzima especfica que polimeriza RNA, llamada primasa, participa en la sntesis del iniciador, sintetizando un fragmento corto de RNA. En el extremo creciente de este RNA iniciador, existe un grupo 3-OH al cual la DNA polimerasaaade el primer desoxirribonucletido. Por lo tanto, la subsecuente elongacin de la molcula se produce como DNA y no como RNA. De esta manera la nueva molcula sintetizada tiene una estructura como la representada en la figura. El iniciador puede ser eventualmente eliminado.

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Reproduccin de una clula. Para que una clula se reproduzca debe disponer de un suministro adecuado de energa y de precursores para la sntesis de nuevas macromolculas, el material gentico debe duplicarse para que durante la divisin celular cada clula reciba una copia. Los genes deben expresarse (mediante los procesos de transcripcin y traduccin) para formar las cantidades requeridas de protenas y macromolculas necesarias para hacer la nueva clula.

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Resumiendo-Una clula no est en equilibrio con su entorno

- Es un sistema abierto que toma energa la cual utiliza en parte para mantener su propia estructura.

-Si se destruye su estructura, la clula muere.

-La estructura celular es la base de la funcin celular.

-Las clulas se autoduplican. Las clulas reproducen las clulas.

-Si la reproduccin es correcta se origina una clula viva.

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La composicin qumica promedio de una clula viva es muy distinta a la de la Tierra. Los elementos clave como por ej C, H, O, N, P y S son mucho mas abundantes en los organismos vivos que en la materia no viva como por ejemplo la corteza de la tierra.

La clula es un sistema qumico selectivo compuesto principalmente de C, H, O, N, P y S, (los elementos principales de la vida).

Esto enfatiza la naturaleza especial y no al azar de una clula viviente.

El origen de la vida

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Diferencias qumicas entre un organismo vivo y la Tierra

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Segn el famoso patlogo celular alemn Rudolph Virchow: Omnis cellula e cellula que quiere decir: Toda clula proviene de una clula.

La pregunta es entonces De donde proviene la primera clula?Se piensa que proviene de una estructura pro-celular

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En 1920 Oparin en la Unin Sovitica y Haldane en Inglaterra sugirieron que hubo un perodo de evolucin qumica prebitica antes de la aparicin de la primera clula

Accin de la luz UV

Rayos

Calor volcnico

Superficies inorgnicas (catalizadores)

Concentracin por perodos de congelamiento o ciclos de desecacin

Diversos compuestos orgnicos.

Polimerizacin de estos caldos.

Catalizadores proteicos.

Confinamiento de un sistema autocataltico en una clula rodeada por una membrana.

Evolucin desarrollando vas biosintticas.

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El planeta Tierra tiene aproximadamente 4.500 millones de aos. Hay evidencias fsiles de que organismos que se asemejan morfolgicamente a las bacterias modernas, existieron hace ya 3.500 millones de aos. A partir de resultados de estudios programados y de descubrimientos accidentales se ha podido construir una va evolutiva hipottica, pero plausible, desde el mundo prebitico hasta el presente. Podemos imaginar que distintas etapas llevaron a la aparicin de las especies vivas modernas.

1ra etapa. Produccin inicial de algunas de las molculas claves de la vida (cidos nucleicos, protenas, hidratos de carbono y lpidos) mediante procesos no biolgicos.

2da etapa. Transicin de la bioqumica prebitica a sistemas capaces de replicarse. Con el paso del tiempo estos sistemas se hicieron cada vez ms complejos, permitiendo la formacin de las clulas vivas.

Bioqumica prebitica sistemas capaces de replicarse clula

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3ra etapa. Evolucionaron los mecanismos para convertir la energa de las fuentes qumicas y del Sol en formas que pudieran ser utilizadas para dirigir las reacciones qumicas. Estos procesos de conversin de energa estn interconectados con las vas para sintetizar los componentes de los cidos nucleicos, las protenas y otras sustancias clave, a partir de molculas ms sencillas. Con el perfeccionamiento de los procesos de transformacin de la energa y de las vas de biosntesis se desarrollaron una gran variedad de organismos unicelulares.

4ta etapa. Evolucin de los mecanismos que permitan a las clulas ajustar su bioqumica a entornos diferentes y, a menudo cambiantes. Organismos con estas capacidades pudieron formar colonias compuestas por grupos de clulas capaces de interaccionar y algunos finalmente evolucionaron hacia organismos pluricelularescomplejos.Organismos clulas capaces de interaccionar organismos complejos

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Sealamos que la vida apareci aproximadamente 1000 millones de aos despus de la formacin de la Tierra. Pero antes de que la vida pudiese existir fue necesario que otro proceso fundamental tuviese lugar. Esto es, la sntesis de molculas orgnicas, necesarias para los sistemas vivos, a partir de molculas sencillas presentes en el entorno.

Muchos componentes de las macromolculas bioqumicas se pueden producir en reacciones prebiticas sencillas.

Entre las distintas teoras que compiten para explicar las condiciones del mundo prebitico, ninguna es totalmente satisfactoria o est libre de interrogantes. Una teora sostiene que la primera atmsfera de la Tierra era muy reductora, rica en metano, amonaco, agua, e hidrgeno y que esta atmsfera estaba sometida a grandes cantidades de radiacin solar y relmpagos. De momento supondremos que esas condiciones fueron las de la Tierra prebitica. Se pueden sintetizar molculas complejas en esas condiciones?

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H20 agua

NH3 amonaco

CH4 metano

H2 hidrgeno

aminocidoschispas elctricas

En los aos 50, Stanley Miller y Harold Urey elaboraron una respuesta a esta pregunta. Hicieron saltar una descarga elctrica, simulando relmpagos, a travs de una mezcla de metano, amonaco, agua e hidrgeno. Asombrosamente, estos experimentos dieron una mezcla de compuestos orgnicos muy determinada, que inclua aminocidos y otras sustancias fundamentales para la bioqumica.

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El proceso produce los aminocidos glicina y alanina con un rendimiento aproximado del 2% y pequeas cantidades de cido glutmico y leucina.

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El cido cianhdrico (HCN), otro componente probable de la atmsfera primitiva, se condensa al exponerse al calor o a la luz para producir adenina, una de las cuatro bases de los cidos nucleicos. Otras molculas sencillas se combinan para formar el resto de las bases. Una gran cantidad de azcares, incluyendo la ribosa, se pueden formar a partir del formaldehido en condiciones prebiticas.

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Cul fue el origen de la informacin gentica?

Cmo se origin el cdigo gentico?, es decir la posibilidad de almacenar informacin que pueda ser traducida en la formacin de macromolculas.

Como un sistema primitivo de replicacin y expansin de la informacin es probable que el RNA fuese la primera macromolcula portadora de informacin combinando las funciones de catalizadores y de moldes (templados) en la misma molcula. Recientemente Cech y Altman, en forma independiente, descubrieron que ciertas molculas de RNA podan ser catalizadores eficientes. A estos RNA catalizadores se los denomin ribozimas. Las ribozimas cortan su propia cadena en lugares especficos y pueden aumentar la longitud uniendo los extremos generados en dichos cortes.

El descubrimiento de las ribozimas ha sugerido la posibilidad de que las molculas de RNA catalticas pudieran haber desempeado papeles esenciales en las etapas tempranas de la evolucin de la vida.

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La capacidad cataltica de las molculas de RNA est relacionada con la posibilidad de adoptar estructuras especficas y complejas. La ribozimacabeza de martillo identificada por primera vez en un virus de plantas induce la hidrlisis de molculas de RNA determinadas en lugares especficos. La ribozima, que necesita Mg++ y otros iones para que tenga lugar la hidrlisis, forma un complejo con la molcula de RNA sustrato, que puede adoptar entonces, una conformacin reactiva.

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Finalmente el almacenamiento de informacin habra pasado a ser el DNA (compuesto mas estable y menos verstil), mediante la transcripcin inversa, mientras que la actividad cataltica habra sido asumida por las enzimas proteicas (mas flexibles y eficaces).

No existe indicio alguno de cmo podra haber sido el mecanismo elemental de traduccin previo al actual, en el cual participan mas de 100 componentes.

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Potencial gentico de una clula

Cuntos genes tiene una clula?

