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Microbiología y parasitología Genética microbiana La ciencia de la genética define y analiza la herencia o la constancia y cambio en el vasto ordenamiento de las funciones fisiológicas que constituyen las propiedades de los organismos La unidad de la herencia es el gen, segmento de dna que contiene en su secuencia de nucleótidos, información para una propiedad bioquímica o fisiológica especifica. La genética microbiana tradicional se apoya, en gran parte, en la observación del crecimiento microbiano La variación fenotípica se ha estudiado con base en la capacidad de un gen para permitir la proliferación en condiciones de selección Por ejemplo: Una bacteria que contiene un gen que le confiere resistencia a la ampicilina, puede distinguirse se una bacteria que carece del gen, por su crecimiento en presencia del antibiótico, el cual sirve como agente de selección. La genética microbiana ha descubierto que los genes están constituidos por dna, observación en la que descansa la biología molecular. Investigaciones subsecuentes sobre las bacterias, revelaron la presencia de enzimas de restricción que rompen dna en sitios específicos, dando origen a fragmentos de restricción de dna. Se identificaron plásmidos que son elementos genéticos pequeños con capacidad de replicación independiente en bacterias y en levaduras. La introducción de un fragmento de restricción de DNA en un plásmido permite que el fragmento se amplifique muchas veces. La amplificación de regiones específicas de DNA también puede lograrse con enzimas bacterianas por medio de la prueba de reacción en cadena de la polimerasa (rcp). El DNA dentro de tales regiones puede ponerse bajo control de promotores bacterianos de alta expresión que permiten que se expresen proteínas codificadas a niveles altos. Así, la genética bacteriana favorece el desarrollo de la ingeniería genética, tecnología que ha introducido adelantos tremendos en el campo de la medicina. Organización de los genes. Las estructuras del dna y el rna. La información genética se almacena como una secuencia de bases en el ácido desoxirribonucleico (dna). La mayor parte de las moléculas de dna son de doble tira (a-t; g-c) pareadas con puente de hidrogeno en el centro de la molécula. La complementariedad de las bases le permite a una tira, proporcionar la información para la copia o la expresión de la información de la otra tira. Los pares de bases están apilados dentro de la doble hélice de dna y determinan su información genética. Cada una de las cuatros bases se unen a una fosfo-2’ – dexoxirribosa para formar un nucleótido. La longitud de una molécula de dna por lo general se expresa en miles de pares de bases o kilopares de bases (kpb) Un virus pequeño puede contener una molécula de tira sencilla de dna de 5 kpb, en tanto que la molécula sencilla de dna que forma el cromosoma de escherichia coli tiene alrededor de 4690 kpb. Cada par de bases está separado del siguiente más o menos 0.34 nm , de modo que la longitud total del cromosoma de e. Coli es de casi 1 mm. Puesto que las dimensiones globales de la célula bacteriana son mil veces menores que esa longitud, es evidente que una cantidad notable de plegamiento o superenrrollamiento, contribuye a la estructura física de la molécula in vivo. El acido ribonucleico (rna) Se encuentra con mas frecuencia en forma de tira sencilla. Las tiras sencillas de rna asumen una estructura compacta, capaz de expresar la información genética contenida en el dna. Se ha demostrado que algunas moléculas de rna funcionan como enzimas. La actividad más general del rna