Guía de Biología

Enzimas:

Son proteínas cuya función es catalizar, es decir, acelerar reacciones químicas en los seres vivos. Ello significa que participan en las reacciones, disminuyendo el nivel de “energía de activación” propia de cada reacción química, aumentando notablemente su velocidad sin consumirse.

Se llama “energía de activación” a la energía necesaria de aplicar (ya sea en forma de calor, electricidad o radiación), para que dos moléculas determinadas colisionen (choquen) y se produzca una reacción química entre ellas. Un ejemplo común y que realizas en tu vida diaria, es encender un fosforo. Los fósforos no se encienden en forma espontanea pero al aumentarla temperatura por la fricción de la cabeza se desencadena la ignición de la pólvora. Ciertamente un aumento así de temperatura no puede ocurrir en las células, puesto que se terminarían destruyendo las proteínas y evaporando en agua, con la consiguiente muerte celular. Esto no sucede no sucede ya que las enzimas disminuyen las energía de activación, de manera que las reacciones químicas ocurran y las células se mantengan vivas.

Características generales de las enzimas: (Acción enzimática)

Casi todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Una de sus características es que son catalizadores específicos, es decir cada enzima cataliza un solo tipo de reacción y actúa sobre moléculas particulares (sustrato). La estructura de la enzima, especialmente su forma y cargas eléctricas en el sitio activo, es responsable de su especificidad.

La función de las enzimas depende de su secuencia lineal de aminoácidos, que se pliega de manera particular, dando forma tridimensional a la proteína. Las enzimas proveen una superficie donde pueden ocurrir las reacciones. Cada enzima tiene una región de superficie llamada sitio activo, donde entra u se une a un sustrato especifico:

Se forma así un complejo enzima-sustrato, que es transitorio mientras dura la reacción. En el sitio activo se produce el debilitamiento de algunos enlaces en la molécula del sustrato por diversos mecanismos. El sustrato experimenta un cambio químico y los productos de la reacción de liberan de la enzima. Las enzimas, tal como los catalizadores inorgánicos no son afectadas permanentemente o consumidas en las reacciones en que participan. Actúan una y otra vez en la catálisis de la misma reacción.

Las propiedades de las enzimas están estrechamente relacionadas con el hecho de ser proteínas y de actuar como catalizadores. Como proteínas, poseen una conformación natural más estable.

En una reacción catalizada por una enzima, esta no reacciona químicamente con las sustancias sobre las que actúan (llamada sustrato), ni altera el equilibrio de la reacción: solo aumenta la velocidad con la que se produce.

En términos generales, podemos señalar que en una reacción catalizada por enzimas tenemos:

Donde: E= enzima, S= sustrato, P= producto

Modos de acción de las enzimas:

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al sitio activo de la enzima:

a) El modelo llave-cerradura: Supone que la estructura del sustrato y la del sitio activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos.

b) El modelo del ajuste inducido: Señala que, en algunos casos, el sitio activo adopta la conformación idónea solo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al sitio activo de la enzima desencadena un cambio conformacional, que da lugar a la formación del producto.

Factores que afectan la actividad enzimática:

1. Temperatura:

2. PH del medio:

3. La presencia de inhibidores: Disminuyen o anulan completamente la actividad enzimática. Pueden fijarse al sitio activo o impidiendo la separación del complejo enzima-sustrato.

Efecto de los inhibidores sobre la actividad enzimática:

Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de una enzima: son los inhibidores. Estos inhibidores bien pueden ocupar, temporalmente, el sitio activo por semejanza estructural con el sustrato original o bien, alterar la conformación espacial de la enzima, impidiendo su unión al sustrato (inhibidor no competitivo).

Ciertos inhibidores entran en el sitio activo de la enzima, impidiendo que se unan los sustratos. Otros inhibidores se unen en otras regiones de la enzima, provocando una distorsión en la forma del sitio activo, lo que también repercute en un impedimento para la unión de sustratos o para que ocurra la catálisis. Muchas toxinas son inhibidoras de enzimas. Existen inhibidores que tienen utilidad médica en el tratamiento del cáncer y en infecciones virales y bacterianas.

Algunas enzimas (alostéricas) tienen un sitio receptor, el sitio alostérico, en alguna región de la enzima que no es el sitio activo (el término alostérico significa “otro espacio”).

Las sustancias que afectan la actividad enzimática mediante unión con sitios alostéricos se denominan reguladores alostéricos. Algunos de estos son inhibidores que mantienen a la enzima en su forma inactiva; en cambio, otros son activadores, que dan por resultado una enzima con un sitio funcional activo.

Efecto de los cofactores sobre la actividad enzimática:

Casi un tercio de las enzimas conocidas requieren para funcionar la presencia de sustancias no proteicas que se denominan cofactores. Los cofactores pueden ser: iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++ o Zn++, o moléculas orgánicas, que en este caso se llaman coenzimas.

Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos covalentemente a la enzima, se llaman grupos prostéticos. La forma catalíticamente activa de la enzima, es decir, enzima unida a su grupo prostético, se llama holoenzima. La parte proteica de una holoenzima (inactiva) se llama apoenzima, de forma que:

Apoenzima + Grupo prostético = Holoenzima

Biotecnología:

Es una actividad que comenzó hace miles de años, cuando el ser humano descubrió que al fermentar las uvas se obtenía un producto como el vino. También pertenece a la biotecnología la fabricación de cerveza a partir de la fermentación de cereales, proceso que el ser humano realiza hace 4.000 años, al igual que la fermentación del jugo de manzanas para la fabricación de sidra. Y, aunque no lo creas, también es parte de la biotecnología la fabricación de pan, mediante el uso de levaduras; la elaboración de

quesos, mediante el agregado de bacterias; así como salames y yogur. Si te fijas en estos procesos, todos ellos tienen en común la intervención de microorganismos que transforman componentes.