Escherichia coli tiene aproximadamente 4,6 millones de pares de bases (4.600 kilobases). Si un gen en promedio tiene 1.1 kb, significa que la clula tiene aproximadamente 4.300 genes, si todo el DNA codificara para protenas. Pero no todo el DNA codifica para protenas. Se estima que E. coli tiene unos 3000 genes , de los cuales 1000-2000 son expresados en algn momento particular. Las clulas eucariticas pueden tener muchos mas. Por ej la clula humana tiene 1000 veces mas DNA que la clula de E. coli y alrededor de 7 veces su nmero de genes. La mayor parte del DNA en las clulas eucariticas es no-codificante.

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Cuntas protenas hay en una clula?

Una nica clula de Escherichia coli contiene aproximadamente 1900 clases de protenas diferentes y un total de 2,4 millones de molculas de protenas individuales, algunas de ellas en gran nmero (mas de 100.000) y otras en pequeo nmero (menos de 100). La clula tiene algunos medios para controlar la expresin (transcripcin y traduccin) de sus genes y debido a esto no todos los genes son expresados en la misma extensin o al mismo tiempo. Tanto las clulas procariotas como eucariotas controlan la expresin de sus genes de modo que no todos ellos se expresan con la misma frecuencia o al mismo tiempo.

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Glosario Cromosoma: elemento gentico que lleva genes esenciales para el funcionamiento de la clula.

Citoplasma: contenido celular que se encuentra dentro de la membrana citoplasmtica, excepto el ncleo (si existe).

Genoma: el conjunto de genes de un organismo.

Nucleoide: masa total del DNA que constituye el cromosoma de las clulas procariticas.

Ncleo: una estructura rodeada por una membrana que contiene los cromosomas en clulas eucariticas.

Plsmido: un elemento gentico extracromosmico que no es necesario para el crecimiento.

Ribosoma: partcula citoplasmtica donde se realiza el proceso de la sntesis de protenas.

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Procariota: una clula que carece de un ncleo delimitado por una membrana nuclear y de otros orgnulos.

Eucariota: una clula con un ncleo delimitado por una membrana nuclear y que en general presenta otros orgnulos, como las mitocondrias o los cloroplastos que contiene su propio DNA (normalmente en disposicin circular, como en Bacteria) y sus propios ribosomas. Los organismos pertenecen al dominio Eukarya.

Filogenia: relaciones evolutivas entre organismos.

Dominio: el nivel mas elevado de la clasificacin biolgica (Bacteria, Archaea y Eukarya)

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Estructura celular y relacin estructura funcinTodas las clulas tienen una barrera llamada membrana citoplasmtica o celular que separa el interior del exterior de la clula. En el interior se encuentra el citoplasma, donde se llevan a cabo las funciones de la clula. Los principales componentes del citoplasma son: agua, macromolculas (protenas y cidos nucleicos), ribosomas, pequeas molculas orgnicas precursores de macromolculas y varios iones inorgnicos. En los ribosomas se sintetizan las protenas. Estn compuestos por cido ribonucleico (RNA) y protenas que interaccionan con protenas solubles y con el RNA mensajero. La pared celular se encuentra en el exterior, rodeando la membrana plasmtica, es relativamente permeable y otorga rigidez estructural a las clulas. Los vegetales y la mayora de los MOs poseen pared, la mayora de las clulas animales carecen de ella pero tiene un citoesqueleto.

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Clulas eucariotas y procariotas

Se pueden distinguir por un anlisis detallado de la estructura celular interna. Las clulas eucariticas son generalmente mas grandes y estructuralmente mas complejas que las procariticas presentando estructuras limitadas por membranas llamadas orgnulos. Los orgnulos comprenden el ncleo, las mitocondrias y los cloroplastos (presentes solo en las clulas fotosintticas). Las mitocondrias y los cloroplastos desempean funciones especficas en la generacin de energa, llevando a cabo la respiracin y la fotosntesis, respectivamente.

Los microorganismos eucariticos comprenden las algas, los hongos y los protozoos. Todos los metazoos (animales y plantas) estn formados por clulas eucariticas.

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Estructura interna de las clulas microbianas

a) Diagrama de un procariota

b) Diagrama de un eucariota

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Maiting: apareamiento

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Organizacin del DNA. Ncleo versus Nucleoide. Los genomas presentan una organizacin diferente en clulas procariotas y en clulas eucariotas. En procariotas, el DNA se encuentra como una molcula larga de dos cadenas formando el cromosoma bacteriano que se condensa para dar una masa visible llamada nucleoide. En la mayora de los procariotas el DNA es circular, y en general, poseen un cromosoma nico que contiene una sola copia de cada gen, por lo cual son genticamente haploides. Pueden tener tambin pequeas cantidades de DNA extracromosmico, llamados plsmidos que les confieren propiedades particulares no esenciales y en general requeridas para la supervivencia.

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En eucariotas, el DNA se encuentra dentro del ncleo organizado en cromosomas. El nmero de cromosomas depende del organismo y a diferencia de los procariotas contienen dos copias de cada gen, por lo tanto son diploides. Saccharomices cerevisiae tiene 8 pares de cromosomas, clulas humanas tiene 23 pares de cromosomas

Los cromosomas contienen, adems de DNA, protenas que favorecen el plegamiento y el empaquetamiento del DNA, ascomo protenas necesarias para la expresin gnica.Durante la divisin celular el ncleo se divide (luego de duplicarse el nmero de cromosomas) mediante el proceso de mitosis originndose 2 clulas hijas idnticas.

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Empaquetamiento de DNA alrededor de un ncleo de histonas para formar un nucleosoma.

Los nucleosomas se ordenan a lo largo de la cadena del DNA asemejando bolas en una cuerda. Esta conformacin es tpica del DNA en las clulas eucariticas.

Histonas centrales

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Caractersticas que diferencian a procariticas de los eucariticas

-Cromosoma circular nico (nucleoide), en lugar de un ncleo con mltiples cromosomas.

-Ausencia de membrana nuclear y aparato mittico.

-Ausencia de histonas verdaderas, nucleosomas.

-Ausencia de intrones en los genes que codifican protenas y escasa presencia de los mismos en los que codifican tRNA.

-La transcripcin se acopla con la traduccin. El extremo del mRNA no est poliadenilado (excepto en arqueobacteria)

-mRNA generalmente polignico.

-El ribosoma es 70S en lugar de 80S; ligeras diferencias de forma, longitud de molculas de rRNA y nmero de molculas proteicas.

-Pared celular con compuestos exclusivos (por ejemplo: cido. Murmico, D-aminocidos, frecuentemente cido diaminopimlico,..).

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-Ausencia de esteroides y fosfatidilcolina en la membrana.

-Ausencia de vesculas endocticas.

-Ausencia de retculo endoplsmico (aunque algunas bacterias autotrficas pueden presentar algunas invaginaciones de la membrana citoplasmtica).

-Ausencia de mitocondrias y otros orgnulos limitados por membranas (con algunas excepciones).

-Ausencia de triglicridos (en algunos grupos el carbono se almacena en forma de cido poli-beta-hidroxibutrico

-Movimiento por rotacin de flagelos

-Caractersticas metablicas exclusivas: fijacin de nitrgeno, respiracin anaerbica (con aceptores de electrones distintos al oxgeno), fotosntesis sin produccin de oxgeno.

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Por muchos aos se pens que los organismos procariticos carecan de un citoesqueleto que le permitiera tener un nivel de organizacin citoplasmtica similar a los organismos eucarioticos. Recientemente se han identificado los tres elementos del citoesqueleto de eucariotes(microfilamentos, filamentos intermedios y microtubulos) en Bacteria y uno de ellos en Archaea. Los elementos del citoesqueleto de Bacteriason similares estructuralmente a su contraparte en eucariotas y tienen funciones similares: los mismos participan en la divisin celular, localizan protenas en ciertos sitios de la clula y determinan la forma de la misma.

68

MreB (la contraparte en clulas eucariticas es la actina). Se observa en muchas bacterias en forma de bastn. En Bacillus subtilis es llamada Mbl. MreBforma filamentos en espiral alrededor del interior de la clula determinando la forma de la misma y ayuda a mover cromosomas a polos opuestos de la misma.

69

Mb corresponde a megapares de bases. Todos los genomas procariticos indicados han sido secuenciados. Todos los organismos del listado son unicelulares

70

a) Micrografa de clulas de bacterias

b) Seccin longitudinal de una clula bacteriana vista con microscopio electrnico.

c) Interpretacin artstica en 3 dimensiones de una bacteria Gram negativa.

71

Micrografa electrnica de una seccin de una clula del dominio Bacteria.

