microbiología
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Genética microbianaTRANSCRIPT
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TEMA 6. GENÉTICA MICROBIANA
Elementos Genéticos Bacterianos
El genoma bacteriano está compuesto:
• Cromosoma. Son las estructuras altamente organizadas, formadas
por ADN y proteínas, ue contiene la mayor parte de la informaci!n
gen"tica de un indi#iduo$ todo lo esencial para la bacteria está
codi%cado en este elemento. Suele &aber uno por bacteria.• 'lásmidos. son mol"culas de ADN e(tracromos!mico circular ue se
replican y transmiten independientes del ADN cromos!mico. Están
presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en
organismos eucariotas como las le#aduras. El n)mero de plásmidos
puede #ariar, dependiendo de su tipo, desde una sola copia &asta
algunos cientos por c"lula. Se trata de genes ue codi%can proteínas
ue no son esenciales, de manera ue son prescindibles peroimportantes. Se replican de manera independiente y se pueden
generar #arias copias.• Elementos gen"ticos transponibles. es una secuencia de ADN de
doble cadena ue puede mo#erse de manera autosu%ciente de un
sitio a otro dentro de la misma mol"cula o entre mol"culas distintas
de la misma bacteria, un fen!meno conocido como transposici!n. En
este proceso, se pueden causar mutaciones y cambio en la cantidad
de ADN del genoma. Están insertados en uno de los dos anteriores,
de manera ue no se replican de forma independiente y pueden
generar #arias copias como los plásmidos, además, codi%can genesue no son esenciales.
Replicación del DNA semiconseratia
El DNA es una doble &"lice con bases complementarias apareadas$ la
adenina se aparea especí%camente con la timina y la guanina se aparea
especí%camente con la citosina. Si la doble &"lice del DNA se abre, puede
sintetizarse una nue#a cadena complementaria de cada una de las cadenas
parenterales. *a replicaci!n es semiconser#ati#a, es decir, cada una de las
dos dobles &"lices resultantes contiene una cadena parenteral y otra de
nue#a síntesis$ cada nue#a molecula tiene una de las &ebras de la original y
una nue#a complementaria.
*a mol"cula de DNA ue es copiada para formar una complementaria se
denomina molde, es decir, un modelo preformado ue puede copiarse. *a
nue#a mol"cula de DNA no está co#alentemente conectada con la #ie+a
mol"cula de DNA.
El precursor de cada nucle!tido en la cadena es un nucle!tido - tri
fosfato, del cual se eliminan los dos fosfatos terminales y el fosfato interno
se une co#alentemente a la ribosa de la cadena naciente. *a adicion delnucle!tido a la cadena naciente reuiere la presencia de un grupo &idr!(ido
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libre, el cual se encuentra e(clusi#amente en el e(tremo /- de la molecula:
la replicaci!n del DNA siempre ocurre desde el e(tremo - al &idro(ilo del
e(tremo /-, uni"ndose el fosfato - de cada nucle!tido nue#o ue se
incorpora al &idro(ilo /- del nucle!tido a0adido pre#iamente.
*as enzimas ue catalizan la adicion de los nucle!tidos se denominan DNApolimerasas, ue sintetizan el DNA en la direcci!n - 1 /-. 'ara comenzar
una nue#a cadena debe e(istir un iniciador, un lugar al ue la DNA
polimerasa pueda a0adir el primer nucle!tido. En la mayoría de los casos, es
un fragmento corto de 2NA.
Cuando la doble &"lice se abre al comienzo de la replicaci!n, primero actua
una enzima ue polimeriza 2NA, lo ue da como resultado la síntesis de
este 2NA iniciador. 3na enzima especí%ca ue polimeriza 2NA, llamada
primasa, participa en la síntesis del iniciador, sintetizando un corto
fragmento de 2NA. En el e(tremo creciente de este 2NA iniciador, e(iste un
grupo /- 45 al cual la DNA polimerasa a0ade el primer
deso(irribonucle!tido. 'or tanto, la subsecuente elongaci!n de la mol"cula
se produce como DNA y no como 2NA. De esta manera, la nue#a mol"cula
sintetizada tiene la siguiente estructura:
En este proceso inter#iene #arias enzimas:
• 5elicasa. Se encarga de separar las dos &ebras rompiendo los enlaces
ue las mantiene unidas.• 2NA primasa. Se encarga de sintetizar una secuencia de 2NA ue es
complementaria a la &ebra molde. Es el iniciador del proceso.• DNA polimerasa 666. A partir de la secuencia corta ue se conoce
inicialmente, esta enzima #a a0adiendo los nucle!tidos restantes de
manera ue se obtiene toda la secuencia$ realiza el proceso de
replicaci!n sintetizando el DNA.