La biotecnología roja agrupa todos aquellos usos de la biotecnología relacionados con la medicina. La biotecnología roja incluye la obtención de vacunas y antibióticos, el desarrollo de nuevos fármacos, técnicas moleculares de diagnóstico, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación genética. Algunos de los ejemplos más relevantes de biotecnología roja son, la terapia celular y la medicina regenerativa, la terapia génica y los medicamentos basados en moléculas biológicas, como los anticuerpos terapéuticos. La biotecnología blanca engloba a todos aquellos usos de la biotecnología relacionados con los procesos industriales. Por esta razón, la biotecnología blanca es también conocida como biotecnología industrial. La biotecnología blanca presta especial atención al diseño de procesos y productos que consuman menos recursos que los tradicionales, haciéndolos energéticamente más eficientes o menos contaminantes. Existen numerosos ejemplos de biotecnología blanca, como son la utilización de microorganismos para la producción de productos químicos, el diseño y producción de nuevos materiales de uso cotidiano (plásticos, textiles…) y el desarrollo de nuevas fuentes de energía sostenibles, como los biocombustibles. La biotecnología verde se centra en la agricultura como campo de explotación. Las aproximaciones y usos biotecnológicos verdes incluyen la creación de nuevas variedades de plantas de interés agropecuario, la producción de biofertilizantes y biopesticidas, el cultivo in vitro y la clonación de vegetales.La primera de estas aproximaciones es la que ha experimentado un mayor desarrollo y también la que ha suscitado mayor interés y controversia en la sociedad. La creación de variedades modificadas de plantas se basa casi exclusivamente en la transgénesis, o introducción en la planta de interés de genes procedentes de otra variedad u organismo. Mediante la utilización de esta tecnología se persiguen tres objetivos fundamentales. En primer lugar, se busca la obtención de variedades resistentes a plagas y enfermedades. A modo de ejemplo, en la actualidad se utilizan y comercializan variedades de maíz resistentes a plagas como el taladro. Una segunda utilización de las plantas transgénicas está orientada al desarrollo de variedades con mejores propiedades nutricionales (por ejemplo, mayores contenidos en vitaminas). Por último, la transgénesis en plantas también se estudia como medio para obtener variedades de plantas que actúen como biofactorías productoras de sustancias de interés médico, biosanitario o industrial en cantidades fácilmente aislables y purificables. La biotecnología azul se basa en la explotación de los recursos del mar para la generación de productos y aplicaciones de interés industrial. Si tenemos en cuenta que el mar ofrece la mayor biodiversidad, potencialmente existe una enorme variedad de sectores que se pueden beneficiar de los usos de la biotecnología azul. Muchos de los productos y aplicaciones de la biotecnología azul se encuentran en fase de búsqueda o investigación, si bien ya hay ejemplos de utilización de algunos de ellos de forma cotidiana. Sin duda, el uso de materias primas de origen marino es la biotecnología azul de mayor proyección en gran variedad de sectores. Dichas materias primas, en su mayoría hidrocoloides y gelificantes, ya están siendo ampliamente utilizados en alimentación, sanidad, depuración, etc. La medicina y la investigación son otros grandes beneficiarios del desarrollo de la biotecnología azul. Algunas moléculas marcadoras procedentes de organismos marinos son ya de uso cotidiano en investigación. También se aíslan de organismos marinos moléculas con actividades enzimáticas útiles para diagnóstico e investigación. Algunos biomateriales y agentes con actividad farmacológica o regenerativa se obtienen o están siendo investigados para su uso en estos sectores. Finalmente, sectores como la cosmética y la agricultura analizan el potencial de la biotecnología azul para su desarrollo futuro.

La ingeniera Genética:

¿Qué es la ingeniería genética? Es tan nuevo este concepto, que solo se remonta a unos pocos años, cuando los científicos comprendieron la estructura de los genes y cómo la información que portaban se traducía en ciertas características o funciones. Rápidamente, comenzaron a buscar la forma de aislarlos, analizarlos, modificarlos y hasta transferirlos de un organismo a otro para conferirle a este último una nueva característica. La ingeniería genética se puede definir como un conjunto de metodologías que permite transferir genes de un ser vivo a otro, y expresarlos en organismos diferentes al de origen. La ingeniería genética tiene grandes utilidades, entre ellas:

•Obtener vacunas, por ejemplo, contra la hepatitis B, interferón, fármacos, hormonas como la insulina y la hormona del crecimiento humano.

•Enzimas para disolver manchas, como las que se usan en los detergentes en polvo.

• Enzimas para la industria alimenticia, como las empleadas en la elaboración del queso y en la obtención de jugos de fruta, entre otras.

•Plantas resistentes a enfermedades, entre otras características.

• Terapia génica.

• Acortar y hacer más precisos los procedimientos de mejora animal y vegetal con el fin de conseguir una mayor producción y mejor calidad nutricional.

• Obtener plantas clónicas para cultivos.