consiste en comunicar las secuencias de genes del dna, en la forma de rna mensajero (mrna), a los ribosomas. Dentro de los ribosomas, que contienen rna ribosómico (rrna), los mensajes son traducidos con ayuda del rna de transferencia (trna), en secuencias de aminoácidos que constituyen las proteínas. Las moléculas de rna varían en tamaño, desde los trna pequeños que contienen menos de 100 bases, hasta los mrna, que pueden llevar mensajes genéticos que comprenden varios miles de bases. Los ribosomas bacterianos contienen tres clases de rrna, cuyo tamaño respectivo es de 120, 1500 y 2900 bases. Las moléculas de rrna correspondientes en los ribosomas eucarióticos, son algo mayores. Hay recambio metabólico rápido de la mayor parte de los mrna. Por otra parte, los trna y los rrna, los cuales se relacionan con las síntesis de proteínas (función requerida universalmente), tienden a ser estables. Genoma procariotico La mayor parte de los genes de los procariotes están en el cromosoma bacteriano, un solo círculo sencillo que posee alrededor de 4000 kpb de dna. Algunas bacterias como el vibrio cholerae , la bulkholderia mallei y brucella melitensis poseen 2 cromosomas circulares Genoma procariotico Muchas bacterias contienen genes adicionales en plásmidos, cuyo tamaño varía de varios a 100 kpb Replicones Son círculos de dna (cromosoma y plásmidos), que contiene información genética necesaria para su propia replicación En los procariotes no hay membranas que separen los genes del citoplasma como en los eucariotes. Con pocas excepciones, los genes bacterianos son haploides. Los genes esenciales para la proliferación bacteriana están contenidos en el cromosoma Los plasmidos portan genes relacionados con funciones especializadas Así, los genes con orígenes evolutivos independientes, pueden ser asimilados por plásmidos que están distribuidos de manera extensas entre las poblaciones bacterianas. Una consecuencia de estos fenómenos genéticos se han observado en la veloz propagación, entre poblaciones bacterianas, de la resistencia a antibióticos transmitidas por plásmidos, después del uso liberal de aquellos en los hospitales. Transposones Transposones Son elementos genéticos que contienen varios kpb de dna, incluyendo la información necesaria para su emigración de un locus genético a otro. Tipos de transposones 1.transposones simples, unas secuencias para insertación, contiene solo esa información genética. 2.transposones complejos poseen genes para funciones especializadas como la resistencia a antibióticos y están flanqueados por secuencias para inserción. Al contrario de los plásmidos, los transposones no contienen la información genética necesaria para su propia replicación. La selección de transposones depende de su replicación como parte de un replicón. La identificación o la exploración genética de los transposones, se logra por selección de la información genética especializada (normalmente, resistencia a un antibiótico) que ellos poseen. Dna bacteriano. Las bacterias no muestran semejanza algunas con las complejas estructuras relacionadas con la segregación de los cromosomas eucarioticos en distintos núcleos hijo Se cree que los replicones procarioticos se unen a la membrana celular, y que la segregación de los cromosomas hijos y los plásmidos, se acopla al alargamiento y septación de la membrana. La replicación del cromosoma bacteriano es controlada de manera estrecha y el número de cromosomas por cada célula en formación varia entre uno y cuatro. Algunos plásmidos bacterianos pueden tener hasta 30 copias en una sola célula bacteriana. La replicación del dna circular de doble tira