Sección 5. La diversidad de la vida

AUTOEVALUACIÓN - Capítulo 27. Procariotas y virus

Cuestionario:

1. Distinga entre los siguientes términos: arqueobacterias/eubacterias, gram-positiva/gram-negativa; flagelo eucariótico/flagelo bacteriano/fimbrias; patógeno/toxina; virus/viroide/prión.
2. Muchos microorganismos producen antibióticos. ¿Cuál piensa usted que sería la función para el organismo que los produce?
3. Defina los siguientes términos relativos a las bacterias: cepa/especie; célula/colonia; célula vegetativa/espora.
4. ¿Se puede considerar a las esporas como estructuras de supervivencia? ¿Por qué? ¿En qué casos las esporas constituyen un problema para el ser humano?
5. Antes de que se conociera la estructura de cualquier virus, Crick y Watson predijeron que las cubiertas proteicas de los virus deberían estar constituidas por un gran número de subunidades idénticas. ¿Puede usted explicar la base de esta predicción?
6. Algunos biólogos consideran a los virus como organismos vivos. ¿Por qué criterio podrían ser considerados vivos los virus?
7. Se dice que los procariotas son considerados más “primitivos" que los eucariotas. ¿Esto significa que son idénticos a las formas de vida que existieron antes de que surgieran los eucariotas? Explique su respuesta.

Respuestas:

1.Distinga entre los siguientes términos: arquebacterias/eubacterias, gram-positiva/gram-negativa; flagelo eucariótico/flagelo bacteriano/fimbrias; patógeno/toxina; virus/viroide/prión.

Ambos son estructuralmente procariotas, pero a nivel molecular son evolutivamente muy diferentes uno de otro. En las eubacterias la formil-metionina es el aminoácido iniciador de la traducción. Estas bacterias, además, poseen una sola RNA polimerasa (con 4 subunidades). Las arqueobacterias, en cambio, inician la traducción con el aminoácido metionina, como los eucariotas, y poseen por lo menos dos RNA polimerasas de 8 o 10 polipéptidos, en su mayoría. El dihidrouracilo, una base modificada del RNA, que se encuentra presente en eubacterias y eucariotas, no se registra en las arqueobacterias (excepto en un pequeño grupo). Debido a algunas de las diferencias que mencionamos, la sensibilidad a ciertos antibióticos tampoco es igual entre las bacterias de estos dominios. La mayoría de los procariotas que encontramos en nuestra vida cotidiana son filogenéticamente eubacteria. Las arqueobacterias, en cambio, se caracterizan por prosperar en condiciones de crecimiento inusuales. Muchos de los medios habitados hoy por las arqueobacterias se asemejan a los que debían predominar en la Tierra hace millones de años.

Las paredes celulares de las eubacterias se presentan en dos configuraciones diferentes, que se distinguen fácilmente por su capacidad para combinarse firmemente con ciertos colorantes. El microbiólogo danés Hans Christian Gram descubrió que al tratar un preparado microscópico sucesivamente con un colorante violeta, un fijador, un lavado con alcohol y un colorante de contraste rosa o rojo, algunas bacterias aparecían violetas y otras rosadas. Las células que retienen el primer colorante y se tiñen de violeta se llaman gram-positivas (G+). Aquellas de aspecto rosado, que se tiñen por el segundo colorante –pues el violeta fue lavado por el alcohol– se conocen como gram-negativas (G-). La pared de las gram-positivas está formada por una capa homogénea y espesa de peptidoglicano y polisacáridos. En las gram-negativas, la pared consiste en una capa delgada de peptidoglicano y una capa exterior, la membrana externa, similar en estructura a la membrana celular y con lipoproteínas y lipopolisacáridos. La técnica de coloración de Gram está relacionada, en general, con el espesor de la pared, el tamaño de los poros y las propiedades de permeabilidad de la envoltura celular. La coloración de Gram refleja, entonces, una diferencia fundamental en la arquitectura de la pared celular de las eubacterias. La estructura de la pared celular está en relación con los patrones de susceptibilidad a antibióticos y a otras sustancias

Casi todos los cilios y los flagelos eucarióticos tienen la misma estructura interna. Hay 9 pares de microtúbulos fusionados que forman un anillo que rodea a otros dos microtúbulos solitarios situados en el centro. Los microtúbulos están compuestos de unidades de proteínas globulares idénticas, organizadas en forma de una hélice hueca. El movimiento de los cilios y los flagelos proviene del interior de estas mismas estructuras. Los microtúbulos están asociados a numerosas proteínas. La más importante de estas proteínas es la dineína ciliar, proteína motora que constituye “brazos” unidos a los pares de microtúbulos. Otras proteínas mantienen unido el haz de microtúbulos. Unas forman los rayos que conectan a los 9 pares de microtúbulos externos con el par central, y otras, como la proteína nexina, forman enlaces bastante más espaciados que conectan los 9 pares externos entre sí. La dineína hidroliza ATP como fuente de energía para generar una fuerza de deslizamiento entre los pares de microtúbulos. Las proteínas que mantienen unido el haz de microtúbulos limitan la magnitud del deslizamiento que ocurriría entre microtúbulos libres, permitiendo que el flagelo se curve. Los movimientos coordinados de los cilios establecen patrones de ondas que mueven la célula o arrastran sustancias sobre su superficie.

