Virus y procariontes

Características y diversidad de los virus

- Ácido nucleico y proteínas

- Más pequeños que todas las células

- Carecen de maquinaria metabólica propia

Partículas infecciosas no celulares que se multiplican sólo dentro de células vivas

Consisten de material genético y una cubierta proteica. Algunos tienen también una capa lipídica

Algunos causan enfermedades (patógenos); otros controlan a organismos patógenos¿Teoría celular? “Omne vivum e vivo”; “omnis cellula e cellula”

Características de un virus

No es una célula, no tiene citoplasma, ribosomas ni otros componentes celulares

Posee ADN o ARN

Solamente puede replicarse dentro de una célula viva

Mide entre 25 y 300 nanómetros; sólo puede ser observado con un microscopio electrónico

Ejemplos de virus

En plantas: virus del mosaico del tabaco

En bacterias o arqueas: bacteriófagos

Descubiertos: adenovirus

Encapsulados: herpesvirus

Ejemplos de virus

Mosaico del tabaco bacteriófago adenovirus

influenza herpes

ARN

ARN

Subunidades protei-cas

ADN dentro de capa proteica

vaina

fibra caudal

ADN y enzimas virales

envoltura de lípidos con proteínas

capa proteica dentro de la envoltura

envoltura de lípidos capa proteica

Evidencias de virus en plantas

Tulipán (Tulipa sp.) Lengua de suegra (Sansevieria trifasciata)

Origen y evolución de los virus

1. Podrían descender de células que fueron parásitas de otras células

2. Podrían ser unidades genéticas que escaparon de ciertas células

3. Podrían representar una línea evolutiva diferente

Replicación viral

Todos los virus se multiplican solamente dentro de células hospederas. Este proceso varía entre grupos de virus.

Pasos del ciclo de multiplicación viral

1. Enlace: Ciertas proteínas del virus reconocen químicamente y se unen a receptores específicos de la superficie de la célula hospedera.

2 y 3. Penetración: El virus o sólo su material genético cruza la membrana celular y llega al citoplasma.

4. Replicación: El ADN o ARN viral usa a la célula para fabricar nuevos ácidos nucleicos virales.

5. Ensamblaje: Material genético y proteínas del virus se unen y ensamblan nuevas partículas.

6. Liberación: Las nuevas partículas virales salen de la célula. Con frecuencia provocan lisis (ruptura) celular.

Ejemplo: Replicación de un retrovirus

Ejemplo: Virus de inmunodeficiencia humana (VIH o HIV, sida)• El virus se une a receptores de ciertos leucocitos en la

sangre; la cubierta viral se fusiona con la membrana celular; el ARN viral entra en el citoplasma

• Una enzima (transcriptasa reversa) convierte el ARN viral en ADN, que se integra al ADN celular

• La célula produce ARN y proteínas virales, que originan nuevas partículas virales

• Nuevos virus obtienen una cubierta en la membrana de la célula y salen por exocitosis

enzima del virus(transcriptasa reversa)

C El ADN viral se integra en el ADN celular

D El ADN viral se transcribe junto con los genes celulares

A ARN y proteínas virales entran en la célula

E Algunos ARN trans-critos son nuevos ARN virales. Otros se traducen a proteínas vira-les. El ARN y las proteínas ensamblan nuevas partícu-las virales

cubierta proteica del virus

núcleo

B La transcriptasa reversa del virus usa ARN viral para fabricar ADN viral de doble cadena

proteínas virales

ARN viral

ADN viraluna de las dos hebras de ARN viral

capa de lípidos con proteínas F Las partículas

virales salen de la célula infectada

Replicación del virus del sida (VIH)

Viroides y priones

Ambos son partículas infecciosas aun más simples que los virus

Viroide• Pequeño ARN infeccioso, sin capa protectora de

proteínasTheodor O. Diener (1971) patógeno de papa: plantas débiles, con pocos tubérculos deformados

Prión• Proteína del sistema nervioso. Cuando se pliega

mal, provoca lo mismo en otros priones (¿efecto en cadena?)

Término prión Standley Prusiner (Premio Nóbel, 1997), de "proteináceo" e "infeccioso“ enferme-dad debida al plegamiento erróneo de proteínas

Enfermedades causadas por priones

Tembladera en ovejas (“scrapie”)

Encefalopatía espongiforme bovina (enfermedad de las vacas locas): Afecta al ganado alimentado con piensos cárnicos de oveja

Enfermedad de Creutzfeldt-Jacob: Afecta a humanos que han comido carne de res infectada daño cerebral con pérdida creciente de memoria, equilibrio y coordinación de movimientos

Hans Gerhard Creutzfeldt (Berlín, 1920); Alfons Jacob (Hamburgo, 1923)

ProcariontesCélulas estructuralmente simples, sin núcleo

Evolucionaron mucho antes que los eucariontes

Son pequeños y súper numerosos

(en promedio 1-2 micrómetros;

eucariontes: 10-100 micrómetros;