• Obtener antibióticos, enzimas, proteínas sanguíneas (seroalbúmina, factores de coagulación).

• Producir alimentos: mejora de procesos biotecnológicos y de las características de los alimentos.

• Obtener “bioinsecticidas”, animales y plantas capaces de destruir a otros seres vivos que se alimentan de los cultivos.

• Obtención de órganos animales (cerdos) con genes humanos para no ser rechazados en trasplantes.

• Obtención de animales con carnes y huevos con menos colesterol y grasas.

• Vegetales resistentes a insectos, a herbicidas, al frío, a la sequía, a alta salinidad, entre otras condiciones.

Las técnicas que emplea la ingeniería genética se denominan técnicas de ADN recombinante. Los organismos que reciben un gen que les aporta una nueva característica se denominan organismos genéticamente modificados (OGM) o transgénicos.

Metodología:

1. Identificar un carácter deseable en el organismo de origen.

2. Encontrar el gen responsable del carácter deseado (gen de interés), aislarlo y caracterizarlo.

3. Combinar dicho gen con otros elementos necesarios (vector), para que este sea funcional en el organismo receptor.

4. Transferir el gen de interés, previamente introducido en el vector adecuado, al organismo receptor.

5. Hacer crecer y reproducir el organismo receptor, ahora modificado genéticamente.

Los productos transgénicos:

Los productos transgénicos son aquellos que se obtienen a partir de seres vivos, cuya información genética ha sido manipulada. A pesar de los usos potenciales que pueden tener los organismos genéticamente modificados, y de la gran cantidad de productos útiles a la humanidad que se pueden obtener, los transgénicos siguen despertando hoy en día muchos recelos, principalmente en los consumidores de países industrializados. Es uno de los debates abiertos en la actualidad, que está lejos de haber concluido.

Alimentos Transgénicos:

Los alimentos transgénicos o alimentos genéticamente modificados son aquellos a los que se les ha introducido uno o más genes de una o más especies, con el objeto que se exprese en el alimento las características del nuevo gen introducido.

Por ejemplo, si tomamos un gen de pescado cuya función es hacerlo resistente al frío y se introduce en el material genético de un tomate permitirá que éste tenga una mayor resistencia a las heladas. O bien, vacas a las cuales se les introduzca genes humanos que determinan algunas características de la leche humana, permitiría tener vacas que produjeran una leche con algunas características idénticas a la leche materna. O bien, cereales a los cuales se les introduce un gen productor de sustancias tóxicas que convertirían a la planta en un productor de insecticida que permitiría controlar determinadas plagas.

La creación de un alimento transgénico es posible gracias al desarrollo de algunas técnicas de ingeniería genética. La más utilizada es la denominada técnica del “ADN recombinante”.

Terapia Génica:

Es un conjunto de procedimientos que permiten la introducción de genes sanos o normales dentro de las células de un organismo, con el fin de tratar enfermedades que antes parecían incurables. Para ello se han desarrollado técnicas que permiten identificar y reemplazar los genes defectuosos, logrando así reparar tejidos y órganos dañados.

Formas de incorporar un gen en una célula:

A. Difusión. El gen puede atravesar la membrana plasmática y llegar hasta el núcleo.B. Proyectiles. Se “disparan” pequeñas esferas de material solido, que ingresan a la célula y que llevan consigo copias del

gen foráneo. C. Inyección. El ADN se inyecta en las células a través de agujas muy finas.D. Virus. Los virus se caracterizan por inyectar su ADN en las células. Así, si se inserta en su genoma el gen deseando, este

se podrá incorporar en el genoma de la célula.

La terapia génica es un tratamiento médico que consiste en manipular la información genética de células enfermas para corregir un defecto genético, o para dotar a las células de una nueva función que les permita superar una alteración. Con la ayuda de vectores adecuados 1 , que son generalmente virus, se introduce el gen correcto y se integra en el ADN de la célula enferma de un paciente, 2 mediante técnicas de recombinación genética. El gen terapéutico codifica la proteína normal, permitiendo convertir a la célula enferma en una célula en estado normal 3 Por ejemplo, las células enfermas, como las del hígado o del pulmón de un paciente, se infectan con el vector. El vector descarga su material genético que contiene el gen humano terapéutico en la célula enferma.

La clonación:

Un clon es la unidad genéticamente igual a la unidad predecesora, de la que esta clonado. La unidad puede ser molecular, clonado un gen, un grupo de genes, del ADN completo, una célula, un tejido, un órgano o un individuo completo. Los clones se producen de forma natural por división asexual. La clonación plantea una serie de problemas que están todavía por resolver.

Clonación Molecular:

La clonación de moléculas puede realizarse por dos procesos, la clonación acelular o clonación celular.

La clonación acelular: Se conoce también como mecanismo de amplificación de ADN o ARN. Esta clonación puede tener dos objetivos, obtener gran cantidad de ADN para distintos fines, o determinar la secuencia de porción pequeña de ADN en una disolución.

Su aplicación es muy variada. Se usa para detección de secuencias de ADN, para la secuenciación de ADN, para rastreo de mutaciones, diagnostico de enfermedades (parentales o no), para estudios evolutivos, detección de células tumorales, amplificación de ADN para clonación celular, etc.

