TEMA 04: Genética microbiana (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Microbiologia ambiental
Profesor C.E.
Año del apunte 2017
Páginas 5
Fecha de subida 10/11/2017
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Microbiología TEMA 4: GENÉTICA MICROBIANA CLASES DE ELEMENTOS GENÉTICOS Los dos tipos celulares albergan el material genético principal en forma de doble cadena, la diferencia es que en eucariotas se encuentran dentro de un núcleo y en los procariotas se encuentran en el citoplasma.
En principio, los procariotas son haploides, su cadena de ADN es circular.
En los eucariotas, los cloroplastos y mitocondrias tienen su propio ADN en forma circular. En ellos encontramos elementos adyacentes como son los plásmidos, los cuales contienen material genético.
GENES Y EXPRESIÓN GÉNICA El dogma principal de la biología indica que a partir del DNA se forma el nuevo DNA. También sabemos, que a partir de la cadena de ADN se forma una cadena de ARN mediante la transcripción y dirigida por el ARN polimerasa. Este ARN mensajero se traducirá a proteínas.
ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EN BACTERIA: EL OPERÓN Operón: varios genes uno detrás de otro, sometida su expresión a la regulación de un promotor o región reguladora.
Cuando se transcribe un operón, simultáneamente se traducen un montón de proteínas porque se forma un ARNm policistrónico (dentro de esa molécula hay diferentes genes colocados uno detrás de otro, que traducirán distintas proteínas). Este ARNm presenta tres secuencias de reconocimiento, por lo que traducirá tres tipos diferentes de proteínas.
CONTROL NEGATIVO EN BACTERIA: REPRESIÓN La función del promotor es la zona de unión de la encima ARN polimerasa, la cual transcribe el ADN en ARN, por lo tanto, para que se produzca el ARNm policistrónico tiene que unirse al promotor. Las proteínas que regulan la función del ARN polimerasa son las proteínas reguladoras.
Todas las proteínas reguladoras que se unen a la región del operador se denominan proteínas reguladoras de control negativo.
A través de las proteínas reguladoras de control negativo, se puede reprimir la expresión de un operón, pero también inducir la expresión de un operón. Siempre que la proteína de control negativo esté unida a la región del operador, ésta bloqueará la transcripción.
Cuando la bacteria crece en un ambiente en el que encontramos arginina, la proteína represora estará unida al operador, y por lo tanto no se llevará a cabo la transcripción (figura B). Esto ocurre porque la unión de la arginina a la proteína represora permite que ésta identifique la región del operador y pueda unirse a ella. Si no existe arginina en el ambiente, la proteína represora no se unirá a la región del operador (figura A).
CONTROL NEGATIVO EN BACTERIA: INDUCCIÓN El operón lactosa contiene los genes necesarios para el catabolismo de la lactosa. En este caso, lo habitual es que la proteína represora este unida a la región del operador (figura A). Esta situación se dará cuando la bacteria se encuentra en un medio donde podemos encontrar glucosa.
Incluso las proteínas de la membrana celular que transportan la lactosa del medio están bloqueadas.
Cuando la glucosa se termina, se abren todas las permeasas de membrana para que pueda trasportarse lo que sea. En ese momento, la lactosa entrará dentro del citoplasma de la bacteria.
Entonces, cuando la lactosa se une a la proteína represora, ésta se suelta de la región del operador y por tanto se puede llevar a cabo la transcripción del operón lactosa (figura B).
CONTROL POSITIVO EN BACTERIA: INDUCCIÓN En general, los operones regulados por control positivo son inducibles. Cuando la proteína de control positivo está unida a la región del promotor, en general produce la inducción de los genes del operón.
El ARN polimerasa no tiene afinidad de unirse a la región del promotor, por lo que la proteína de control positivo favorece la unión del ARN a la región del promotor.
El operón maltosa es un operón que contiene los genes para la formación de maltosa. Cuando no hay maltosa, este operón no se expresa (figura A). En cambio, cuando si existe maltosa y entra en el citoplasma de la bacteria, esta se une a la proteína inductora y favorece la unión del ARN polimerasa a la región del promotor, permitiendo así la transcripción de los genes del operón maltosa (figura B).
Si existe una mayor cantidad de inductores, se producirá la transcripción de una mayor cantidad de operones maltosa.
En este caso, cuando hay presencia de glucosa, también se inhibe la entrada de la maltosa. Por lo tanto, cuando se agota, se llevará a cabo la introducción de la maltosa para poder transcribir el operón maltosa.
GENÓMICA DE MICROORGANISMOS En los genomas de Bacteria y Arquea el tamaño del cromosoma presenta una correlación positiva con el nº de “Open Reading Frame” (secuencia de DNA o RNA que puede ser traducida en proteína) que dicho cromosoma contiene.
En el genoma de una bacteria no existen intrones, todo el material genético es válido para traducir o transcribir.
Los genomas de menor tamaño se corresponden con procariotas que viven como parásitos/endosimbiontes de otros organismos (color rojo). Los genomas de procariotas de vida libre, en cambio, son de mayor tamaño (color verde).
En la actualidad, los genomas nucleares de muchos microorganismos eucariotas han sido secuenciados, y sus tamaños son muy dispares pues oscilan entre 3-160 Mpb. En microorganismos eucariotas no siempre se observa una relación clara entre tamaño genómico o tipo de vida del microorganismo.
Los microorganismos eucariotas, al tener genomas que varían en cuanto al tamaño, no se les ha podido comparar el tamaño con la cantidad de genes.
