Clase 2 Bacterias y Arqueas - Diego Chavez (1)

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Tema	2.	Biología	II
Reproducción	celular	en	procariotas.		
Clase	2.	Bacterias:	conceptos	generales.	Cromosoma	bacteriano.	Fisión	binaria	
(reproducción	asexual)	en	células	procariotas.		
Clase	3.	Mecanismos	de	transferencia	de	material	genético	en	procariotas:	
transformación,	conjugación	y	transducción	(lisogenia).	
How	dirty	is	your	phone?	
https://www.youtube.com/watch?v=4lmwbBzClAc	
Streptococcus pneumoniae
Staphylococcus aureus Escherichia coli
Corynebacterium diphtheriae
Crecimiento bacteriano
Crecimiento 
bacteriano
Arqueas,	bacterias,	y	células	eucarióticas	comparten	
funciones	básicas	y	estructuras	similares
Todas	hacen	proteínas	a	partir	de	ARN	from	an	RNA	
usando	ribosomas.	
El	citoplasma	está	contenido	en	una	membrana	lipídica,	
aunque	la	composición	de	esta	puede	variar	según	los	
dominios.	
Las	similitudes	en	los	procesos	bioquímicos	dan	apoyo	a	
la	hipótesis	de	un	antepasado	común.	
A	su	vez,	una	gran	cantidad	de	tipos	celulares	han	
surgido	por	evolución	tras	incontables	eventos	de	
selección	y	adaptación.
https://biologicalsciences.blogs.bristol.ac.uk/2019/12/09/
https://biologicalsciences.blogs.bristol.ac.uk/2019/12/09/
DOI: 10.1038/s41559-019-1040-x
https://biologicalsciences.blogs.bristol.ac.uk/2019/12/09/
La	teoría	endosimbiótica	intenta	explicar	cómo	las	
células	eucariotas	evolucionaron	a	partir	de	los	
procariotas.		
Según	esta	teoría,	las	mitocondrias	se	originaron	
como	procariotas	de	vida	libre	que	fueron	devorados	
por	una	célula	eucariota	ancestral.		
El	procariota	engullido	no	se	digiere	y	se	desarrolló	
una	simbiótica.	Pruebas	que	apoyan	esta	teoría:	
1-	Las	mitocondrias	y	los	cloroplastos	tienen	ADN	que	
es	distinto	del	ADN	nuclear	y	que	es	circular,	como	el	
ADN	bacteriano.	
2-	Las	mitocondrias	y	los	cloroplastos	tienen	
ribosomas	parecidos	a	los	de	bacterias	y	pueden	
sintetizar	sus	propias	proteínas.	
3-	Las	mitocondrias	y	cloroplastos	son	capaces	de	
dividirse	independientemente	de	la	célula	
hospedadora.
“The	newly	discovered	viruses	that	infect	currently	living	Asgard	archaea	do	have	some	
features	similar	to	viruses	that	infect	eukaryotes,	including	the	ability	to	copy	their	own	
DNA	and	hijack	protein	modification	systems	of	their	hosts.	The	fact	that	these	
recovered	Asgard	viruses	display	characteristics	of	both	viruses	that	infect	eukaryotes	
and	prokaryotes,	which	have	cells	without	a	nucleus,	makes	them	unique	since	they	are	
not	exactly	like	those	that	infect	other	archaea	or	complex	life	forms.”
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220627124952.htm
Ian M. Rambo, Marguerite V. Langwig, Pedro Leão, Valerie De Anda, Brett J. Baker. Genomes of six viruses that infect Asgard 
archaea from deep-sea sediments. Nature Microbiology, 2022; DOI: 10.1038/s41564-022-01150-8
Prokaryote 
Shapes
La	tinción	es	una	herramienta	muy	útil	
en	medicina.	Las	partes	lipídics	de	los	
lipopolisacáridos	en	las	paredes	de	
muchas	bacterias	gram	negativas	son	
tóxicas	y	pueden	causar	fiebre	o	
choque.	La	membrana	externa	
también	protege	a	las	bacterias	de	
nuestras	defensas.	Las	gram	negativas	
son	además	más	resistentes	a	los	
antibióticos	que	las	gram	positivas,	
salvo	excepciones	(Mycobacterium	
tuberculosis	o	Staphylococcus	aureus).
Imagen	típica	
de	una	
bacteria
*Todas	las	bacterias	tienen	
pared	celular,	pero	no	todas	
tienen	además	una	cápsula
Las	fimbrias	permiten	a	las	
bacterias	adherirse	a	células	
epiteliales.	Solo	están	presentes	en	
bacterias	gram	negativas	y	solo	son	
visibles	con	microscopía	
electrónica.	En	sus	extremos	hay	
unas	proteínas	especiales	llamadas	
adhesinas,	que	varían	según	el	tipo	
de	bacteria	y	que	permiten	
adherirse	a	las	células	epiteliales	
encajando	en	receptores	de	la	
superficie	de	esas	células.