Helicobacterium modesticaldum

La clula mide 1x3 m. El rea clara representa el nucleoide, regin de la clula que contiene el DNA. Corte longitudinal.

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73

Ncleo

Mitocondria

Membrana citoplasmtica

Pared celular

Membrana interna

Micrografa electrnica de una clula de Saccharomycescerevisiae (Dominio Eukarya). La clula mide 8 m de dimetro

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Nucleolo

Ncleo

Mitocondria

Estructura interna de clulas microbianas

Procariote a) diagrama y b) microscopa electrnica

Eucariote c) diagrama y d) microscopa electrnica

Pared celular

citoplasmaa b

c d

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Los virus-no son clulas

-No son sistemas abiertos dinmicos

-Son estructuras estticas y muy estables

-Incapaz de cambiar o reponer estructuras por si mismos

-Necesitan de la maquinaria de la clula para replicarse y para sintetizar sus protenas

-No tienen metabolismo propio

-No tienen aparato de traduccin

-Son mucho ms pequeos que las clulas

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Tamao de los virus y estructuraa) Partculas de adenovirus (tamao 100 nm de dimetro)

b) Tamao de una partcula de virus y comparacin con bacterias y clulas animales

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Clasificacin de los organismos:-Se clasificaron primero como animales o plantas pero luego aparecieron los microorganismos.

-Se descubri luego que todos los organismos vivos se podan dividir en dos tipos celulares distintos (procariotes y eucariotes) con base en diferencias fundamentales en la estructura celular.

Todos los animales y plantas son eucariotes, como lo son tres grupos importantes de microorganismos: algas, hongos y protozoos.

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Relacin estructural no necesariamente implica relacin evolutiva. Hoy en da se utiliza un mtodo que compara la estructura del RNA ribosomal como una medida de las relaciones filogenticas o evolutivas. De estos estudios surgen tres linages celulares evolutivamente distintos, dos de los cuales son procariotes en estructura y uno es eucariote. A estos grupos se les dio el nombre de Bacteria, Archaea y Eukarya. Todos estos grupos se piensa que vienen de un ancestro comn o ancestro universal.

Relacin evolutiva entre organismos

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Los procariotas comprenden las Bacteria y las Archaea. Bacteria y Archaea comparten estructura celular, pero se diferencian mucho por su historia evolutiva o filogenia.

Por estudios de evolucin molecular en procariotas, especficamente las relaciones filogenticas deducidas luego de comparar las secuencias de macromolculas esenciales, en especial los RNAs ribosmicos, se lleg a la conclusin que Archaea y Bacteria no estn relacionadas evolutivamente. Mas an, las especies de Archaea estn ms relacionadas con los eucariotas que con las especies del dominio Bacteria. Este hecho ha sido ratificado por estudios comparativos realizados con otras macromolculas de especies de los tres dominios. Por lo tanto, la diversificacin evolutiva, a partir del ancestro comn fue en dos direcciones, hacia Bacteria y hacia otra cosa que finalmente se diversificdando origen a los dominios Archaea y Eukarya.

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rbol filogentico de la vida construido a partir de la comparacin de las secuencias del RNA ribosmico. El rbol est formado por tres dominios de organismos: Bacteria y Archaea, que presentas clulas procariticas, y Eukarya (clulas eucariticas). El grupo en rosa son macroorganismos, el resto de los organismos son microorganismos. Como todas las clulas de los animales y plantas son eucariticas, se deduce que los microorganismos eucariticos fueron los precursores de los organismospluricelulares.

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Secuenciacin del gen de RNA ribosmico y filogenia

a) Se rompen la clulas; b) se aisla el gen que codifica el RNA ribosmico y se amplifica el nmero de copias por la tcnica de PCR (reaccin en cadena de la polimerasa); c) el gen es secuenciado; d) las secuencias obtenidas se alinean por computadora; Un programa informtico realiza comparaciones por pares y genera un rbol (e) que refleja las diferencias en la secuencia del RNA ribosmico del organismo analizado. Si en el anlisis se usa una muestra natural, los genes del RNA ribosmico aislados de los diferentes organismos de una muestra deben ser clonados antes de ser amplificados y secuenciados.

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Micrografas electrnicas de secciones de clulas pertenecientes a cada uno de los tres dominios de organismos: a) Bacteria, b) Archaea y c) Eukarya.

83

estructura

Los organismos se definen por estudios de composicin gentica

comportamiento

Los microbilogos usan el sistema de nomenclatura binomial desarrollado por Linneo para plantas y animales.

Serie de organismos relacionados se le da un nombre o gnero dentro de este gnero se separan las distintas especies u organismos de diferente tipo. Por ej. Escherichia coli, Brucella abortus, Brucellamelitensis, Brucella suis, Agrobacterium tumefaciens, Agrobacteriumrhizogenes, Bacillus anthracis, Bacillus subtilis, Sinorhizobium meliloti, etc. En general, los nombres derivan del latn o griego latinizado que describen alguna propiedad tpica de la especie y se escriben en letras itlicas o cursivas. Por ej. Se han descripto ms de 100 especies diferentes del gnero Bacillus, tales como Bacillus (B.) subtilis, B.cereus y B. tearothermophilus. Estos nombres especficos significan fino, ceroso y amante del calor. En general describen las caractersticas morfolgicas, fisiolgicas o ecolgicas importantes de c/u

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Los microorganismos y sus ambientes naturales Poblacin: grupo de clulas relacionadas.

Hbitat: ambiente natural en el que vive una poblacin.

Ecologa: estudio de los organismos en sus ambientes naturales.

Comunidades: conjuntos de poblaciones que viven juntas en un mismo hbitat.

Ecosistema: es el conjunto de los organismos y de los componentes fsicos y qumicos del medio.

Interacciones entre poblaciones beneficiosas

perjudiciales

Los MOs tambin interaccionan con el medio ambiente de su hbitat y pueden modificarlo.

La comunidad en un hbitat determinado est definida en gran parte por las caractersticas fsicas y qumicas de ese medio. Estas caractersticas pueden cambiar con el tiempo debido al metabolismo propio de losorganismos. Los MOs son parte importante de los ecosistemas.

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Con el tiempo un ecosistema microbiano puede cambiar gradualmente, tanto desde el punto de vista fsico como qumico. El oxgeno es un buen ejemplo. El O2 es un nutriente vital para algunos MOs mientras que es venenoso para otros. La actividad de MOs aerbicos al consumir en algunos casos el oxgeno puede cambiar el hbitat a condiciones anxicas y permitir de este modo el desarrollo de otros organismos anaerbicos que no lo podan hacer en un primer momento.

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Ejemplos de comunidades microbianas

a) Micrografa de una comunidad bacteriana que se desarrolla en las profundidades de un lago pequeo. Se muestran clulas de varios tamaos.

b) Comunidad microbiana en una muestra de sedimentos de aguas residuales. La muestra se ti con una serie de colorantes, cada uno de ellos tie un grupo bacteriano diferente.

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La importancia de la vida microbiana

-Nmero total de clulas microbianas en la Tierra (procariotas) es aproximadamente 5x1030 clulas.

-Cantidad total de C presente aproximadamente igual al de todas las plantas de la tierra (biomasa).

Contenido de N y P, 10 veces mayor que la de toda la biomasa vegetal.

Implica que las clulas procariticas constituyen la mayor porcin de biomasa sobre la Tierra y son la reserva de nutrientes esenciales para la vida.

La mayor parte de las clulas procariticas se encuentra bajo la superficie en los ambientes ocenicos y terrestres.

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El impacto de los microorganismo sobre el hombre

Hay que conocer como trabajan los MOs para disear metodologas tendientes a aumentar los beneficios y disminuir los efectos perjudiciales .

Aunque muchos slo consideran a los MOs en el contexto de las enfermedades infecciosas, en realidad slo unos cuantos causan enfermedades. Los MOs afectan muchos aspectos de nuestras vidas, adems de ser los agentes etiolgicos de enfermedades.

Microorganismos y agricultura. Nuestros sistemas de agricultura dependen en general de las actividades microbianas como es el caso de las leguminosas que

viven en estrecha asociacin con bacterias especficas que forman estructuras llamadas ndulos en sus races donde fijan el N2 atmosfrico el cual es utilizado por las plantas para crecer.

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Los microorganismos (MOs) son tambin esenciales en el proceso digestivo de los rumiantes, como las vacas y las ovejas. En el rgano especial llamado rumen las bacterias realizan el proceso digestivo.