!or"#illa de replicación
el origen de replicaci!n consiste en una secuencia especi%ca de /77 pares
de bases ue es reconocida por proteínas especí%cas de la iniciaci!n. En el
origen de replicaci!n, la doble &"lice del DNA se abre y la iniciaci!n de la
replicaci!n se produce en las dos cadenas. A medida ue la replicaci!n
procede, el sitio de replicaci!n, denominado &oruilla de replicaci!n, parece
mo#erse a lo largo del DNA.
*a replicaci!n es frecuentemente bidireccional desde el origen de
replicaci!n y, por tanto, e(isten dos &oruillas de replicaci!n replicando en
direcciones opuestas. En el DNA circular, la replicaci!n bidireccional
conduce a la formaci!n de estructuras características denominadas
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estructuras t&eta 8la formaci!n de intermediarios replicati#os recuerdan a la
letra griega9.
Cromosoma E. coli
El cromosoma de E. coli es una mol"cula de DNA circular y e(iste un )nico
sitio en "l, en el ue se inicia la síntesis de DNA 8origen de replicaci!n9.
E(isten dos formas de situar el gen:
• ilopares de bases
• ;inutos
$l%smidos
5ay #arios y pueden aparecer en
#arios n)meros de copias:
• ;onocopia• <a+o numero de copias
• Alto numero de copias
Elementos &enéticos transponi'les
E(isten dos tipos:
• Secuencias de inserci!n 86S9. Se trata de una corta cadena de DNA
ue contiene solo los genes ue codi%can las enzimas necesariaspara su trasposici!n y ue está limitada a ambos lados por
secuencias id"nticas o muy similares de nucle!tidos ue presentan
una orientaci!n inad#ertida y ue se conocen como secuencias
in#ersamente repetidas, las cuales #arían seg)n el elemento 6S. Entre
estas secuencias se encuentra un gen ue codi%ca una enzima
denominada transposasa, necesaria para la transposici!n y ue es
capaz de reconocer con precisi!n los e(tremos del elemento 6S.
• =ransposones 8=n9. Contienen otros genes además de los necesarios
para la transposici!n, por e+emplo, genes ue codi%can la resistenciaa los antibi!ticos o ue codi%can to(inas. Se componen de una regi!n
central ue contiene los genes e(tra, >anueados a ambos lados por
elementos de secuencia id"ntica o muy similar. Están limitados por
secuencias cortas in#ersamente repetidas y la regi!n codi%cadora
contiene tanto los genes de transposici!n como genes e(tra.
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3na característica ue tienen en com)n es ue en el lugar en el ue
se #an a insertar dentro del genoma, producen una duplicaci!n del
DNA del genoma en el ue se insertan.
;utag"nesis por transpos!n. El
transpos!n se traslada &asta la
mitad del gen ?, el cual ueda
inacti#ado. El gen A del transpos!n
se e(presará en ambas
localizaciones.
=ransposici!n. *a inserci!n
de un elemento transponible
genera una duplicaci!n de
la secuencia diana.
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E(isten dos tipos de transposici!n seg)n su mecanismo:
• Conser#ati#a: el transpos!n sale del sitio original en el ue se integr!
y se dirige a otro sitio denominado receptor, desapareciendo del sitio
original.• 2eplicati#a: antes de mo#erse del sitio original al sitio receptor, lle#a
acabo una replicaci!n de manera ue se encuentra en ambos sitios.
Intercam'io Genético De Bacterias
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• =ransformaci!n. *a bacteria o la c"lula puede captar el DNA del medio
e(terior e integrarlo dentro de "l.• Con+ugaci!n. 6nter#ienen dos bacterias, una es la donadora de genes
y otra es la receptora de genes, además e(iste un contacto estrec&o
entre ambas.• =ransducci!n. 3na primera bacteria cede genes a una segunda pero
no se reuiere contacto estrec&o. E(iste un intermediario ue es un
#irus.
Trans(ormación
El e(perimento de @rit& fue uno de los primeros e(perimentos ue
demostr! ue las bacterias eran capaces de transferir informaci!n gen"tica
mediante un proceso llamado transformaci!n. Se in#estigaban #arias cepas
de neumococo 8Streptococcus pneumoniae9 y se inyectaron en ratones
la cepa S y la cepa 2 de la bacteria.