1 μm = 1 x 10-6 m; 1 mm = 1000 μm)

Poseen gran diversidad metabólica

Ocupan todos los ambientes de la biosfera

Son muy exitosos y coexisten con los eucariontes

Antecesores de células eucariontes

Dominio Bacteria Dominio Archaea

Origen bioquímico y molecular de la vida

Historia evolutiva y clasificación

Clasificación de especies y grupos de procariontes sólo posible mediante secuenciación de genes y bioquímica comparativa

Abundancia y diversidad metabólica

Los procariontes son los organismos más abundantes del planeta: en tierra, hasta 15 cm de profundidad: ca. 100 000 bacterias por cm2; una gota de líquido: hasta 50 millones de bacterias

Diversidad metabólica implica éxito• Ej.: numerosos saprobiontes degradan desperdicios y basura

y son, por tanto, descomponedores muy importantes

• Los cuatro tipos existentes de nutrición se hallan en los procariontes actuales

Tipos de nutrición de los procariontes

Nombre_______________ fuente de C____________ fuente de E

Fotoautótrofos CO2 luz

Quimioautótrofos CO2 sust. inorgánicas

Fotoheterótrofos comp. orgánicos luz

Quimioheterótrofos comp. orgánicos comp. orgánicos

C: carbono; E: energía

Características de la célula procarionte

Estructura• Región nucleoide en el citoplasma, con un solo cromosoma

(molécula de ADN circular)• Pared celular alrededor de la membrana plasmática y una

cápsula exterior a la pared• Flagelos, que giran como propulsores• Cilios (“filamentos”, pilus, pili), que se extienden desde la

superficie celular adhesión y desplazamiento

Tamaño y forma de la célula procarionte

Más pequeña que la célula eucarionte (ca. tamaño de mitocondria)

Tres formas típicas:

coco

bacilo

espirilo

citoplasma, con ribosomasADN, en la región nucleoide

cilio

flagelo

cápsula externa

pared celular

membrana plasmática

Plan estructural de un procarionte

Reproducción de los procariontes

Molécula de ADN circular, de doble cadena

Fisión procarionte: El ADN se replica y la célula progenitora se divide en dos, generalmente a la mitad

1-cápside, 2-pared celular, 3-mesosoma, 4-ribosomas, 5-cilios, 6-flagelo, 7-ADN, 8-citoplasma

A ADN se une a la membrana antes de la replicación

B La replicación progresa en dos direcciones desde cierto sitio de la molécula

C El ADN nuevo se une a la membrana cerca del sitio de la molécula progenitora

D Las dos moléculas de ADN se separan al crecer membrana entre los dos sitios de unión

E Se sintetizan lípidos, proteínas y carbohidra-tos para nuevas mem-brana y pared. Ambas se insertan en la parte media de la célula

F El depósito orde-nado y continuo de membrana y pared en la parte media corta la célula en dos.

Fisión procarionte

Transferencia vertical de genes: de célula madre a célula hija

Transferencia horizontal de genes: de un procarionte a otro diferente

Conjugación• Transferencia de un plásmido (segmento pequeño de ADN

circular, separado del cromosoma) entre células procariontes mediante un cilio sexual

Transducción• Transferencia de genes procariontes mediante

bacteriófagos

Transformación• Adquisición de genes procariontes del ambiente

circundante

A Una célula con plásmido extiende un cilio sexual hacia otra célula conespecífica, pero sin plásmido. El cilio se acorta y une las dos células

cilio sexual

Conjugación en Escherichia coli

plásmido con muesca tubo de conjugación

B Se forma un tubo de conjugación, que une ambos citoplasmas. Una enzima abre el plásmido en la célula donadora

C Una sola cadena de ADN plásmido se desplaza hacia la célula receptora, mientras cada célula fabrica una cadena complementaria

D Las células se separan y el plásmido recupera su forma circular

Conjugación en Escherichia coli

Bacterias

• La mayoría inofensivas o benéficas liberan O2, fijan N2, reciclan materiales y nutrientes

• Sólo algunas bacterias quimioheterótrofas son dañinas para humanos

Bacterias termófilas

• Linaje antiguo en fuentes termales volcánicas y en ventilas hidrotermales del fondo marino.