Los MOs desempean funciones crticas en el reciclado de elementos importantes para la nutricin vegetal, en particular del carbono, nitrgeno y azufre. En el suelo y el agua los MOs convierten estos elementos en formas asimilables por las plantas.

Los MOs tambin son causantes de enfermedades en plantas y en animales.

90

Microorganismos y alimentacin

Los productos agrcolas o los animales deben llegar a los consumidores con calidad sanitaria, de all la importancia de los MOs en la industria alimentaria. El deterioro de alimentos por la actividad de los MOs ocasiona enormes prdidas econmicas. Las industrias de enlatado, congelado y desecado de alimentos tiene por finalidad evitar esto. Tambin es importante las enfermedades que pueden ser transmitidas a travs de los alimentos.

Algunos alimentos requieren para su preparacin la actividad de determinados MOs. Este es el caso de los productos lcteos que se manufacturan, como el queso, el yogurt o la manteca. Los alimentos de panadera se elaboran usando levaduras al igual que algunas bebidas alcohlicas.

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Microorganismos, energa y medio ambiente

Los MOs desempean funciones clave en lo que respecta a la energa. La mayor parte del gas natural (metano) es un producto bacteriano, derivado de las actividades de las bacterias metanognicas. Los MOs fottrofos pueden utilizar la luz como fuente de energa para la formacin de biomasa, es decir la energa acumulada en forma de organismos vivos. La biomasa microbiana y los desechos, como la basura domstica, los excedentes de cosechas y los residuos animales, se pueden convertir en biocombustibles, como el metano y el etanol, por las actividades degradativas de los MOs. Los MOs tambin pueden ayudar para eliminar la polucin originada por las actividades humanas, un proceso que se denomina biorremediacin. Este rea est en pleno desarrollo en la actualidad.

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Los microorganismos y el futuro

El uso de MOs genticamente modificados para poder sintetizar productos especficos de alto valor comercial dio origen a la Biotecnologa. La biotecnologa depende en gran medida de la ingeniera gentica, una disciplina que trata de la manipulacin artificial de genes y de sus productos. Tambin se pueden hacer genes completamente artificiales. Una vez que se tiene el gen por sntesis o por seleccin a partir de una fuente natural, el mismo se puede insertar en un MO y se puede expresar all originando el producto gnico deseado. Este es el caso de la insulina humana, hormona que se encuentra en cantidades anormalmente bajas en sujetos con diabetes. Esta hormona se prepara hoy en da a partir del gen de la insulina humana expresado en un MO.

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Influencia de los microorganismos en las actividades humanas

94

95

Los microorganismos como agentes etiolgicos de enfermedades

Se estudi la frecuencia de las diez causas de muerte mas usuales en USA en el ao 1900 y en el ao 2000 (Datos del Centro Nacional de Estadsticas de la salud de USA ). En el ao 1900 las enfermedades infecciosas eran las principales causas de muerte en USA. Hoy en da son las minoritarias. Sin embargo los MOs pueden ser an un riesgo importante para la supervivencia por ej. en pacientes inmunodeprimidoso con SIDA. An hoy las enfermedades microbianas constituyen la principal causa de muerte en los pases subdesarrollados. La viruela se erradic, pero an continua la malaria, tuberculosis, clera, enfermedad del sueo, sndromes diarreicos severos, etc.).

Viruela. Virus; malaria. Plasmodium (parasito); tuberculosis. Mycobacteriumtuberculosis (bacteria); colera. Vibrio cholerae (bacteria); enfermedad del sueo. Trypanosoma brucei (protozooario).

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Frecuencia de las 10 causas mas importantes de muertes en los EEUU

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Conocimiento de los procesos de

infeccin

Control de Mejora de las prcticas sanitarias

enfermedades

Infecciosas Descubrimiento y uso de nuevos

agentes antimicrobianos

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FIN1ra Parte

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Races histricas de la Microbiologa

Se sospechaba que haba criaturas demasiado pequeas para ser percibidas a simple vista. El desarrollo del microscopio permiti verlas.

-1664 Robert Hooke describi los cuerpos fructferos de mohos.

-1684 Antonie van Leeuwenhoek dise un microscopio de lente simple y fue capaz de ver microorganismos tan pequeos como los procariotas. Lo comunic en la Royal Society of London.

En las figuras siguientes se muestran el microscopio utilizado por Robert Hooke, el microscopio diseado por Leeuwenhoeky dibujos de algunos organismos observados por ambos.

100

Fotografa de una copia del microscopio de Leeuwenhoek

101

Replica en bronce del microscopio de Leeuwenhoek. Se muestra tambin como se sostiene el mismo.

102

Dibujos de van Leeuwenhoek de

bacterias publicados en 1684 a las que

llam animlculos. podemos reconocer

varios tipos morfolgicos de

bacterias comunes. A, C, F y G formas

bacilares; E formas esfricas o cocos; H

grupos de cocos.

103

104

Dibujo que representa un moho azul creciendo sobre la superficie de un trozo de cuero.

Microscopio utilizado por Robert Hooke

105

Recin en el siglo XIX se cont con una amplia distribucin de microscopios mejorados.

La microbiologa como ciencia se desarroll a fines del siglo XIX con el desarrollo del microscopio y de tcnicas bsicas de laboratorio para el estudio de microorganismos.

-Microscopios mejorados

-Distintas tcnicas de tincin de microorganismos

-Esterilizacin

-Cultivos de enriquecimiento o cultivos selectivos

-Medios slidos con gel o agar

-Cajas de Petri

-Tapones de algodn

106

Preguntas bsicas que se deban contestar

1) Se da la generacin espontnea? Es decir los organismos vivos se pueden generar de materia inorgnica.

2) Se saba que las enfermedades infecciosas se transmitan de un individuo a otro, pero no se conocan los mecanismos de esa transmisin.

Las preguntas fueron contestadas por el qumico francs Louis Pasteur (1822-1895) y por el fundador de la microbiologa mdica Robert Koch (1843-1910) respectivamente.

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El botnico Ferdinand Cohn (1828-1898) fund la bacteriologa (el estudio de las bacterias). Descubri las endosporas estudiando el gnero Bacillus.

Cohn describi el ciclo de vida completo de Bacillus

clula vegetativa endospora clula vegetativa

Descubri que por ebullicin solo moran las clulas vegetativas. Cohn aport las bases experimentales para un esquema de clasificacin de bacterias y fund una revista cientfica importante. Ide mtodos simples para evitar la contaminacin de medios de cultivo estriles, como el uso de matraces y algodn para cerrar los tubos. Estos mtodos fueron utilizados posteriormente por Koch permitindole aislar y caracterizar varias bacterias causantes de enfermedades.

108

Pasteur y el fin de la generacin espontnea

Comida fresca se deja a la la comida de donde vienen

intemperie se pudre los MOs

Observacin microscpica

En A no se observan MOs

En B se observan MOs

Se originan espontneamente

Sustancia inanimada clula viva

2 hiptesis Provienen de semillas o grmenes que entran

a los alimentos provenientes del aire

(hiptesis apoyada por Pasteur)

A B

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Pasteur demostr primero que existen en el aire estructuras muy similares a las encontradas en las sustancias putrefactas.

Concluy que los microorganismos se originan a partir de MOspresentes en el aire. Postul que dichas clulas en suspensin se depositaban constantemente sobre todos los objetos. Si esto era correcto, entonces no debera estropearse un alimento tratado de tal modo que todos los organismos que lo contaminaran fueran destruidos. Pasteur emple calor para eliminar los contaminantes.

Tom un matraz de vidrio con los nutrientes, lo sell, lo calenta ebullicin y observ que nunca se descompona el medio de cultivo. Los defensores de la generacin espontnea criticaron el experimento argumentando que haca falta aire fresco y que el aire caliente se modificaba. Pasteur entonces modific el experimento utilizando un matraz de vidrio de cuello de cisne.

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Experimento de Pasteur con matraces de cuello de cisne

Esterilizacin del contenido del matraz.

111

Si el matraz se mantiene en posicin vertical no hay crecimiento microbiano

112

Si los microorganismos atrapados en el cuello alcanzan el lquido estril, crecen rpidamente.

Los principios de Pasteur se utilizaron en el envasado y conservacin de alimentos.Pasteur desarroll vacunas para enfermedades como el carbunco, el clera aviar y la rabia (1880-1890).Carbunco (Antrax), Bacillus anthracis; colera aviar, bacilo; rabia, virus).