La clonación celular: Este mecanismo utiliza células para clonar fragmentos de ADN, no es una clonación de células. Para ello, previamente se ha tenido que amplificar (es decir, conseguir muchas copias clonadas) el ADN que se quiere clonar. Después, insertar el ADN en vehículos, denominados vectores, que lo transportan e introducen en las células. El nombre que recibe estas células es anfitriones y son las células que hay que cultivar, es decir, conseguir multiplicarlas en un medio de cultivo.

Las células, cuando se multiplican, duplican el ADN propio y el fragmento que se desea clonar. De este modo se obtiene un elevado número de células que contienen el ADN que queremos clonar, llamado recombinante.

El objetivo de este tipo de clonación puede ser la amplificación del ADN clonado con el fin de estudias su secuencia, su estructura, para estudios filogenéticos o para la identificación de mutaciones. También se utiliza este método para estudiar el mecanismo de regulación de los genes, su transcripción y su traducción. Otra aplicación está en la obtención de la proteína que codifica la secuencia de ADN clonado, ya sea para analizar la estructura de la proteína, para alterarla o comercializarla en función de sus propiedades. Esta es la técnica utilizada para la obtención de insulina.

Clonación de células, tejidos u órganos:

Se utilizan células troncales, capaces de formar otras células diferenciadas, que pueden originar tejidos o podrían formar órganos, debido a su totipotencia. Con este tipo de clonación obtenemos células compatibles con el adulto, que podrían diferenciarse a distintos tipos celulares, formando un tejido o recomponiéndole. Incluso un órgano.

Esta técnica puede utilizarse en el caso de quemados para generar células epiteliales, a partir de células troncales y disminuir el rechazo de trasplantes de piel. Se ha intentado, en casos de diabéticos, introducir en células madre del páncreas, un gen “normal” productor de insulina. Estas células se diferencian para formar células de páncreas y se injertan en el paciente. También, se ha utilizado esta técnica en pacientes que han sufrido infarto cardiaco. A las células troncales se las hace madurar para formar células musculares cardiacas; se injertan en el corazón y suplen a las células muertas, regenerando la zona dañada por el infarto.

Virus:

Los virus son parásitos celulares. Pueden considerarse como material genético en tránsito; por lo tanto, no pertenecen a ningún reino de los seres vivos. Los virus hacen uso de la maquinaria celular para sintetizar sus proteínas y material genético. Los retrovirus, incluso, pueden integrarse al genoma de la célula y desde ahí dirigir la expresión de sus componentes.

Estructura de los virus

Fuera de una célula, los virus se denominan virión y presentan los siguientes componentes:

a) Ácido nucleico: puede ser ADN o ARN. Estos ácidos pueden presentarse en forma monocatenaria (una hebra) o bicatenaria (dos hebras).

b) Proteínas virales: forman la cubierta externa o cápside, compuesta por subunidades denominadas “capsómeros”, que son proteínas estructurales. No obstante, el virión también puede tener proteínas enzimáticas y aglutinantes.

c) Cápside: cubierta proteica que protege y aisla al ácido nucleico. Recibe también el nombre de cápsula vírica y presenta distintas formas. Esta estructura está formada por una única proteína que se repite (capsómero).

La clonación Acelular PCR

La clonación acelular o amplificación del ADN es un tipo de clonación de moléculas de ADN o ARN sin la intervención de una célula. Mediante esta técnica se amplifica un gen o fragmento de ADN, es decir, que se produce un gran número de copias. También puede realizarse una amplificación de ARN utilizando un ADN complementario de ARN. Para este proceso se necesita la acción de la enzima transcriptasa inversa.

La amplificación se hace por la técnica de la reacción en Cadena de la Polimerasa o PCR(Polimerase Chaine Reaction). Las aplicaciones de esta técnica son, por ejemplo, la clonación de ADN, la detección de secuencias sin purificar, la búsqueda de mutaciones, el diagnóstico de enfermedades, estudios evolutivos, resolución de problemas forenses, etc.

El método es sencillo, fiable y rápido. Para que se produzca la amplificación, en la mezcla de reacción deben encontrarse los siguientes componentes:

Fragmento de ADN que se desea amplificar. Puede provenir de distintos órganos, o de extracto de tejidos, o de sangre, o de mezcla de distintos fragmentos de ADN, etc.

Los cuatro tipos de desoxirribonucleótidos. Dos oligonucleótidos de cadena sencilla que actuarán como cebadores. Una ADN-polimerasa termoestable, ya que debe actuar a altas temperaturas (unos 75º C) y debe mantener su

estructura estable a temperaturas de 95º C.

La amplificación dura unas dos horas y es un proceso cíclico ( entre 20 y 40 ciclos). Cada ciclo dura entre un minuto y medio y cinco minutos. Cuantos más ciclos se realicen, más se amplificará el ADN.

Cada ciclo consta de tres etapas que son:

Desnaturalización: consiste en separar las dos hebras de ADN. Para ello, esta etapa se realiza a una temperatura superior a latemperatura de fusión. Es una fase corta, que dura entre 30 y 120 segundos.

Hibridación, o templado: se induce a un enfriamiento brusco de la mezcla, lo que genera la unión de los cebadores con las hebras de ADN. Esta fase dura entre 10 y 120 segundos y se realiza a una temperatura entre 37 y 65ºC.

Replicación, o elongación, o polimerización: es la fase en la que el ADN se amplifica. Dura entre uno y tres segundos, a una temperatura de unos 75º C. La replicación de esa secuencia se realiza en sentido 5' → 3'. Termina cuando lee toda la hebra molde, o hasta que empieza el siguiente ciclo.