EVOLUCIÓN DE LOS GENOMAS MICROBIANOS MUTACIÓN Una mutación es un cambio en la secuencia de BN del genoma, y este cambio es hereditario. La tasa espontánea de mutación es baja (10-6 a 10-7 por gen y generación), pero la velocidad con la que los procariotas se dividen va a permitir que las mutaciones se acumulen.
Las mutaciones puntuales pueden ser revertidas por los sistemas de reparación del ADN. Agentes físico-químicos externos pueden incrementar la tasa de mutación durante la replicación.
RECOMBINACIÓN La recombinación es el intercambio físico de ADN entre organismos, y en la mayoría de los organismos vivos está asociada a la reproducción sexual.
En la recombinación homóloga, éste intercambio genético se produce entre moléculas de ADN que tienen aproximadamente la misma secuencia. En este proceso se genera diversidad genética sobre la cual puede actuar la selección natural, pues los cambios son heredables.
En procariotas los procesos de recombinación se relacionan con la transferencia horizontal de genes (generaciones futuras).
TRANSFERENCIA HORIZONTAL DE GENES EN PROCARIOTAS El DNA exógeno que entra en una célula procariota por transferencia horizontal, encara tres posibles destinos: 1. Integrarse en el cromosoma de la célula receptora.
2. Replicarse a sí mismo, siempre que posea en su secuencia un origen de replicación. El plásmido se transmitirá de generación en generación. No se puede considerar recombinación.
3. Ser degradado por los enzimas de restricción presentes en la célula receptora. En este caso, no se transmite de generación a generación.
TRANSFORMACIÓN Una célula bacteriana (receptora) es “capaz” de captar un ADN exógeno por transformación porque contiene proteínas implicadas en el anclaje y transporte al interior del citoplasma del ADN exógeno, además de proteínas citoplasmáticas que de forma específica ligan el ADNss.
Las células bacterianas susceptibles de ser transformadas se denominan “competentes”.
CONJUGACIÓN La conjugación requiere el contacto directo entre dos células bacterianas y así una célula (donadora) transfiere DNA a otra (célula receptora). El contacto se realiza inicialmente a través de un “pelo sexual”; pero posteriormente llega a ser “célula a célula”. Toda la “maquinaria” necesaria para la transferencia de DNA por conjugación está codificada en un plásmido (región tra) denominado plásmido F. Las células que lo poseen se denominan células F+; las células F+ siempre actúa como célula donadora. Cuando el plásmido F se integra en el cromosoma bacteriano estas células se denominan células Hfr.
La célula F+ transfiere el plásmido F a la célula receptora (F-). Así se transfiere el carácter “F+”, pero también otros que pueden encontrarse en el plásmido F (ejem genes de resistencia a antibióticos).
La célula F+ transfiere una de las dos cadenas del DNA plasmídico. La otra cadena de DNA plasmídico se sintetiza ambas células por replicación.
Cuando el plásmido F se integra en el cromosoma, concretamente, en zonas donde encuentre una secuencia de inserción (IS) se forma una célula Hfr. La célula Hfr transfiere a la célula F- una parte del DNA plasmídico, y junto a éste DNA cromosómico. Este fragmento de DNA bacteriano puede estabilizarse en la célula F- si se integra en su cromosoma por recombinación.
VIRUS BACTERIÓFAGOS Y TRANSDUCCIÓN Un virus bacteriano transfiere ADN de una célula bacteriana a otra y este proceso se denomina TRANSDUCCIÓN.
Los virus bacteriófagos cuando infectan una bacteria, cogen parte de su genoma, y cuando infectan una segunda bacteria le introducen este anterior fragmento.
Esto se puede llevar a cabo por la presencia de una estrecha relación entre el virus y la bacteria. Los virus reconocen una parte de la membrana de la bacteria para poderse engancharse a ella. Dependiendo del tipo de virus, reconoce una parte esta membrana u otra por la presencia de una estructura diferente.
TRANSDUCCIÓN GENERALIZADA Es llevada a cabo por virus virulentos (= CON CICLO LÍTICO): “cualquier” gen de la célula donadora puede ser transferido, puesto que los enzimas víricos implicados en el empaquetamiento del ADN viral, empaquetan “por error” DNA bacteriano. Los fagos que contienen ADN bacteriano se denominan “partículas transductoras”.
Finalmente, la bacteria estallará y liberará todos los virus. En ese proceso de producción de los nuevos viriones, puede suceder que parte de los fragmentos del cromosoma bacteriano, al azar, queden encapsulados dentro de los viriones. Dentro de la nueva generación de viriones que salen, tendremos viriones que presentan dentro de la cápsile genes bacterianos. Estas bacterias podrán llevar a cabo la transducción con otras bacterias.
TRANSDUCCIÓN ESPECIALIZADA Es realizada por virus atemperados (=CON CICLO LISOGÉNICO y LÍTICO). El ADN viral se integra en el ADN bacteriano (ejem. fago λ) en un lugar concreto del cromosoma.
Cuando se induce el ciclo lítico el “profago” sale del DNA bacteriano y arrastra genes bacterianos adyacentes al punto de inserción que quedarán incluidos en las partículas transductoras. Así, en la transducción especializada siempre se transfieren genes concretos del hospedador.
Un virus atemperado es aquel que pude integrar el genoma integrado en el cromosoma bacteriano. De esta forma, se infecta mucha cantidad de población sin que el virus tenga que replicarse.
Para que se desarrolle el ciclo lítico, el genoma viral tiene que salir del cromosoma bacteriano. Puede suceder que este genoma salga del cromosoma bacteriano sin arrastrar nada. Pero puede suceder que el genoma viral, al salir de genoma bacteriano, arrastra genes de la bacteria hospedadora que irá trasmitiendo a los siguientes virus.
Que suceda esto dependerá del estado nutricional y energético de esa bacteria.
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