113

Koch y la teora microbiana de las enfermedades infecciosas.

Siglo XIX

Se pensaba que una persona enferma A transmita algocontagio

persona sana B persona B enferma. Se sospechaba que los MOs podran ser los responsables de enfermedades, pero faltaban las pruebas definitivas.

MOs causa o efecto de las enfermedades?

114

La teora microbiana de las enfermedades infecciosas fue probada por el mdico Robert Koch (1843-1910).

Koch estudi el carbunco, enfermedad causada por la bacteria Bacillus anthracis formadora de endoesporas.

Sus estudios dieron origen a los postulados de Koch que demostraron que un tipo concreto de MO es el agente etiolgico de una enfermedad especfica.

Por estudios cuidadosos de microscopa demostr que:

1- La bacteria B. anthracis estaba presente en la sangre de todos los animales enfermos y no as en los sanos, pero la mera asociacin de la bacteria con la enfermedad no demostraba que la bacteria fuera la causa de la enfermedad, por el contrario, podra ser un efecto de la enfermedad.

115

Koch demostr que la enfermedad poda ser transmitida de un animal enfermo a uno sano inyectando una pequea cantidad de sangre. Esto lo poda repetir en otro ratn y as sucesivamente. En todos los casos poda demostrar por microscopa en muestras de sangre de los animales enfermos la presencia de las bacterias formadoras de esporas caractersticas.

Koch pudo adems cultivar el MO fuera del animal en caldos nutritivos e incluso luego de numerosas resiembras o transferencias de cultivo, la bacteria poda causar an la enfermedad cuando se reinoculaba a un animal. Es decir, la bacteria procedente de un animal enfermo y la mantenida en cultivo inducan los mismos sntomas de enfermedad tras su inoculacin.

Basndose en ste y en otros experimentos, Koch formul los siguientes criterios, conocidos en la actualidad como postulados de Koch para demostrar que un tipo concreto de MO es el agente etiolgico de una enfermedad.

116

Postulados de Koch

1- El organismo debe estar siempre en los animales que sufren la enfermedad y no en individuos sanos.

2- El organismo debe cultivarse en cultivo axnico o puro fuera del cuerpo del animal.

3- Cuando dicho MO se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en l los sntomas caractersticos de la enfermedad.

4- El organismo debe aislarse nuevamente de estos animales experimentales y cultivarse nuevamente en el laboratorio, tras lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el MO original.

Los postulados se resumen en la siguiente figura. Usando estos postulados como gua otros investigadores revelaron la causa de muchas enfermedades importantes para el hombre y para los animales.

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Medios slidos, la placa de Petri y los cultivos puros

Koch fue el primero que cultiv bacterias en medios de cultivo slidos. Emple gelatina como agente solidificante de diversos caldos nutritivos que usaba para cultivar bacterias patgenas.

Fue reemplazado mas tarde por el agar (polisacrido derivado de algas rojas) que es mas verstil y permite utilizar temperaturas mas elevadas de incubacin. El primer uso del agar como agente solidificante se debe a Walter Hesse. La tcnica utilizando agar fue adoptada por Koch para sus estudios clsicos sobre el aislamiento de la bacteria Mycobacterium tuberculosis, agente etiolgico de la tuberculosis.

En 1887 Richard Petri public un trabajo corto describiendo una modificacin de las tcnicas de lminas horizontales de Koch. La mejora de Petri result ser enormemente til.

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Las ventajas de las cajas de Petri:

-Fcilmente almacenadas y esterilizadas independientemente del medio.

- Luego de aadir el medio fundido a la mas pequea de las dos tapaderas circulares, la de mayor tamao poda usarse como tapa para evitar contaminaciones.

-Las colonias que se formaban en la superficie del agar quedaban expuestas al aire y podan ser fcilmente manipuladas para su estudio.

Las cajas de Petri ya sea de vidrio o de plstico son utilizadas en la actualidad y constituyen una de las principales herramientas en los laboratorios de microbiologa, junto con los microscopios, las tcnicas de tincin, los medios de enriquecimiento, los tapones de algodn, los cultivos axnicos, etc.

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Transferencia asptica (A) y Mtodo para hacer una extensin en placa para obtener cultivos axnicos o puros (B). Colonias de Micrococcus luteus cultivadas en placas de agar sangre.

A B

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Variaciones en la morfologia de una colonia vista a simple vista

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Koch observ que sobre el medio slido expuesto a contaminantes se desarrollaban colonias con formas diferentes (diferan en color, forma, tamao u otros caracteres) y que tales colonias se podan perpetuar y diferenciar entre s por sus caractersticas particulares. Las clulas de diferentes colonias diferan microscpicamente y a menudo tambin en sus temperaturas ptimas de crecimiento o en sus requerimientos nutricionales. Koch seal que toda bacteria que mantenga las caractersticas que la diferencian de otras, cuando se cultivan en el mismo medio y bajo las mismas condiciones, debera ser designada como especie, variedad, forma o cualquier otra designacin adecuada. Los trabajos de Koch permitieron que la microbiologa fuera aceptada como una ciencia biolgica independiente.

125

Koch y la tuberculosis. El mayor logro de Koch en la bacteriologa mdica est relacionado con la tuberculosis. Para aislar el agente causante de la enfermedad Koch emple todos los mtodos que se haban desarrollado previamente: microscopa, tincin de tejidos, aislamiento en cultivo puro e inoculacin en animales. Dise un mtodo de tincin en muestras de tejido usando azul de metileno alcalino y un segundo colorante (marrn de Bismark) que tea solo el tejido. El mtodo de Koch fue el precursor del mtodo de Ziehl-Nielsen usado hoy para teir bacterias cido-alcohol resistentes como el Mycobacteriumtuberculosis. Para la obtencin de cultivos de M. tuberculosisse utiliz suero de sangre coagulada. Koch pudo obtener cultivos de este MO a partir de diversas fuentes de origen humano y de animales. Con el MO aislado pudo demostrar que era el causante de la tuberculosis. Koch recibi el Premio Nobel de fisiologa y medicina en 1905.

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Dibujos de Koch de clulas de

Mycobacterium tuberculosis

a) Seccin transversal de un tubrculo en tejido pulmonar. Las clulas de Mycobacterium tuberculosis se tien en azul mientras que las del tejido pulmonar se tien en marrn.

b) Clulas de M. tuberculosis en esputo de paciente tuberculoso

c) Crecimiento en cultivo puro de M. tuberculosis en placa de vidrio con suero sanguneo coagulado.

d) Se tom una colonia de la placa anterior y se observ al microscopio a 700 aumentos. Las clulas aparecen formando largas cuerdas.

a

b

c

d

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Fotografa coloreada a mano de colonias formadas sobre agar, realizada por Walter Hesse, colaborador de Robert Koch. Las colonias corresponden a hongos (mohos) y bacterias que se obtuvieron en estudios iniciados por Hessen sobre el contenido microbiolgico del aire de Berln, Alemania en 1882.

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Diversidad microbianaEl holands Martinus Beijerinck y el ruso Sergei Winogradsky fueron microbilogos pioneros en el estudio de las bacterias del suelo y del agua y se destacaron por sus importantes contribuciones al conocimiento de la diversidad microbiana.

Beijerinck: formulacin de cultivos de enriquecimiento o cultivos selectivos para aislar microorganismos especficos relacionados fisiolgicamente a partir de muestras naturales.

Beijerinck aisl los primeros cultivos puros de muchos MOs del suelo y del agua (bacterias aerobias fijadoras de N2 como el Azotobacter, reductoras del SO4=, oxidantes del azufre, bacterias fijadoras de N2 en los ndulos radiculares, especies de Lactobacillus, algas verdes, etc).

131

Dibujo realizado por la hermana de Beijerinck mostrando clulas de Azotobacter chroococcum, bacteria aerobia fijadora de N2. Este dibujo era usado para dar clases en una poca en que no existan transparencias, diapositivas y caones de proyeccin con computadora

Azotobacter vinelandii: a) clulas vegetativas b) cistos

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Beijerinck describi los principios bsicos de la virologa. En sus estudios sobre la enfermedad del mosaico en el tabaco puso de manifiesto, mediante el uso de tcnicas de filtracin selectiva, que el agente infeccioso (un virus) no era una bacteria y que se incorporaba a las clulas de la planta y necesitaba que sta estuviera viva para reproducirse.