Los flagelos bacterianos son responsables de la movilidad y, según las especies, pueden aparecer como penachos, de número variable, en uno o en los dos polos de la célula; también pueden estar distribuidos en toda su superficie. Se encuentran más a menudo en las bacterias gram-negativas y están constituidos por tres partes: el filamento, el gancho y el cuerpo basal.

El filamento, de longitud variable, consiste en tres cadenas de una pequeña proteína globular, la flagelina, enrolladas en triple hélice, que dejan una zona central hueca. Esta proteína tiene la capacidad de autoensamblarse. Cuando los monómeros de flagelina son sintetizados, pasan a través de la luz del cilindro y se ensamblan en el extremo distal de las cadenas. Los flagelos bacterianos crecen, entonces, desde el ápice. El filamento termina en un gancho formado por una proteína diferente que se inserta en el cuerpo basal. El cuerpo basal está compuesto por anillos complejos fijados en la membrana celular y en la pared celular y conectados por un bastón. El flagelo bacteriano está amarrado a la membrana y a la pared celular, pero sobresale de la célula como un filamento proteico desnudo (no está envuelto por la membrana celular como los flagelos eucarióticos). Su presencia puede visualizarse al microscopio electrónico y por medio de otras técnicas. El cuerpo basal aparentemente actúa como un motor que se mueve por energía quimiosmótica. El gancho permite la transmisión del movimiento de rotación desde el cuerpo basal hacia el filamento. Los flagelos pueden rotar con frecuencias relativamente altas que dan como resultado una rotación de la célula en dirección opuesta de aproximadamente un tercio de esa velocidad. Las fimbrias son apéndices con aspecto de pelos que están presentes, en número variable –de 10 a cientos– en las bacterias gram-negativas sean o no flageladas. Tienen de 3 a 10 nm de diámetro y una longitud de 15 a 20 mm, y están compuestos de una proteína llamada fimbrilina. Las fimbrias, que parecen tener origen en la membrana celular; carecen de cuerpo basal y de gancho. Participan en la formación de pares específicos durante la conjugación y sirven de sitio de adhesión de virus bacterianos. Las fimbrias que intervienen en la adhesión celular a superficies mucosas reciben el nombre de adhesinas y pueden aumentar la virulencia de cepas patógenas. El término pili, que antes se usaba indistintamente con el de fimbria, actualmente quedó restringido a los pelos que participan en la conjugación.

Un patógeno es un organismo que afecta a otro organismo. Una toxina es una sustancia nociva producida por un patógeno. Hay dos tipos de toxinas: las endotoxinas y las exotoxinas. Las endotoxinas son lipopolisacáridos asociados con la membrana externa de las bacterias gram-negativas; su toxicidad reside en su parte lipídica. Cuando la bacteria muere (se lisa), estos lípidos se unen a las células del sistema inmunitario y causan fiebre y otros síntomas que denotan la infección. Las exotoxinas son secretadas al medio por las bacterias.

Los virus están formados por una región central de ácido nucleico, DNA o RNA, rodeado por una cubierta proteínica o cápside y, en algunos casos, por una envoltura lipoproteica. Se reproducen solamente dentro de las células vivas, apoderándose de las enzimas y la maquinaria biosintética de sus hospedadores. Sin esta maquinaria, serían tan inertes como cualquier otra macromolécula, o sea, sin vida según la mayoría de los criterios. El tamaño de los virus va desde 17 nanometros (una molécula de hemoglobina tiene 6,4 nanometros de diámetro) hasta aproximadamente 300 nanometros, mayor que el de las bacterias pequeñas. Los más grandes están en el límite de resolución del microscopio óptico. Los virus difieren entre sí en su tamaño, forma y composición química de su genoma. Estas características son utilizadas para su identificación y clasificación. Los viroides, son moléculas de RNA desnudo que se encuentran en las plantas. Se replican en el nucléolo. Allí, el RNA infeccioso o cadena + es copiado por una RNA polimerasa celular, en RNA de cadena menos (–) lineal. Luego esta cadena – sirve como molde para la síntesis de nuevas cadenas +, que son cortadas en RNA individuales y posteriormente ligadas; así se forma el RNA infeccioso circular. El medio del que se valen para causar la enfermedad es un enigma. Se encuentran casi exclusivamente en los núcleos de células infectadas y los experimentos han mostrado que el RNA de los viroides no funciona como mRNA. A diferencia del DNA o del RNA de los virus, el material genético de lo viroides no se traduce a enzimas que participen en su propia replicación, ya que no poseen ningún marco de lectura abierto que potencialmente codifique para una proteína.