Tipos de virus

Los virus pueden clasificarse según diversos criterios, entre ellos:

1. Según el material genético, pueden ser:

a) Virus ADN: su material genético es ADN. Existen dos tipos:

• Tipo I: poseen ADN bicatenario (de dos hebras). Son los más diversos y frecuentes.

• Tipo II: presentan ADN monocatenario (de una hebra).

En los virus ADN, la replicación dentro de las células depende de una ADN polimerasa dependiente de ADN. Es común que los ADN de cadena simple se expandan a ADN de cadena doble en las células infectadas.

b) Virus ARN: su material genético corresponde a ARN, o en su proceso de replicación necesitan ARN. Existen cuatro tipos:

• Tipo III: tienen ARN bicatenario. Se transcribe de ARN a ARN mensajero.

• Tipo IV: poseen ARN monocatenario (+). No es necesaria su transcripción. Se lee directamente como ARN mensajero.

• Tipo V: presentan ARN monocatenario (–). El ARN vírico debe ser transcrito a ARN mensajero.

• Tipo VI: tienen ARN monocatenario (+). El ARN es transcrito a ADN utilizando una enzima llamada tanscriptasa inversa. Posteriormente, el ADN sintetizado es transcrito a ARN.

2. Según la célula que infectan encontramos:

a) Virus vegetales: atacan células vegetales y tienen cápsides de forma helicoidal (1).

b) Virus animales: atacan células animales y presentan cápsides de forma icosaédrica (2).

c) Bacteriófagos o virus que atacan bacterias: presentan cápsides de forma mixta (3).

3. De acuerdo a la envoltura lipídica podemos encontrar:

a) Virus desnudos: no presentan envoltura.

b) Virus con envoltura.

Mecanismo de acción de los virus

Los virus en fase extracelular (viriones) no tienen actividad fisiológica, son estructuras inertes. El ácido nucleico viral solo se replica a expensas de la maquinaria y de la energía de la célula infectada, razón por la cual se dice que son parásitos obligados. Existen dos sistemas de replicación de virus: el ciclo lítico y el ciclo lisogénico.

Al entrar en la célula, el virus se desprende de la cápside, o bien, esta es disuelta por enzimas de la célula dentro del citoplasma, y procede a utilizar el hábitat celular para reproducirse. En los virus ADN, el material genético se replica y transcribe a ARN mensajero, el cual codifica para proteínas virales y, en algunos casos, para represores y otros productos químicos, haciendo recircular los nucleótidos del ADN de la célula hospedadora para ADN viral. En los virus ARN, el material genético puede, según sea el caso, replicarse y servir directamente como ARN mensajero, o transcribirse a ADN a partir del cual se transcribe luego en ARN mensajero. Esto último es característico de algunos tipos causantes de cáncer y del SIDA, fenómeno conocido como trascripción inversa. A continuación se describen los ciclos lítico y lisogénico, usando como ejemplo los bacteriófagos.

Ciclo lítico

Se denomina así, porque la célula infectada muere por rotura, al liberarse las nuevas copias virales. El ciclo lítico consta de las siguientes fases:

1. Fase de fijación: el virus se une a la célula hospedadora de forma estable. Esta unión es específica, ya que el virus reconoce complejos moleculares de tipo proteico, lipoproteico o glucoproteico, presentes en las membranas celulares de las bacterias.

2. Fase de penetración o inyección: el ácido nucleico viral entra en la célula mediante una perforación que el virus provoca en la pared bacteriana.

3. Fase de eclipse o multiplicación: no se observan copias del virus en la célula, pero está produciéndose la síntesis de ARN necesario para generar las copias de proteínas de la cápside. También se produce la formación de ácidos nucleicos virales y de enzimas destructoras del ADN bacteriano.

4. Fase de ensamblaje: se produce la unión de los capsómeros para formar la cápside, y el empaquetamiento del ácido nucleico viral dentro de ella.

5. Fase de lisis o ruptura: conlleva la muerte celular. Los viriones salen de la célula mediante la rotura enzimática de la pared bacteriana. Estos nuevos virus se encuentran en situación de infectar una nueva célula.

Ciclo lisogénico

A continuación se describen las principales fases del ciclo lisogénico.

1. Fase de fijación: el virus se fija a la superficie celular de una bacteria.

2. Fase de penetración o inyección: el ácido nucleico viral penetra en la célula bacteriana.

3. Fase de integración: el ácido nucleico viral se integra en el ADN bacteriano.

4. Fase de eclipse o multiplicación: el virus integrado se duplica cuando lo hace el ADN bacteriano. En esta fase, el ácido nucleico viral, en forma de ADN bicatenario, se recombina con el ADN bacteriano, introduciéndose en este como un gen más. Esta forma viral se denomina profago, o virus atenuado, mientras que la célula infectada se denomina célula lisogénica. En este estado el profago puede mantenerse durante un tiempo indeterminado, pudiendo incluso reproducirse la célula, generando nuevas células

hijas lisogénicas. El profago se mantendrá latente hasta producirse un cambio en el medio ambiente celular (variaciones bruscas de temperatura o disminución en la concentración de oxígeno), el cual induce la liberación del profago, transformándose en un virus activo que continúa el ciclo de infección hasta producir la muerte celular y la liberación de nuevos virus.