Winogradsky logr aislar por primera vez varias bacterias importantes del suelo, en particular las implicadas en los ciclos del nitrgeno y del azufre, por ej. Las bacteriasnitrificantes (oxidacin de NH3 a NO3-), bacterias oxidantes del azufre. Postul el concepto de quimiolitotrofa, es decir, la oxidacin de compuestos inorgnicos acoplada a la liberacin de energa utilizable. Demostr que las bacterias nitrificantes obtenan su carbono del CO2 del aire, es decir que eran auttrofos.

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Dibujos coloreados a mano de clulas de bacterias fotosintticas rojas del azufre incluidas en la monografa Microbiology du Sol, de Sergei Winogradsky.

Se muestran clulas del gnero Chromatium, como C. kenii (Fig. 3 y 4) y de C. vinosum (Fig 5-8).

Micrografa de campo claro de bacterias rojas del azufre Chromatium okenii

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FIN2da Parte

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FIN

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Subdisciplinas ms importantes de la microbiologa.

Microbiologa mdica e inmunologa

Microbiologa agrcola Citologa

Microbiologa industrial Bioqumica microbiana

Microbiologa acutica Gentica bacteriana

Ecologa microbiana Biologa molecular

Sistemtica bacteriana Bacterilogos (virus)

Fisiologa bacteriana Biotecnologa

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Desarrollo de las subdisciplinas ms importantes de la microbiologa.

Desarrollo rpido de la microbiologa Bsica y aplicada1- Trabajos de Koch expansin de la microbiologa mdica y de la inmunologa (en la primera parte del siglo)

-Descubrimiento de muchas bacterias patgenas nuevas.

-Establecimiento de los principios por los cuales estos patgenos infectan el cuerpo y se hacen resistentes a sus defensas.

2-Avances prcticos en el campo de la microbiologa agrcola

-Impulsores fueron Beijerinck y Winogradsky

-Comprensin de los procesos microbianos en el suelo. Son beneficiosos o perjudiciales para el crecimiento de las plantas.

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3- Se abri el uso de los MOs para la obtencin de productos industriales (sntesis de antibiticos, etc) y dio origen a la microbiologa industrial luego de la segunda guerra mundial.

4- Microbiologa acutica. Tratamiento de aguas residuales, suministro de agua potable para uso humano.

5- Ecologa microbiana. Biodiversidad, actividades de los MOs en su hbitat.

Los conocimientos de los principios bsicos de la funcin microbiana permiti descubrir y clasificar muchas clase de MOs nuevos dando origen a la extensin de la

6-Sistemtica bacteriana.

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7- Fisiologa microbiana. Estudio de los nutrientes que requieren los MOs y productos que se originan.

8- Citologa. Conocimiento de la estructura fsica y qumica de los MOs.

9- Bioqumica. Metabolismo , enzimas y reacciones que llevan a cabo los MOs.

10- Gentica bacteriana. Herencia, variacin gentica, intercambio gentico. Conocimiento del DNA, RNA, sntesis de protenas.

11- Bacterifagos. Estudio de los virus. Analoga con la transferencia gentica.

12- Biotecnologa

13- Anlisis genmico. Relaciones evolutivas.

14- Microbiologa industrial.

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FIN

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Opciones metablicas para la obtencin de energa

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Diversidad fisiolgica de los microorganismos

Energa y carbono

Todas las clulas requieren energa, la cual se puede obtener de tres modos: a partir de compuestos orgnicos, a partir de compuestos inorgnicos o a partir de la luz.

La oxidacin de compuestos orgnicos o inorgnicos produce adenosina trifosfato (ATP) en los organismos quimiotrficos, mientras que la conversin de energa solar en energa qumica (tambin en forma de ATP) se produce por los organismos fototrficos. Los MOs aerobios son los que pueden obtener energa del compuesto en presencia de oxgeno. Otros obtienen energa en ausencia de oxgeno (anaerobios). Otros utilizan los compuestos orgnicos tanto en presencia como en ausencia de oxgeno.

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Los organismos que obtienen energa a partir de compuestos orgnicos se los llama quimioorganotrofos y los que lo hacen a partir de compuestos inorgnicos se llaman quimiolitotrofos y al metabolismo empleado quimiolitotrofa.

Este tipo de metabolismo energtico se encuentra solo en procariotas y est ampliamente distribuido tanto en especies de Bacteria como de Archaea. El rango de compuestos inorgnicos que se pueden utilizar es amplio, sin embargo un determinado procariota suele especializarse en la utilizacin de uno o de un grupo de compuestos inorgnicos relacionados. Esta cualidad le da la ventaja de no competir con los organismos quimioorganotrfos y poder utilizar adems productos de desecho de estos ltimos como el H2 y el H2S. Los MOs fototrficos contienen pigmentos fuertemente coloreados que les permiten usar la luz como fuente de energa.

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No existe competencia de los organismos fototrficos con los quimiotrfos por la energa luminosa.

Fuente de carbono

Todas las clulas requieren carbono como nutriente principal. Las clulas microbianas son heterotrficas si requieren uno o ms compuestos orgnicos como fuente de carbono, o auttrofas si la fuente de carbono es el CO2.

Los quimioorganotrofos son tambin hetertrofos. Por el contrario, muchos quimiolitotrofos y prcticamente todos los fottrofos son auttrofos. Los auttrofos se denominan tambin productores primarios porque sintetizan materia orgnica a partir de CO2, tanto para su propio beneficio como para el de los quimioorganototrofos. Estos ltimos se alimentan directamente de los productores primarios o viven a expensas de los productos que ellos excretan.

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Resumen:

Todas las clulas necesitan fuentes de energa y de carbono.

Compuestos orgnicos

quimioorganotrofo

Compuestos inorgnicos

quimiolittrofo

Luzfottrofo

Fuente de energaOrganismo

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Utilizan compuestos orgnicos como fuente de C. Son hetertrofos.

quimioorganotrofos

En la mayora de los casos utilizan CO2 como fuente de C. Pueden ser auttrofos o hetertrofos.

quimiolittrofo

Prcticamente todos utilizan CO2 como fuente de C, (auttrofos).

fottrofo

Fuente de carbonoOrganismo

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Tolerancia a condiciones ambientales extremas

Los microorganismos, en particular los procariotas tienen la capacidad de poder vivir en hbitat caracterizados por uno o ms parmetros extremos en las condiciones ambientales, por ej aguas termales a ebullicin, en el hielo, en aguas de elevada salinidad, y en suelos y aguas que tienen un pH inferior a 0 o tan alto como 12. En ocasiones no es que sean meramente tolerantes a esas condiciones extremas, sino que realmente las requieren para crecer. Estos procariotas se denominan extremfilos. En los hbitat que presentan condiciones extremas, los procariotas son siempre mayoritarios.

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El microorganismo citado en cada categora es el que tiene el rcord actual en cuanto a requerir una condicin extrema particular para crecer.

Picrophilus oshimae tambin es un termfilo, con crecimiento ptimo a 60oC.

Natronobacterium gregoryi es un halfilo extremo, con crecimiento ptimo a NaCl 20%.

La cepa MT41 an no tiene nombre oficial de gnero ni especie y tambin es un psicrfilo, crece mejor por debajo de 10oC.

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FIN

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La Tierra primitiva y el origen de la vidaSe cree que la tierra tiene una edad de 4600 millones de aos; la primera evidencia de vida microbiana se observa en rocas de 3860millones de aos. La Tierra primitiva era anxica y mucho mas caliente que en la actualidad. Los primeros compuestos bioqumicos se formaron por sntesis abitica y esto estableci las bases para el origen de la vida. Si bien no conocemos como era el primer organismo capaz de autorreplicarse, a partir de lo que sabemos de las formas microbianas actuales podemos afirmar que las entidades autorreplicativas ms simples necesitaban un mecanismo para obtener energa y alguna forma de herencia para hacer copias de si mismas. Podra extrapolarse desde el presente hacia el pasado y postular que los organismos primitivos se parecan a las clulas modernas, aunque con muy pocos genes con limitadas capacidades para la transcripcin y la traduccin. Tras el descubrimiento de que ciertos tipos de cido ribonucleico (RNA) son catalticos, muchos cientficos actuales creen que las formas de vida ms primitivas carecan totalmente de DNA, contenan tan slo unas cuantas, si es que alguna, protena, y consistan principalmente de RNA; era la edad de la vida del RNA, donde el RNA era tanto agente catalizador como el cdigo gentico.