Los priones son partículas proteicas pequeñas que se encuentran en los animales. Las enfermedades causadas por priones se llaman frecuentemente encefalopatías espongiformes debido a la apariencia vacuolada que presenta el cerebro de los animales afectados. Este es el caso de la encefalopatía espongiforme bovina (BSE) o enfermedad de la vaca loca y del scrapie en ovejas. Probablemente, la mayor parte de las especies de mamíferos pueden desarrollar enfermedades de este tipo. En humanos, se han descripto distintas enfermedades causadas por priones: en algunos casos hereditarias, como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob y el insomnio fatal familiar, y en otros casos adquiridas, como el kuru, una enfermedad detectada en tribus de Nueva Guinea, transmitida a causa de rituales caníbales.

2.Muchos microorganismos producen antibióticos. ¿Cuál piensa usted que sería la función para el organismo que los produce?

La producción de antibióticos por los microorganismos pudo haber sido seleccionada ya que puede ayudar a destruir los microorganismos de otras especies, o bien a desplazarlos por competencia. Probablemente el microorganismo pueda usar los restos del organismo muerto por el antibiótico como alimento suplementario.

3.Defina los siguientes términos relativos a las bacterias: cepa/especie; célula/colonia; célula vegetativa/espora.

Las cepas están formadas por organismos idénticos –clones– de una misma especie. La especie está definida por los caracteres fenotípicos de una colección de cepas o clones –poblaciones de células genéticamente idénticas derivadas de una sola célula–. Los cultivos de las cepas-tipo, que sirven como estándares de los caracteres atribuidos a una especie particular, se conservan en las colecciones reconocidas internacionalmente. Se trata de cultivos puros, que contienen un solo tipo de microorganismo que, en general se encuentran congelados; es decir, es una cepa-tipo viviente.

Una colonia se origina, a través de múltiples divisiones de una única célula, es decir, a partir de un sólo organismo; es un clon de células genéticamente idénticas.

Una célula vegetativa es el tipo de célula que realiza todas las actividades metabólicas en las bacterias. Las esporas son estructuras de resistencia.

4.¿Se puede considerar a las esporas como estructuras de supervivencia? ¿Por qué? ¿En qué casos las esporas constituyen un problema para el ser humano?

La formación de esporas incrementa, en gran medida, la capacidad de supervivencia de las células procarióticas. El estímulo para iniciar la esporulación se produce cuando, en un cultivo de células vegetativas, se agota un nutriente esencial. En una célula con el material genético duplicado, crece un septo membranoso que separa la futura espora del resto de la célula "madre". Ésta luego encierra, como en la fagocitosis, al protoplasto de la espora incipiente que queda entonces rodeada por una segunda membrana. Esta membrana secreta la llamada corteza de la espora, formada por una capa de peptidoglicano de gran complejidad. La espora madura se libera de la célula y permanece latente hasta que acontecimientos adecuados como la presencia de nutrientes o agua promuevan su germinación. La germinación ocurre rápidamente: las enzimas se activan, se degradan las cubiertas de la espora y comienza la síntesis de RNA y de proteínas. Las proteínas específicas que protegieron al DNA sirven como fuente de carbono y de energía. Con la síntesis de DNA, la célula vegetativa está lista para duplicarse.

Estas esporas pueden ser problemáticas para el ser humano. Por ejemplo, las esporas de Clostridium botulinum, la bacteria que causa el botulismo, no se destruyen al ser hervidas durante varias horas. Al mismo género pertenecen C. perfringens y C. tetanis, causantes de la gangrena y del tétanos, respectivamente. Todos son anaerobios estrictos y, como la mayoría de las especies formadoras de endosporas, son bacilos gram-positivos.

El descubrimiento de estas estructuras de resistencia al calor fue de gran importancia para la microbiología porque permitió el desarrollo de métodos adecuados de esterilización. Estos métodos permitieron matar esporas aplicando 120 °C durante 15-20 minutos.

5.Antes de que se conociera la estructura de cualquier virus, Crick y Watson predijeron que las cubiertas proteicas de los virus deberían estar constituidas por un gran número de subunidades idénticas ¿Puede usted explicar la base de esta predicción?

Crick y Watson hicieron su predicción sobre la base de la economía del diseño. La alternativa sería muchas proteínas diferentes o una muy larga y compleja.

6.Algunos biólogos consideran a los virus como organismos vivos. ¿Por qué criterio podrían ser considerados vivos los virus?

Los criterios por los que los virus podrían ser considerados como seres vivos son:

a. Pueden reproducirse

b. Tienen estructuras organizadas, aunque no tan complejas como las de las células vivas

c. Usan la energía y los materiales del medio, aunque a través de las células hospedadoras.

7.Se dice que los procariotas son considerados más “primitivos" que los eucariotas. ¿Esto significa que son idénticos a las formas de vida que existieron antes de que surgieran los eucariotas? Explique su respuesta.

No. Los procariotas han evolucionado en respuesta a diversas presiones de selección al igual que lo han hecho los eucariotas. Aunque la mayoría de los procariotas actuales son muy diferentes a sus ancestros, siguen siendo menos complejos que los eucariotas multicelulares. Otros procariotas actuales pueden vivir en las condiciones que aparentemente tenía la Tierra primitiva.

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