de las bacterias comienza en el locus ori, una region del dna que se cree está unida a la membrana celular La replicación del dna cromosómico procede en dos direcciones desde el punto de origen, y la terminación del proceso en un punto distante, produce dos cromosomas hijos que experimentan segregación. Procesos análogos conducen la replicacióndel dna de plásmidos excepto que, en algunos casos, la replicación es unidireccional. Transposones. Los transposones no llevan la información genética requerida para acoplar su propia replicación a la división celular y , por tanto, su propagación depende de su propia integración física con un replicón o en otro. Por lo general, es baja la especificidad de la secuencia en el sitio de inserción, de modo que a menudo los transposones parecen insertarse en un patrón aleatorio. Puesto que muchas de estas inserciones seccionan genes, los transposones suelen causar mutaciones. Entre las células bacterianas se transfieren numerosos plásmidos, y la inserción de un transposón en uno de esos plásmidos puede desembocar en su dimensión a través de una población. Fago Los bacteriófagos son virus que infectan a los procariotes. La molecula de acido nucleico del bacteriofago esta cubierta de proteinas; algunos contienen ademas lipidos , pero son la excepcion. El acido nucleico del fago muestra un variabilidad considerable. Muchos de los fagos contienen dna de doble tira ; otros de rna de tira sencilla y algunos poseen dna de tira sencilla Muchos fagos contienen estructuras tipo jeringas , que se adhieren a los receptores de la superficie celular e inyectan el acido nucleico del fago a la celula huesped. Los fagos se pueden distinguir en base a su modo de propagacion 1. Fagos liticos: producen varias copias de si mismos y al hacerlos destruyen a las celulas huesped 2.fagos moderados : tienen la propiedad de entrar en un estado no litico de profago, en el que la replicacion de acido nucleico , esta enlazada a la replicacion de la celula huesped Las bacterias que portan profagos se denominan lisogenicas debido a que a una señal fisiologica pueden desencadenar un ciclo litico del virus que causa la muerte de la celula huesped y la liberacion de muchas copias del fago Los bacteriófagos muestran diversidad considerable en la naturaleza de su ácido nucleico, y esta diversidad se refleja en modos diferentes de replicación Los fagos liticos y moderados tienen estrategias diferentes de propagacion los fagos liticos producen copias numerosas de si mismos en un solo estallido de proliferacion Los fagos moderados se establecen como profagos , ya sea como parte de un replicon establecido , o formando un replicon independiente El dna de doble tira de numerosos fagos liticos es lineal y la primera etapa de replicacion es la formacion de dna circular El dna de una tira de los fagos filamentosos es convertido a la forma replicativa de dna circular de doble tira Los bacteriofagos moderados pueden establecerse en su estado profago como plasmidos El dna de doble tira de otros bacteriofagos se establece como profago por su insercion en el cormosoma del huesped Los profagos contienen genes que se requieren para la replicación litica (replicacion vegetativa) y la expresión de esos genes se reprime en tanto conserven el estado de profagos Una cascada de interacciones moleculares desencadena la desrepresion ( liberacion de la represión) , de manera que un profago experimenta replicación vegetativa, lo cual conduce a la produccion de numerosas particulas infecciosas Transferencia de dna Es muy común la transferencia de dna entre cepas de procariotes y contribuye de modo