Cuando existen anticuerpos específi cos, el virusno puede continuar su ciclo lítico, porque los anticuerpos lo degradan, pero si muta por presión serológica (respuesta inmune al suero) cambian los receptores de la cápside y la infección puede continuar con éxito, o extenderse a organismos que desconocían el tipo de virus y que, por ende, carecían de los anticuerpos para ellos. Los virus también pueden actuar como vectores que mueven trozos de ADN nuclear de una célula huésped a otra, proceso llamado transducción, que puede ser general o especializado. La transducción general ocurre durante el ciclo lítico, cuando al fragmentarse el ADN de la célula huésped, este es incorporado al ADN viral que, al infectar una nueva hospedadora, puede ser transferido al cromosoma de la recién invadida, produciendo una recombinación del material genético de esta última célula. En la transducción especializada, la transferencia de genes bacterianos se limita a los contiguos al ADN viral incorporado al cromosoma bacteriano, en los bacteriófagos atenuados o lisogénicos.

Bacterias:

Bacteria es una palabra de origen griego, bakterion, que significa bastón, lo que concuerda con el aspecto alargado de las primeras bacterias que se observaron con el microscopio. Las bacterias son microorganismos unicelulares, procariontes, que poseen un tamaño que varía entre los 0,5 y los 5 micrómetros (μm). Debido a su gran adaptabilidad metabólica, las bacterias se presentan en los más diversos hábitats: profundas fosas oceánicas, donde soportan altas presiones; manantiales ácidos, o grandes cumbres, en las que toleran temperaturas bajo cero. Las bacterias más antiguas conocidas son anaerobios obligados, es decir, que no pueden vivir en ambientes con oxígeno. Otras son anaerobias facultativas, ya que pueden vivir en presencia o ausencia de este elemento. También existen las aerobias estrictas, que requieren de oxígeno para vivir. Las bacterias presentan formas variadas, tienen gran capacidad de multiplicación, de transferencia de material genético, y de adaptación a cambios ambientales, características que tienen importancia en salud y biotecnología.

Formas bacterianas

Aunque las bacterias presentan formas muy variadas, básicamente se reconocen tres tipos:

a) Esféricas (coccus). También llamadas cocos. Si se encuentran de dos se denominan diplococo; en grupo de cuatro, tetracoco; en cadena, estreptococo; en agrupaciones irregulares o en racimo, estafilococo.

b) Bacilos. Tienen forma de bastón.

c) Espirales. Presentan forma helicoidal. Si están ligeramente curvadas y en forma de coma, se denominan vibrio; si tienen forma de tirabuzón rígido, espirilo, y de tirabuzón flexible, espiroqueta.

Estructura de las bacterias

Como son procariontes, las bacterias son células “simples” en estructura, y carecen de organelos internos. Básicamente, su estructura corresponde a una membrana celular, rodeada generalmente por una pared celular; un citoplasma con ribosomas y con una región nuclear o nucleoide; y una variedad de estructuras externas, que incluyen cápsulas, flagelos y pili. A continuación se describen los principales componentes de la estructura Bacteriana.

Estructura interna

Las bacterias poseen una estructura interna simple, sin organelos membranosos. En la siguiente tabla se resumen sus principales componentes:

Nucleoide o región nuclear

Lugar en el que generalmente se encuentra el ADN (cromosoma). A pesar de carecer de membrana nuclear, el cromosoma es fácilmente distinguible del resto del interior de la célula. El cromosoma es único, circular y de doble hebra. Algunas bacterias también contienen un pequeño ADN circular, extracromosomal, llamado plasmidio, de gran importancia en la resistencia a antibióticos y en el uso de bacterias en biotecnología.

Ribosomas

Son más pequeños que los de las células eucariontes, pero tienen una función similar en la traducción del mensaje genético, en el ARN mensajero, para la producción de secuencias de péptidos (proteínas). Le dan una apariencia granular al citoplasma en las micrografías electrónicas.

Gránulos de almacenamiento

Aunque no se observan en el dibujo, los nutrientes y material de reserva pueden ser almacenados en el citoplasma, en forma de glicógeno, lípidos, polifosfatos y, en algunos casos, como sulfuro o nitrógeno.

Endospora

Algunas bacterias, como Clostridium botulinum, forman esporas que son altamente resistentes a la sequedad, a altas temperaturas y a otras condiciones ambientales. Cuando estas condiciones cambian, la espora germina para crear una nueva población.

Estructura externa

Desde el exterior hacia el interior, las bacterias presentan algunas o todas las estructuras que resume la siguiente tabla:

Cápsula

Capa de polisacáridos (a veces proteínas), que protege a la célula bacteriana. A menudo se asocia con bacterias patógenas, ya que sirve como una barrera contra la fagocitosis por los glóbulos blancos.

Membrana externa

No se observa en el dibujo. Corresponde a una bicapa lipídica que se encuentra en las bacterias Gram-negativas, y es la fuente de lipopolisacáridos (LPS) para estas bacterias. LPS es tóxico.

Pared celular

Compuesta por peptidoglicano (polímero de azúcares y aminoácidos), que mantiene la forma de las bacterias. Los micoplasmas son bacterias que no poseen pared celular y, por lo tanto, no tienen forma definida. Las bacterias desprovistas de la pared celular no pueden vivir.

Espacio periplásmico

Compartimiento celular que se encuentra solo en bacterias que tienen tanto la membrana externa como la membrana plasmática (por ejemplo, las bacterias Gram-negativas).