*a cepa lisa 8S9 era da0ina, mientras ue la rugosa 829 no lo era. *a cepa S
se cubre a si misma con una cápsula de polisacárido ue la protege
del sistema inmune del ser ue &a sido infectado, resultando la muerte de
este, mientras ue la cepa 2 no contiene esa cápsula protectora.
Cuando se inyecta la cepa S #i#a, se produce la muerte del rat!n. Sin
embargo, cuando se inyecta la cepa S inacti#ada por calor, no &ay secuelas
y el rat!n #i#e. De la misma manera, al inyectar la cepa 2, el rat!n sigue
#i#iendo. Sorprendentemente, al combinar cepa 2 8no letal9, con cepa S
inacti#ada por calor 8no letal9, el rat!n muri!. *o ue ocurre es ue al
inacti#ar por calor la cepa S, se eliminaron los lípidos, proteínas y
polisacáridos pero el estreptococo a)n conser#! su capacidad de replicar su
ADN, de manera ue la celula muerta se &a lisado y el ADN de las cepas S
entraron en las cepas 2.
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*a transformaci!n es un proceso ue implica DNA donador en estado libre
en el ambiente. El DNA libre se incorpora a una c"lula receptora y lle#a a
cabo un cambio gen"tico. Este proceso puede lle#arse a cabo de manera
natural o arti%cial.
;ecanismo de transferencia del DNA por transformaci!n en una bacteria
@ram positi#a:
a. Bi+aci!n del DNA por una proteína de uni!n del DNA ligada a la membrana
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b. 'aso de una de las dos cadenas a la c"lula mientras la acti#idad nucleasa
degrada la otra cadenac. la cadena sencilla dentro de la c"lula se une a proteínas especí%cas, y
tiene lugar la recombinaci!n con regiones &om!logas del cromosoma
bacteriano mediada por la proteína 2ecA
d. C"lula transformada
3na celula ue es capaza de tomar una molecula de DNA y ser
transformada se dice ue es competente. *as proteínas especi%cas de la
competencia incluyen una proteína de membrana de uni!n del DNA, una
autolisina de la pared celular y #arias nucleasas. *as c"lulas producen y
e(cretan un peue0o p"ptido durante el crecimiento y llegan a ser
competentes a altas concentraciones de ese p"ptido, a tra#"s de la acci!n
de una uinasa sensora 8Com'9 y de un regulador de respuesta 8ComA9.
Es posible inducir arti%cialmente la competencia. 3n m"todo es tratar labacteria a altas concentraciones de iones calcio y luego mantenerse en frío,
de esta forma se con#ierte en transformable con ba+a e%cacia. De esta
manera, la bacteria toma dNA bicatenario y así la transformaci!n por DNA
plasmídico es relati#amente e%ciente. Este m"todo esta siendo suplantado
por electroporaci!n, una t"cnica en la ue las c"lulas se e(ponene a campos
el"ctricos pulsados para abrir peue0os poros en sus membranas. Cuando
e(isten mol"culas de DNA fuera de las c"lulas durante un pulso el"ctrico,
pueden entrar en las c"lulas a tra#"s de los poros. Este m"todo permite
tanto la entrada como la salida en la celula de peue0as mol"culas de DNA.
Con)#&ación
*a transferencia implica un contacto c"lula c"lula y la presencia de un
plásmido con+ugati#o en la c"lula donadora. Es una funci!n codi%cada por
algunos plásmidos. Es un proceso replicati#o y ambas c"lulas terminan con
copias del plásmido.
=ransferencia del plásmido de c"lula a c"lula durante la con+ugaci!n.
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Transd#cción
*a transferencia del DNA donador está mediada por un #irus. El DNA se
trans%ere de una c"lula a otra mediante un #irus.
*a transferencia gen"tica de genes puede ocurrir de dos maneras:
• =ransducci!n generalizada. El DNA del &u"sped, ue puede proceder
de cualuier parte del genoma, pasa a formar parte del DNA de la
partícula madura del #irus en lugar del genoma del #irus. Cualuier
gen de la bacteria original puede ser transferida a otra.
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• =ransducci!n especializada. 4curre solo en algunos #irus
atemperados$ el DNA de una regi!n especí%ca del cromosoma
bacteriano se integra directamente en el genoma del #irus,
generalmente reemplazando algunos de los genes del #irus. Solo
determinados genes pasan a una segunda bacteria.
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