importante a la notable diversidad genética de las bacterias. El intercambio genético bacteriano se caracteriza por la transferencia de un fragmento relativamente pequeño, de un genoma del donador, a una célula receptora. El éxito en la recombinacion genética requiere que el dna del donador se replique en el microorganismo recombinante. La replicación puede lograrse por integración del dna del donador en el replicón del receptor, o por establecimiento del dna del donador como un replicon independiente. Mecanismo de recombinacion El dna del donador que no contiene la información necesaria para su propia replicación, debe recombinarse con el dna del receptor para poder establecerse en una cepa receptora. La recombinacion puede ser; 1- Legitima: una consecuencia de la estrecha semejanza de las secuencias de los dna del donador y del receptor. Microbiologia y parasitologia Ilegitima: el resultado de la recombinación catalizada por enzimas entre secuencias diferentes de dna. Mecanismo de transferencia de genes. Hay tres tipos principales de intercambio genético en procariotes: 1- Conjugación 2- Transducción 3- Transformación Conjugación La célula donadora contribuye con energía y componentes estructurales para la síntesis de una tira nueva de dna, que es transferida de manera física a la célula receptora El receptor completa la estructura de doble tira del dna, por síntesis de la tira que complementa a la adquirida del donador. Transducción El dna del donador es transportado en una envoltura de fago y transferido al receptor mediante el mecanismo utilizado por el fago infectante. Transformación Captación directa del dna del donador por la célula receptora, puede ser natural o forzada. Transformación natural Son pocas las cepas bacterianas, competentes de manera natural para la transformación. estas cepas asimilan el dna del donador en su forma lineal. Transformación forzada Se induce en el laboratorio, donde, después de tratamiento con sales concentradas o choques termicos, muchas bacterias se vuelven competentes para la asimilación de plásmidos extracelulares. A-conjugacion Los plásmidos son los elementos genéticos que con mayor frecuencia se transmiten por conjugación. Las funciones geneticas que se requieren para la transferencia, son aportadas por los genes tra, contenidos en plásmidos autotransmisibles El análisis genético de e. Coli, avanzó de manera notable por la investigación de los factores de fertilidad contenidos en un plásmido denominado f+. Este plasmido confiere ciertas características a las células del donador Como el pilus sexual, proteina extracelular protuberante que adhiere las celulas donadoras a los microorganismos receptores que carecen del factor de fertilidad. Un puente entre éstas permite que una tira de plasmido f+, sintetizada por el donador, pase al receptor, donde se forma la tira complementaria de dna. El factor de fertilidad f+ puede integrarse en muchos loci del cromosoma de las celulas donadoras. B. Transduccion. Es la recombinacion genética mediada por fagos en las bacterias. En los términos más simples, una partícula de transducción (transductora) podría ser considerada como dna bacteriano en una envoltura de fago Los fagos moderados son los vehículos preferidos para la transferencia de genes, debido a que la infección de las bacterias receptoras, en condiciones que favorecen la lisogenia, minimiza la lisis celular y, por tanto, ayuda a la supervivencia de las cepas recombinantes. C- transformacion. La captación directa del dna del donador por las células receptoras, depende de su competencia para la transformación. La ocurrencia natural