• ADN polimerasa de Thermus aquaticus es resistente al calor se usó en las primeras reacciones en cadena de polimerasa (PCR)

espora latenteheterocisto

6 µm

Primeros organismos con cloroplastos primitivosTransformaron la atmósfera de la Tierra: liberación de O2 atmósfera reductiva a oxidativa, amigable para organismos aerobios, letal para anaerobios

Algunas fijan nitrógeno atmosférico (N2) como amoniaco (NH3) en heterocistos

Cianobacterias

Célula especializada en la fijación de N2

Proteobacterias – metabólicamente diversas

Thiomargarita namibiensis en sedimentos marinos; obtiene electrones del azufre almacenado en la vacuola

Helicobacter pylori; úlceras estomacales

Bacteria magnetotáctica; cadena de partículas de magnetita campos magnéticos – orientación hacia aguas profundas

Mixobacterias cuerpos fructíferos multicelulares

magnetita

Cápsula con células latentes

Bacterias heterótrofas gram-positivas• Pared gruesa – color púrpura con tinción de

Gram– Las bacterias de pared delgada (gram-negativas) se

tiñen rosadas. Ejs. cianobacterias y proteobacterias

• Lactobacillus reacciones de fermentación – yogur y leche agria

• Clostridium y Bacillus forman endósporas en condiciones desfavorables toxinas letales– ántrax (B. anthracis), tétanos (C. tetani), botulismo (C.

botulinum)

Bacterias gram-positivas

Lactobacillus en yogur Endóspora de Clostridium tetani

ADN

Cubierta de la espora

Cápsula en torno a la pared celular

Espiroquetas y clamidias• Espiroquetas son células largas, estrechas y espirales

(como un resorte estirado)– Ej.: Borrelia burgdorferi: enfermedad de Lyme, transmitida

por garrapatas (vectores) – daño en corazón, sistema nervioso y articulaciones.

• Clamidias son parásitos intracelulares– Ej.: Chlamydia trachōmatis causa enfermedades venéreas

Arqueas (arqueobacterias)

Linaje procarionte conocido desde hace pocas décadas tercer dominio; parientes procariontes más cercanos a eucariontes

[Bacteria, Archaea, Eucarya)

• Cosmopolitas – muchas en hábitats muy cálidos o muy salobres

• Casi ninguna provoca enfermedades en humanos

• Carl Woese, década de 1970: Secuencias de genes de ARNr (síntesis de proteínas) son diferentes entre bacterias y arqueas, pero tamaño, morfología y organización celular son idénticos en ambos grupos.

Arqueas

Carl Woese

Árbol filogenético de la vida

Woese, 1977

Fisiología de las arqueasMetanógenas (producen metano, CH4)

– Anaerobias estrictas. Quimioautótrofas: atraen ē de H2 o acetato para formar ATP. Ej. en intestino de termitas, ganado; en pantanos, etc.

Halófilas extremas (hábitats salobres)– Aerobias o fotosintéticas. ATP por reacciones aerobias;

cuando falta O2 realizan fotosíntesis (pigmento púrpura bacteriorrodopsina en la membrana bombea H+ fuera de la célula; que se recupera con ATP sintasas). Ej. lagos y mares con gran concentración de sales

Termófilas extremas (hábitats calientes)– Quimioautótrofas (metabolizan azufre) o heterótrofas (alimento >

compuestos orgánicos). Ej. fuentes hidrotermales submarinas, manantiales calientes; temperaturas hasta 110°C.

Enfermedades infecciosasLas arqueas rara vez causan enfermedades en el

ser humano, pero bacterias y virus a menudo

Infección: un patógeno entra en el ambiente interno de un organismo y se multiplica

Enfermedad: actividades de un patógeno interfieren con las funciones normales del cuerpo invadido

Virus, bacterias y otros patógenos evolucionan por selección natural, igual que sus hospederos

Propagación de enfermedades• esporádicas (ej. tos ferina)

– Aparecen irregularmente, afectan a pocas personas

• epidémicas (ej. gripe)– Se propagan rápidamente, después desaparecen

• endémicas (ej. tuberculosis por el bacilo de Koch - Mycobacterium tuberculosis)

– Aparecen continuamente, pero no se propagan ampliamente

• pandémicas (ej. sida; sars)– Brotan y se propagan a nivel mundial

Escenario evolutivo

• Dos factores impiden que los patógenos dominen la escena:– Especies que han coevolucionado con

patógenos específicos han creado defensas naturales

– Un patógeno que mata a su hospedero demasiado rápido podría desaparecer con éste

Enfermedades nuevas

• Hábitats remotos animales con patógenos peligrosos que no han estado en contacto directo con humanos éstos son vulnerables

• sida, sars, ébola y gripe aviar H5N1 surgieron por contacto directo con animales– “Influenza española” (gripe aviar): pandemia de

1918 muerte de 50 millones de personas

Resistencia a medicamentos

• En una población de patógenos, algunos individuos resistentes a antibióticos sobreviven y se reproducen– Streptococcus pneumoniae: Cerca de 50% de

cepas conocidas son resistentes a la penicilina– VIH: Muchas cepas son resistentes a los

medicamentos antivirales conocidos

Letalidad y persistenciaEl virus ébola mata a más de 90% de

infectados, pero es esporádico

La bacteria Mycobacterium tuberculosis mata al 50%, pero es cosmopolita y resistente a medicamentos