Membrana plasmática

Bicapa lipídica, similar a la membrana citoplasmática de otras células. Numerosas proteínas se desplazan dentro o sobre esta capa y son las principales responsables del transporte de iones, nutrientes y desechos a través de la membrana.

Apéndices

Las bacterias pueden presentar los siguientes apéndices:

Pili

Son apéndices huecos, similares a pelos, constituidos por proteínas. Permiten que las bacterias se inserten en otras células. El pili sexual permite la transferencia de una célula bacteriana a otra. También se les llama fimbrias.

Flagelo

Son largos apéndices que giran por medio de un “motor” localizado bajo la membrana plasmática, que permiten la movilidad. Las bacterias pueden tener uno o más flagelos, en diferentes posiciones

Es importante señalar que para distinguir los diferentes tipos de bacterias, los científicos utilizan un proceso de coloración llamado tinción de Gram. Hans Christian Gram (1853-1938), bacteriólogo danés, reconoció dos tipos de bacterias, basado en su reacción a ciertos procesos de tinción. Esto permitió dividir las bacterias en Gram-positivas y en Gram-negativas. Las bacterias Gram-positivas retienen el colorante, tiñéndose de color púrpura oscuro, mientras que las Gram-negativas adquieren una coloración más suave. Esto se debe a que las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular gruesa, que contiene numerosas capas de peptidoglicano, en las que se inserta ácido teicoico. Las bacterias Gram-negativas, en cambio, tienen una pared relativamente fina, consistente en unas pocas capas de peptidoglicano, rodeada por una segunda membrana lipídica, la membrana externa, que contiene lipopolisacáridos y lipoproteínas.

Reproducción bacteriana

Las bacterias se reproducen por fisión binaria o bipartición, una forma de reproducción asexual. Si están dadas todas las condiciones apropiadas, una bacteria puede dividirse cada veinte minutos, y su número puede llegar, a las 16 horas, a unos 5.000 millones. Hay bacterias que pueden crecer y dividirse cada 9,8 minutos, mientras que otras lo hacen en forma más lenta, como es el caso de las bacterias que causan la tuberculosis o la lepra. ¿Qué ventajas representa esto último? En la Figura 1.3 se representa el proceso de división celular en bacterias.

El aumento del tamaño de las bacterias y la reproducción por división celular son procesos que están relacionados, ya que las bacterias crecen hasta un tamaño fijo y después se reproducen por fisión binaria, dando origen a dos células hijas idénticas, es decir, clones de la progenitora. Por este sistema de reproducción se puede originar una colonia de células con material idéntico. Sin embargo, esto no ocurre debido al alto índice de mutaciones que existe en las bacterias.

La bipartición se produce cuando la célula ha aumentado su tamaño y ha duplicado su ADN. El ADN bacteriano se une a un mesosoma, que separa el citoplasma en dos y reparte cada copia del ADN duplicado a cada lado. Al final del proceso, el mesosoma se ha unido al resto de la membrana plasmática y se han formado dos células hijas genéticamente iguales. Existen diferencias entre el material genético y la replicación del ADN entre procariontes y eucariontes. Por ejemplo:

• el ADN de las procariontes no forma complejos con proteínas histónicas como en eucariontes;

• en las procariontes los genes son continuos, mientras que en las eucariontes son discontinuos;

• las bacterias no tienen un ciclo con un período específico de síntesis de ADN, como ocurre con la fase S del ciclo celular eucarionte. Por el contrario, en células en continua división, la síntesis de ADN también es continua.

Por otra parte, es importante señalar que los procesos de transcripción y traducción de las bacterias son similares a los de eucariontes.

Las bacterias presentan gran diversidad, lo que se debe a la elevada frecuencia de mutaciones y a procesos parasexuales, en los cuales intercambian material genético con otras bacterias, sean o no de la misma especie. Se conocen tres tipos de procesos parasexuales, los que se describen a continuación.

Conjugación bacteriana

En este hay transferencia de material genético desde una bacteria donadora F+, que transmite, a través de un puente o pili, un fragmento de ADN a otra bacteria receptora F–. La bacteria F+ posee uno o más plasmidios o factor F, además del cromosoma bacteriano. Si el plasmidio está integrado en el cromosoma bacteria- no (episoma) las bacterias son Hfr (alta frecuencia de recombinación). Las bacterias F+ solo transmiten el factor F (A), y en las Hfr el episoma arrastra parte del cromosoma bacteriano (B).

La conjugación bacteriana fue descubierta en 1946 por el médico estadounidense Joshua Lederberg (1925-2008). En sus experimentos, Lederberg utilizó dos cepas mutantes de Escherichia coli, que eran incapaces de sintetizar ciertos nutrientes, ya que tenían defectos en vías metabólicas distintas. Al cultivarlas en medios de cultivo que carecían del nutriente importante para el crecimiento de cada cepa, observó que las bacterias no crecieron. No obstante, al ponerlas juntas, se dio cuenta de que eran capaces de crecer en el medio que carecía de los nutrientes. Este fenómeno se explica por el traspaso de información genética de una cepa a otra, propiedad que se transmite a las generaciones siguientes. En los plasmidios se encuentran genes de resistencia a antibióticos y de virulencia, que pueden ser traspasados de una bacteria a otra. ¿Qué importancia tiene esto desde un punto de vista médico?