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La vida con RNA. Las molculas de RNA habran funcionado con el fin exclusivo de replicarse a s mismas y, probablemente, habran llevado a cabo un nmero mnimo de reacciones catalticas necesarias para esta finalidad. Estudios derivados de varias ribozimas catalticas de RNA han demostrado que pueden catalizar varias reacciones, tales como lasntesis de nucletidos. As, un perodo de vida con RNA podra haber precedido a la vida celular. Estas formas de vida con RNA podran haber evolucionado hacia las primeras formas de vida celulares, cuando el RNA autorreplicativo quedara encerrado en vesculas de lipoprotena. Estas estructuras parecidas a las clulas podran haber surgido mediante la agregacin espontnea de molculas de lpidos y de protenas para formar estructuras membranosas en cuyo interior quedaron atrapados los RNA y otros precursores de biomolculas clave. Esta etapa pudo haber ocurrido un sinnmero de veces en la Tierra primitiva para volver a extinguirse, pero finalmente, los constituyentes apropiados y las circunstancias adecuadas coincidieron y surgi un organismo celular primitivo. Aunque careca de DNA y procesaba tan slo protenas producidas abiticamente, esta forma de vida celular se asemejara en otros aspectos a una clula moderna. A medida que estas formas de vida se extendan, la seleccin natural las conducira hacia su posterior desarrollo evolutivo.

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Escenificacin hipottica de la evolucin de las formas de vida celulares a partir de las formas de vida con RNA. Los RNAs autorreplicativos podran haber llegado a ser entidades celulares mediante su integracin estable en vesculas de lipoprotena. Con el tiempo, las protenas reemplazaron las funciones catalticas del RNA y el DNA reemplaz sus funciones de codificacin

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Las protenas muestran un grado de especificidad cataltica mucho mayor que el que poseen los RNAs catalticos. A medida que los organismos primitivos se hicieron bioqumicamente mas complejos, se produjo una presin evolutiva hacia la utilizacin de las protenas como principales agentes biocatalticos.

La clula moderna: DNA RNA ProtenaEl establecimiento del DNA como genoma de la clula pudo ser una consecuencia de la presin evolutiva hacia una mayor eficacia y fidelidad en la replicacin de la informacin gentica (las DNA polimerasa son mas precisas que las RNA polimerasas). Adems, al guardar toda la informacin gentica en un lugar en la clula y procesar solamente la que se necesita bajo unas determinadas condiciones (al regular la expresin gnica), las clulas habran ahorrado energa, lo que incrementara su adecuacin competitiva. De alguna manera, en los estadios tempranos de la evolucin microbiana, el sistema tripartito DNA-RNA-protena quedfijado en las formas de vida celulares como la mejor solucin al procesamiento de la informacin biolgica. A juzgar por las clulas actuales, este sistema fue un xito evolutivo: todas las clulas conocidas contienen estos tres tipos de macromolculas.

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Metabolismo de los organismos primitivos

La vida es un proceso altamente ordenado y requiere de energa para mantener su estructura. Para satisfacer los requerimientos energticos los microorganismos primitivos slo podan recurrir a mecanismos generadores de energa que tienen lugar en condiciones anxicas ya que hasta la aparicin de las cianobacterias, el oxgeno molecular no exista en cantidades significativas en la Tierra. Una simple reaccin qumica en la que participa el ion ferroso (abundante en la Tierra primitiva) pudo haber sido un proceso primitivo de obtencin de energa utilizado por los primeros organismos.

La reaccin FeS + H2S FeS2 + H2 Go=-42kj / reaccin se produce exotrmicamente con liberacin de energa. Esta reaccin tambin produce H2, y se ha propuesto que este H2 pudo haber sido utilizado por las clulas primitivas para originar una fuerza motriz de protones a travs de una membrana, de la que una ATPasa primitiva podra haber extrado energa qumicamente til como ATP. Con H2 como el donor de electrones, se requiere su aceptor , que bien podra haber sido azufre elemental, So. Esta sencilla reaccin acoplada habra requerido pocas enzimas y podra haber constituido un suministro ilimitado de energa en tanto existiera FeS accesible.

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Esquema de un hipottico sistema generador de energa de las clulas primitivas. La formacin de piritas conduce a la produccin de H2 y la reduccin de So, los cuales alimentan una ATPasa primitiva. Ntese que el SH2 tiene una funcin cataltica. Los sustratos netos seran FeS y So.

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Es sorprendente que muchas Archeae hipertermfilas (que son los organismos actuales ms cercanos a los organismos primitivos de la Tierra) pueden llevar a cabo este tipo de reaccin.

Los organismos primitivos pudieron haber obtenido carbono de varias fuentes, tales como carbono orgnico de sntesis abitica e incluso CO2 , un gas que era abundante en la Tierra primitiva. La utilizacin de CO2 continu evolucionando hacia la autotrofa, el proceso en el cual el dixido de carbono se convierte en todos los componentes orgnicos de la clula. La hiptesis de una autotrofa primitiva se sustenta en los proyectos de secuenciacin de genomas microbianos, donde se ha puesto de manifiesto que la autotrofa se produce en un nmero de hipertermfilos que contienen un genoma pequeo que se ramifican cerca de la raz del rbol evolutivo de la vida.

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Oxigenacin de la atmsfera

La evolucin de la fotosntesis oxignica en las cianobacterias constituye un hito en la historia de la Tierra. Estos organismos aparecieron probablemente hace 3000 millones de aos, pero el O2 que produjeron no se acumul en la atmsfera debido a la gran cantidad de sustancias reductoras (como el FeS) todava presentes que reaccionaban espontneamente con el O2 para formar H2O. Es altamente probable que las cianobacterias evolucionaran a partir de prottrofos oxignicosmediante el desarrollo de un fotosistema que pudiera utilizar el H2O como un donante de electrones para la reduccin fotosinttica del CO2, liberando O2 como subproducto (CO2 + H2O CH2O + O2). La evolucin de la fotosntesis oxignica tuvo enormes consecuencias sobre el ambiente de la Tierra ya que, a medida que se acumul el O2, la atmsfera cambi de anoxignica a oxignica. Al existir abundancia de O2 como aceptor de electrones pudieron evolucionar los organismos aerbicos. Estos organismos eran capaces de obtener ms energa de la oxidacin de compuestos orgnicos que los anaerbicos, lo que permitialcanzar densidades de poblaciones ms altas e increment las posibilidades de evolucin de nuevos organismos y esquemas metablicos.

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Existe buena evidencia , procedente del registro fsil, de que cuando la atmsfera de la Tierra se hizo oxidante, la velocidad de la evolucin se increment enormemente, lo que condujo a la aparicin de microorganismos eucariticos con orgnulos, y, a partir de ellos, a la rpida diversificacin de los metazoos (organismos pluricelulares) y, finalmente, a la aparicin de plantas y animales superiores. Otra consecuencia importante de la aparicin del O2 fue la formacin de ozono (O3), una sustancia que suministra una barrera que impide a la intensa radiacin ultravioleta del Sol alcanzar la Tierra. Cuando el O2 se somete a radiacin UV de onda corta se convierte en O3, el cual absorbe fuertemente hasta longitudes de onda de 300 nm. Hasta que se form el escudo de O3, la evolucin pudo haber continuado en lugares protegidos de la radiacin directa del Sol, como los ocanos o debajo de las rocas, ya que la intensa radiacin UV habra causado dao letal al DNA. Sin embargo, despus de la produccin fotosinttica de O2 y el posterior desarrollo de la capa de O3, los organismos pudieron expandirse por la superficie de la Tierra, permitiendo la aparicin de una mayor diversidad de organismos vivos. A continuacin se muestra un resumen de etapas que pudieron producirse en la evolucin biolgica y en la oxigenacin de la Tierra.

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Principales acontecimientos de la evolucin biolgica. La posicin de los estadios de la escala temporal son aproximados. Ntese como la oxigenacin de la atmsfera, debida al metabolismo de las cianobacterias, fue un proceso gradual a lo largo de un perodo de unos 2000 millones de aos. Ntese tambin que durante la mayor parte de la historia de la Tierra, solo existieron formas de vida microbiana. Aunque no existe un registro microfsil, la prueba microqumica de las clulas eucariticas se remonta a 2700 millones de aos.

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Resumen

Las primeras formas de vida pueden haber sido RNA autorreplicativos. Los primeros organismos celulares probablemente emplearon una estrategia simple para la obtencin de la energa. El metabolismo primitivo fue anaerobio y posiblemente quimiolitotrfico, explotando las abundantes fuentes de FeS y H2S presentes. La fotosntesis oxignica condujo al desarrollo de un ambiente xico y a una gran explosin evolutiva.