de esta propiedad es poco común entre las bacterias, y algunas de sus cepas sólo son transformables en presencia de factores de competencia, producidos solo en un punto específico en el ciclo de crecimiento. Otras cepas experimentan con facilidad una transformación natural, y tales microorganismos son prometedores en ingeniería genética debido a la facilidad con que incorporan dna modificado en sus cromosomas. La transformación natural es un proceso activo que demanda enzimas específicas producidas por la célula receptora. Muchas bacterias, incapaces de experimentaruna transformación natural, puede ser forzadas a incorporar plásmidos por tratamiento con cloruro de calcio y choque térmico. La transfección consiste en la introducción de de material genético externo en células eucariotas mediante plásmidos, vectores víricos Mutacion y reordenamiento de genes. mutaciones espontáneas. Las mutaciones son cambios en la secuencia del dna. Las mutaciones espontáneas para un gen dado, por lo general ocurren con una frecuencia de 10 x a 10 , en una población derivada de una sola bacteria. Las mutaciones pueden ser Sustituciones Supresiones Inserciones Y reordenamientos de bases. Las sustituciones de bases pueden ser causadas por apareamiento erróneo entre bases complementarias durante la replicación. Muchas sustituciones de bases escapan a la detección a nivel fenotípico, debido a que no alteran en forma significativa la función del producto genético. Mutagenos La frecuencia de mutación se amplifica de modo notable por exposición de las células a mutágenos. La luz ultravioleta (uv) es un mutágeno físico que lesiona al dna, al favorecer el enlace de bases timina vecinos para formar dímeros. Los mutágenos químicos pueden actuar por alteración de la estructura física o química del dna. Los compuestos químicos reactivos alteran la estructura de las bases del dna. Por ejemplo, el acido nitroso (hno2) sustituye los grupos amino por radicales oxhidrilo. El dna resultante muestra alteraciones en la actividad del molde en las replicaciones subsiguientes. En general, el efecto directo de los mutágenos químicos o físicos es el daño al dna. Inversión y supresión Inversión fenotípica Es la recuperación de una actividad perdida como consecuencia de una mutación Esta puede resultar o no de la restitución de la secuencia original de dna, como podría ser exigido por la inversión genotípica. Mutación supresora Se produce cuando una mutación, en un segundo locus, restablece la actividad perdida. En la supresión intragénica, después de que una mutación primaria ha cambiado la estructura de una enzima, de modo que su actividad se ha perdido, una segunda mutación, en un sitio diferente en el gen de la enzima, restablece la estructura requerida para la actividad. La supresión extragénica es causada por una segunda mutación que ocurre fuera del gen afectado en un principio. EXPRESION GENETICA. LA SEPARACIÓN TREMENDA EN LA EVOLUCIÓN DE LOS GENOMAS DE EUCARIOTES Y PROCARIOTES, ES NOTABLE CUANDO COMPARAMOS SUS MECANISMOS DE EXPRESIÓN DE GENES, LOS CUALES COMPARTEN CIERTAS PROPIEDADES. EN AMBOS GRUPOS, LA INFORMACIÓN GENÉTICA ESTA CODIFICADA EN EL DNA, TRANSCRIPTA A mrna Y TRADUCIDA EN LOS RIBOSOMAS, CON AYUDA DE trna, A ESTRUCTURAS DE PROTEÍNAS. EL MECANISMO POR EL CUAL LA SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOS EN UN GEN DETERMINA EL ORDEN DE LOS AMINOÁCIDOS EN UNA PROTEÍNA, ES COMO SIGUE: 1- TRANSCRIPCIÓN. LA RNA POLIMERASA FORMA UNA TIRA SENCILLA DE POLIRRIBONUCLEÓTIDOS, LLAMADA “RNA MENSAJERO” (mrna) UTILIZANDO AL DNA COMO MOLDE. EL mrna TIENE UNA SECUENCIA DE NUCLEÓTIDOS COMPLEMENTARIA DE UNA DE LAS TIRAS DE LA DOBLE HÉLICE DE DNA. 2- TRANSFERENCIA: LOS AMINOÁCIDOS SON ACTIVADOS POR ENZIMAS Y TRANSFERIDOS A MOLÉCULAS DE RNA ADAPTADORAS ESPECIFICAS, TAMBIEN LLAMADAS “RNA DE TRANSFERENCIA” (trna). 