Transducción bacteriana

En este proceso, la transferencia de ADN de una bacteria a otra se realiza a través de un virus bacteriófago, que se comporta como un intermediario entre las dos bacterias. La imagen muestra los principales eventos que ocurren durante la transducción bacteriana.

Transformación bacteriana

Se produce cuando una bacteria capta fragmentos de ADN de otra bacteria rota, que estaban libres en el medio. Es el proceso menos frecuente. La Figura representa la transformación bacteriana.

El intercambio de material genético es muy frecuente en las bacterias, produciéndose un “intercambio horizontal” entre seres de la misma generación, proceso que no está al alcance de los organismos superiores, que tienen los genes encerrados en su cuerpo y solo los mezclan en la reproducción. La gran variabilidad y poder de adaptación de las bacterias se consigue por estos mecanismos. Un ejemplo es la resistencia a los antibióticos que poseen algunas bacterias patógenas, por coexistir en el intestino con bacterias simbiontes resistentes a estos fármacos, y que traspasan la resistencia a los patógenos.

Como viste en la Unidad 1, la transformación bacteriana, proceso a través del cual se produce un cambio en las características de los organismos debido a la transferencia génica, fue descubierta en 1928 por Frederick Griff th. Esta propiedad ha sido utilizada por científicos para clonar genes que previamente son introducidos en plasmidios

Importancia de las bacterias

Existen bacterias en todas partes de nuestro planeta. Son capaces de sobrevivir y prosperar en los ambientes más rigurosos, en los que la supervivencia de otros seres vivos es imposible. El rol que cumplen las bacterias es tan fundamental, que la Humanidad no existiría si no fuera por ellas. Si bien existe un grupo de bacterias que son patógenas y que causan enfermedades que pueden ser letales, estas son las menos dentro de este gran dominio de seres vivos. Las bacterias desempeñan un papel vital en la supervivencia de la vida en la Tierra. Están en los orígenes de la vida, y no hay duda de que se convirtieron en el grupo dominante del planeta durante mucho tiempo. Las bacterias crecieron y se diversificaron a un ritmo relativamente rápido (en términos geológicos), adaptándose rápidamente a nuevas formas de obtención de energía. El grupo más importante fue el de las cianobacterias. Este grupo fue capaz de aprovechar la energía del sol para obtener energía. Este proceso, la fotosíntesis, se tradujo en una liberación de oxígeno neto en la atmósfera. A lo largo de varios millones de años, las cianobacterias liberaron gradualmente más y más oxígeno en la atmósfera, lo que fue un factor clave para sentar las bases del mundo que conocemos hoy. La cantidad de oxígeno en la atmósfera es regulada por las cianobacterias, organismos que producen grandes cantidades de oxígeno, incluso más que todos los árboles de la selva amazónica. Pero, las cianobacterias también son importantes, porque son el único grupo de seres vivos que puede reducir el nitrógeno y convertirlo en formas fácilmente utilizables por las plantas, que por sí solas son incapaces de llevar a cabo el proceso. Otras bacterias participan en el ciclo del carbono, así como en el metabolismo del azufre, del fósforo y del hierro. Las bacterias de los suelos y de las aguas son indispensables para el equilibrio biológico. Nuestro cuerpo contiene grandes cantidades de bacterias “amigables”, que son neutrales o nos ayudan de alguna manera. Las bacterias del intestino son necesarias para degradar ciertos tipos de nutrientes, y también nos protegen de la invasión de bacterias nocivas. Pero, además, las bacterias tienen una importancia crucial en la alimentación, la industria, la tecnología y la economía de los seres humanos. No nos damos cuenta, pero muchas industrias dependen de la acción bacteriana. Por ejemplo, en la industria alimentaria, las bacterias (junto con levaduras y mohos) se han utilizado durante miles de años para la preparación de alimentos, como el queso, la mantequilla, el vinagre, el vino y el yogur (ver Figura 1.9). La industria química, que fabrica alcohol etílico, ácido acético, alcohol butílico y acetona, depende de las bacterias específicas que permiten su producción. Lo mismo sucede con la industria del cuero, del caucho, del algodón y del tabaco. La capacidad extraordinaria que poseen las bacterias para degradar una gran variedad de compuestos orgánicos las hacen protagonistas en el reciclado de basura y en los procesos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural (biorremediación). Por ejemplo, las bacterias capaces de degradar los hidrocarburos son de uso frecuente en la limpieza de los vertidos de petróleo, al igual que para la biorremediación de basuras tóxicas industriales.

También se utilizan bacterias para el control biológico de parásitos, en sustitución de los pesticidas. Normalmente se usa a la especie Bacillus thuringiensis (también llamada BT), una bacteria de suelo Gram-positiva. Debido a su especificidad, estos pesticidas se consideran “respetuosos” con el medio ambiente, con poco o ningún efecto sobre los seres humanos, la fauna y la mayoría de los insectos beneficiosos, como, por ejemplo, los polinizadores. Finalmente, como viste en la actividad de la página 97, las bacterias son “herramientas” básicas en los campos de la biología, la genética y la bioquímica molecular, debido a su capacidad para crecer rápidamente y a la facilidad relativa con la que pueden ser manipuladas. Realizando modificaciones en el ADN bacteriano y examinando los fenotipos que resultan, los científicos pueden determinar la función de genes, enzimas y rutas metabólicas, pudiendo trasladar, posteriormente, estos conocimientos a organismos más complejos.