El	flagelo	bacteriano	
está	compuesto	de	40	
piezas	móviles	hechas	
de	proteínas,	capaz	de	
girar	a	100,000	rpm,	
muy	pequeño	(1/4,000	
mm	de	ancho),	capaz	de	
cambiar	el	sentido	del	
giro,	su	fuente	de	
energía	es	el	flujo	de	
iones.
https://www.rcsb.org/3d-view/7CGO/1
https://www.rcsb.org/3d-view/7CGO/1
Los flagelos forman parte del Sistema de quimiotaxis
El flagelo tiene un motor que puede girar en sentido 
de las agujas del reloj (CW) o al revés (CCW). 
Algunas especies de bacterias tienen muchos 
flagelos con forma de espiral. 
(a) Al girar los flagelos en sentido CCW, los 
filamentos se agrupan y la bacteria se mueve 
hacia delante. Al cambiar al sentido CW, dejan de 
estar agrupados y cada flagelo gira 
independientemente, impidiendo el avance de la 
bacteria porque los movimientos de los flagelos 
de un lado cancelan los del lado opuesto. 
(b) Una bacteria puede sentir muchos elementos del 
ambiente, como nutrientes o toxinas. Por 
quimiotaxis se moverá hacia los nutrientes 
deseados y se alejará de las toxinas. Entonces, 
el movimiento de la bacteria no es 
completamente al azar.
Estructura del cromosoma bacteriano
Prokaryotic cells (bacteria) contain their chromosome as circular DNA. Usually 
the entire genome is a single circle, but often there are extra circles 
called plasmids. The DNA is packaged by DNA-binding proteins.
Source:	Campbell
El ADN bacteriano está empaquetado en lazos en una estructura llamada nucleoide. 
Se concentra en una parte de la célula pero no está separado del resto de elementos 
del citoplasma como en los eucariotas. Los lazos parten de una región con 
proteínas anclada en la membrana plasmática.
http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap01/chrom_struct.html
La replicación, transcripción y traducción 
ocurren simultáneamente en bacterias.
En	una	bacteria	el	cromosoma	es	
1,600	veces	más	grande	que	la	célula
PROKARYOTES
E	
P	
R	
O	
D	
U	
C	
E
through
binary	fission
two-parts splitting
El	ciclo	celular	procariótico
Consiste	en	un	tiempo	largo	de	crecimiento,	durante	el	cual	la	
célula	replica	su	ADN,	seguido	de	una	división	celular	llamada	
fisión	binaria	o	fisión	procariótica.
Prokaryotic	
fission
Cell	growth	and	DNA	
replication
Fisión	binaria
• Ocurre	en	procariotas	(bacterias	y	arqueas)	y	en	los	organelos	eucarióticos	
• Puede	durar	más	o	menos	tiempo,	dependiendo	de	la	variedad	de	bacteria	
y	el	medio	de	cultivo	
• No	hay	uso	mitótico	
• Asexual
Bacterial Cell Division
La replicación del cromosoma comienza en el origen unido a la pared 
celular, cerca de la mitad de la célula. Ocurre de forma bidireccional a lo 
largo de todo el cromosoma, mientras la célula crece. Antes incluso de que 
acabe una ronda de replicación ya puede comenzar la siguiente, lo cual 
permite una reproducción muy rápida.
El ADN comienza su replicación en el Origen, y dos complejos de ADN 
polimerasa proceden a copiar en direcciones opuestas. Cada complejo (llamado 
replisoma) contiene dos ADN polimerasas. 
Entonces, en el origen, hay cuatro ADN polimerasas.
Replicación bacteriana Replicación bacteriana
Curva de crecimiento bacteriano
In the laboratory, under 
favorable conditions, a 
growing bacterial population 
doubles at regular intervals. 
Growth is by geometric 
progression: 1, 2, 4, 8, etc. or 
20, 21, 22, 23.........2n (where n 
= the number of generations). 
This is called exponential 
growth. 
In reality, exponential growth 
is only part of the bacterial life 
cycle, and not representative 
of the normal pattern of 
growth of bacteria in Nature.