3- TRADUCCIÓN: SE PRODUCE DE LA SIGUIENTE mrna Y EL trna SE REÚNEN EN LA trna ENCUENTRA SU TRIPLETE DE NUCLEÓTIDOS COMPLEMENTARIO EN EL mrna, EL AMINOÁCIDO QUE TRANSPORTA ES UNIDO POR ENLACE PEPTÍDICO AL AMINOÁCIDO DE LA MOLÉCULA DE trna QUE LE PRECEDE (VECINO). EL RIBOSOMA SE MUEVE A LO LARGO DEL mrna Y CRECE EL POLIPÉPTIDO DE MANERA SECUENCIAL, HASTA QUE LA MOLÉCULA ENTERA DEL mrna HA SIDO TRADUCIDA A LA SECUENCIA CORRESPONDIENTE DE AMINOÁCIDOS. REGULACION DE LA EXPRESION GENETICA. EL mrna EUCARIOTICO ES TRANSPORTADO DEL NÚCLEO AL CITOPLASMA, DONDE TIENE LUGAR LA TRADUCCIÓN. POR EL CONTRARIO, CON EL mrna PROCARIOTICO LA TRADUCCIÓN SE ACOPLA A SU SÍNTESIS, Y DE ESE ACOPLAMIENTO SURGEN LAS OPORTUNIDADES PARA LA REGULACIÓN QUE PUEDE SER EXCLUSIVA DE LOS PROCARIOTES. REPRESION: SE UTILIZA PARA REGULAR LA EXPRESION GENTICA A TRAVES DE POR EJEMPLO DE UNA PROTEÍNA QUE SE UNE A LA SECUENCIA DEL OPERADOR DE UN GEN , EVITANDO ASÍ LA TRASCRIPCIÓN DE DICHO GEN. CONTROL NEGATIVO : ES LA PREVENCIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN, POR MEDIO DE UNA PROTEÍNA REPRESORA. CONTROL POSITIVO: ES EL INICIO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN RESPUESTA A LA UNIÓN DE UNA PROTEÍNA ACTIVADORA. INGENIERIA GENETICA. LA INGENIERÍA ES LA APLICACIÓN DE LA CIENCIA A LAS NECESIDADES DE LA SOCIEDAD. EN AÑOS RECIENTES, LA INGENIERÍA BASADA EN LA GENÉTICA BACTERIANA HA TRANSFORMADO A LA BIOLOGÍA. PUEDEN AISLARSE Y AMPLIFICARSE FRAGMENTOS ESPECIFICADOS DE DNA, Y SUS GENES SE PUEDE EXPRESAR A NIVELES ALTOS. LA ESPECIFICIDAD DE NUCLEÓTIDOS REQUERIDA PARA LA PARTICIÓN CON ENZIMAS RESTRICTIVAS, PERMITE QUE LOS FRAGMENTOS QUE CONTIENEN GENES O PARTES DE GENES SE UNAN POR COVALENCIA A PLÁSMIDOS (“VECTORES”) QUE MÁS ADELANTE PUEDE SER INSERTADOS EN HUÉSPEDES BACTERIANOS. LAS COLONIAS BACTERIANAS O CLONAS QUE CONTIENEN GENES ESPECÍFICOS, PUEDEN SER IDENTIFICADAS POR HIBRIDACIÓN DE DNA O RNA, CON PROBADORES QUÍMICOS O RADIOQUIMICOS. DE OTRO MODO, PRODUCTOS PROTEÍNICOS CODIFICADOS POR ESO GENES, PUEDEN SER RECONOCIDOS POR SU ACTIVIDAD ENZIMÁTICA O POR TÉCNICAS INMUNITARIAS. ESTOS ÚLTIMOS PROCEDIMIENTOS HAN MEJORADO DE MODO IMPORTANTE POR LA NOTABLE SELECTIVIDAD QUE SE LOGRA CON LOS ANTICUERPOS MONOCLONALES QUE SE UNEN A DETERMINANTES ANTIGÉNICOS ESPECÍFICOS EN LOS PRODUCTOS PROTEÍNICOS. ASÍ, LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA PUEDEN USARSE PARA AISLAR CASI CUALQUIER GEN CON PROPIEDADES BIOQUÍMICAS IDENTIFICABLES. MANIPULACION DE DNA CLONADO. LAS TÉCNICAS DE INGENIERÍA GENÉTICA PERMITEN LA SEPARACIÓN Y LA EXPRESIÓN INDEPENDIENTE POR COMPLETO DE GENES RELACIONADOS CON PATÓGENOS. LAS VACUNAS PREPARADAS CON GENES MANIPULADOS, DAN MEDIDAS DE SEGURIDAD E INNOCUIDAD QUE ANTES NO SE OBTENÍAN. POR EJEMPLO, PODRÍA PREPARARSE UNA VACUNA CONTRA UNA PROTEÍNA DE ENVOLTURA VIRAL QUE SE OBTENGAN EN AUSENCIA DE GENES RELACIONADOS CON FUNCIONES VIRALES REPLICATIVAS. POR TANTO,LA INOCULACIÓN CON VACUNAS DE ESTE TIPO NO ACARREARÍA EL RIESGO DE INTRODUCIR VIRUS FUNCIONALES LAS DIFICULTADES POTENCIALES EN EL DESARROLLO DE ESTAS VACUNAS, PROCEDEN DE LA FACILIDAD CON LA QUE MUTACIONES VIRALES PUEDEN PRODUCIR VARIANTES GENÉTICAS QUE NO SEAN RECONOCIDAS POR EL SISTEMA INMUNITARIO DE UN INDIVIDUO VACUNADO. POR ULTIMO, LAS VACUNAS PUEDEN CONTENER UNA SERIE DE PROTEÍNAS QUE ANTICIPEN LA RESPUESTA GENÉTICA DE LOS PATÓGENOS.
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