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FIN

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Orgnulos y eucariotas: endosimbiosisCmo surgi la clula eucaritica actual con su estructura interna caracterstica: el ncleo rodeado por una unidad de membrana y los orgnulos (por ejemplo las mitocondrias y los cloroplastos)?

Origen del ncleo.

Las clulas eucariticas primitivas eran estructuralmente simples y carecan de mitocondrias, cloroplastos y ncleo rodeado por membrana. A medida que las clulas en la lnea eucaritica de descendencia se hicieron mayores, aparecieron el ncleo y el aparato mittico, a la vez que el DNA, se fraccion en unidades discretas (cromosomas). Los cromosomas pueden haber surgido para asegurar la replicacin y la particin ordenada del DNA a medida que los genomas primitivos se hicieron mas grandes, hasta llegar a un punto en el que su replicacin en forma de una nica molcula (como en procariotas) no era viable. El desarrollo del ncleo eucaritico tambin facilit la aparicin de los enormes genomas que necesitaban los eucariotas microbianos de mayor tamao (y mucho ms tarde los organismos pluricelulares), e hizo posible la recombinacin de genomas mediante la reproduccin sexual.

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No existe una razn obvia por la que los organismos primitivos necesitaran orgnulos tales como las mitocondrias y los cloroplastos, los cuales aparecieron probablemente ms tarde. En realidad, incluso actualmente, se conocen microorganismos eucariticos que carecen de mitocondrias y cloroplastos, lo que indica que estos orgnulos no son esenciales para la funcin de la clula eucaritica.

Endosimbiosis. Existen pruebas concluyentes a favor de la teora de que la clula eucaritica moderna (con orgnulos) evolucion en etapas mediante la incorporacin estable de simbiontes quimioorganotrficos y fototrficos del dominio Bacteria. Esta teora, llamada teora endosimbitica de la evolucin eucaritica, postula que una bacteria aerbica estableci su residencia estable dentro del citoplasma de un eucariote primitivo y le suministr energa, a cambio de un ambiente protegido y un aporte constante de nutrientes. Este simbionte fue el precursor de la mitocondria moderna. De igual manera, la adquisicin, por endosimbiosis de un fottrofo oxignico habra conferido propiedades fotosintticas a un eucariota primitivo, de manera que ya nunca dependera de compuestos orgnicos para el suministro de energa. El endosimbionte fototrfico fue el precursor del cloroplasto.

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Algunas clulas eucariticas nunca incorporaron endosimbiontes, o si lo hicieron, luego por alguna razn lo perdieron.

Pruebas que respaldan la teora de la endosimbiosis.

-Las mitocondrias como los cloroplastos contienen ribosomas que son claramente de tipo procaritico.

-Los ribosomas de estos orgnulos poseen secuencias del RNA ribosmico caractersticas de determinadas Bacteria, y su funcin es inhibida por los mismos antibiticos que afectan la funcin del ribosoma de Bacteria de vida libre.

-las mitocondrias y los cloroplastos tambin contienen una pequea cantidad de DNA dispuesto en una forma circular covalentementecerrada, tpica de procariotas.

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Origen de los eucariotas actuales por endosimbiosis. Ntese que los orgnulos se originan a partir de Bacteria y no de Archeae. Es poco probable que la endosimbiosis fuera un acontecimiento nico y probablemente ocurriera en varios tipos celulares de la lnea nuclear. Ntese como algunos procariotas primitivos nunca experimentaron endosimbiosis, o bien, perdieron sus simbiontes, pero mantuvieron las propiedades bsicas de las clulas eucariticas. El incremento en el tamao de las clulas en la lnea nuclear, condujo a la evolucin de genomas de mayor tamao y probablemente tambin a la evolucin del ncleo permitiendo la replicacin ordenada y la reparticin de dichos genomas.

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Revisin de conceptos

El ncleo eucaritico y el aparato mittico surgieron probablemente como una necesidad para asegurar la particin ordenada del DNA en los organismos con genomas grandes. Las mitocondrias y los cloroplastos, los principales orgnulos productores de energa de los eucariotas, surgieron por asociacin simbitica de procariotas del dominio Bacteria en el interior de clulas eucariticas, en proceso llamado endosimbiosis.

Evolucin biolgica y escala del tiempo. Los metazoos han dejado un registro fsil considerable y muy diverso que permite un buen conocimiento de la evolucin biolgica desde su aparicin. Sin embargo, en las 5/6 partes de la historia de la Tierra se desarrollaron los procariotas de los cuales no se tiene un buen conocimiento evolutivo a travs de registros fsiles. Esto cambi con la utilizacin de mtodos moleculares.

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Relaciones evolutivas entre los microorganismos

Filogenia de los microorganismos deducida de los estudios moleculares de los cidos nucleicos. Comparacin de secuencias del RNA estructural de los ribosomas.

Cronmetros evolutivos

Se ha demostrado convincentemente que la distancia evolutiva entre dos organismos puede determinarse por las diferencias en la secuencia de aminocidos o nucletidos de macromolculas homlogas aisladas de cada una de ellas. Esto se debe a que el nmero de diferencias en la secuencia de macromolculas es proporcional al nmero de cambios mutacionales estables fijados en el DNA que codifica esa molcula en ambos organismos. La evolucin se produce a medida que las mutaciones quedan fijadas en las diferentes poblaciones, siendo la biodiversidad el resultado final.

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Eleccin del cronmetro evolutivo

-La molcula debe estar distribuida universalmente en el grupo elegido para el estudio.

-Debe ser funcionalmente homloga en cada organismo, o sea, tener idntica funcin.

- Las molculas deben poder ser alineadas en forma apropiada a fin de identificar regiones tanto con homologa como con variaciones de secuencia.

-- La secuencia de la molcula elegida debera cambiar con una velocidad proporcional a la distancia filogentica que se va a determinar. Y, de hecho, cuanto mayor sea la distancia filogentica a determinar, menor ser la velocidad de cambio de la molcula; demasiado cambio tiende a enturbiar el registro evolutivo.

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Se han evaluado muchas molculas como cronmetros moleculares y con ellas se han realizado estudios de comparacin de secuencias a fin de generar rboles filogenticos. Estas molculas son: varios citocromos, protenas de hierro y azufre tales como las ferredoxinas, y genes de otras protenas y de los RNAs ribosmicos. Sin embargo, los genes que codifican los RNAs ribosmicos, componentes clave del sistema de traduccin; la ATPasa, complejo enzimtico de membrana que puede sintetizar e hidrolizar ATP; y la RecA, protena requerida para la recombinacin gentica, son los que han proporcionado la informacin gentica ms significativa sobre los microorganismos. Todas estas molculas eran probablemente esenciales incluso para las clulas ms primitivas y as , la variacin de la secuencia en los genes que las codifican, nos permiten profundizar en el registro evolutivo.

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RNAs ribosmicos como cronmetros evolutivosDebido a la probable antigedad de la maquinaria sintetizadora de protenas, los RNAs ribosmicos son molculas excelentes para poder discernir las relaciones evolutivas entre seres vivos. Los RNAsribosmicos son funcionalmente constantes, estn universalmente distribuidos y su secuencia est moderadamente bien conservada a travs de amplias distancias filogenticas. Tambin, dado el elevado nmero de diferentes secuencias posibles de molculas grandes, tales como los RNAs ribosmicos, la similitud de dos secuencias indica alguna relacin filogentica. Sin embargo, es el grado de semejanza de las secuencias de RNA ribosmico de dos organismos lo que indica su parentesco evolutivo relativo. A partir del anlisis comparativo de secuencias , se pueden construir las genealogas moleculares que conducen a los rboles filogenticos. Estos muestran la posicin evolutiva ms probable existente entre los organismos. Recordemos que hay 3 molculas de RNA ribosmico, que en procariotas tienen 5S, 16S y 23S. Los rRNAs bacterianos 16S y 23S contienen varias regiones de secuencia altamente conservada que resulta til para obtener alineamientos de secuencia apropiados.

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Tienen tambin la variabilidad de secuencia suficiente en otras regiones de la molcula para servir como excelentes cronmetros filogenticos. En eucariotas se secuencia el homlogo del rRNA 16S, es decir, el rRNA 18S de los ribosomas 80S. Hay base de datos en Inte