Filamento individual de Thiomargarita magnifica. / Jean-Marie Volland
https://www.agenciasinc.es/Reportajes/La-bacteria-
mas-grande-del-mundo-desafia-a-la-microbiologia
https://www.agenciasinc.es/Reportajes/La-bacteria-
mas-grande-del-mundo-desafia-a-la-microbiologia
Growing	bacteria	in	liquid	medium
Growing	bacteria	in	solid	medium
Algunos	indígenas	del	Amazonas	tienen	la	microbiota	más	rica	y	diversa	
jamás	documentada	en	humanos	
http://www.gutmicrobiotawatch.org/es/2015/05/20/algunos-indigenas-del-
amazonas-tienen-la-microbiota-mas-rica-y-diversa-jamas-documentada-en-
humanos/
Our	gut
• 40	x	the	area	of	our	skin	
• 50,000	Tons	of	food	go	through	in	a	lifetime	
• 2/3	ofthe	immune	system	gets	trained	there	
• 20	different	hormones	produced	
• 20	different	types	of	neurons	
• More	nerves	than	the	spinal	cord
https://youtu.be/c_ZRZkU-FEw
Diseases	associated	to	the	microbiota
• immune	health		
• crohn’s	disease		
• ulcerative	colitis		
• obesity	
• diabetes		
• tooth	decay	
• gum	disease		
• allergies	
• asthma	
• cardiovascular	
diseases	
• cognitive	decline	
• Alzheimer’s?	
• Parkinson’s?	
• cystic	fibrosis?	
• cancer?
“Overwhelming evidence suggests that 
one of the hallmarks of chronic 
inflammatory disease is an overall 
depletion of microbes.”
“Children born by cesarean section – 
and therefore not exposed to 
Lactobacillus johnsonii or other 
potentially protective species in the 
mother’s vaginal tract – have a 30 
percent higher risk of developing 
allergic asthma during childhood.”
https://magazine.ucsf.edu/culturing-cures
https://www.ucsf.edu/news/2014/06/115111/lower-asthma-risk-associated-microbes-infants-homes
“The results were obtained in studies of mice challenged with allergens after earlier exposure to dust 
from homes with dogs, but the results also are likely to explain the reduced allergy risk among children 
raised with dogs from birth, according to the study leaders.
In their study, the scientists exposed mice to cockroach or protein allergens. They discovered that 
asthma-associated inflammatory responses in the lungs were greatly reduced in mice previously 
exposed to dog-associated dust, in comparison to mice that were exposed to dust from homes without 
pets or mice not exposed to any dust.”
https://www.ucsf.edu/news/2013/12/110746/research-shows-how-household-dogs-protect-against-asthma-infection
Antimicrobial	Resistance
https://youtu.be/yybsSqcB7mE
http://www.npr.org/
sections/health-shots/
2016/09/08/492965889/
watch-bacteria-invade-
antibiotics-and-transform-
into-superbugs
Infecciones	de	las	vías	urinarias	causadas	por	el	consumo	de	carne	industrial,	debido	
al	uso	de	antibióticos.	Las	bacterias	que	viven	en	el	intestino	de	esos	animales	
adquiere	resistencia	a	esos	antibióticos	y	luego	al	comer	la	carne	–los	pollos	muertos	
por	ejemplo	suelen	estar	contaminados	con	sus	heces-	uno	adquiere	esas	bacterias.	
El	paso	del	ano	al	meato	urinario	es	bastante	común.	Las	infecciones	entonces	
pueden	ser	provocadas	por	bacterias	resistentes	a	los	tratamientos	antibióticos.
Bacterias	que	influencian	nuestras	decisiones	sobre	dieta	
http://www.ucsf.edu/news/2014/08/116526/do-gut-bacteria-rule-our-minds
“Microbes	have	the	capacity	to	manipulate	behavior	and	mood	through	altering	the	neural	
signals	in	the	vagus	nerve	(which	connects	100	million	nerve	cells	from	the	digestive	tract	to	the	
base	of	the	brain),	changing	taste	receptors,	producing	toxins	to	make	us	feel	bad,	and	releasing	
chemical	rewards	to	make	us	feel	good,”
Direct	and	indirect	pathways	support	the	bidirectional	interactions	between	the	gut	microbiota	
and	the	central	nervous	system	(CNS);	involving	endocrine,	immune	and	neural	pathways	
Microbiota–gut–brain	(MGB)	axis
“Scientists are also examining whether neurological disorders, including autism 
spectrum disorder, can be treated by modifying gut bacteria. In those studies, 
treatment typically consists of a fecal transplant, drawing on the full spectrum 
of gut microbes donated by healthy volunteers. Fecal transplant is also a well-
established treatment for patients who cannot beat Clostridium difficile – a 
deadly, colon-dwelling superbug – with antibiotics.”
C.	difficile	infection:	
Antibiotics:	30%	effective	
Fecal	transplant:	>	90%
Therapeutics