2016
Genética bacteriana Cualquier organismo está determinado por su material genético y su interacción con el medio ambiente que selecciona, activa, reprime o cambia el material genético.
C. Alondra, D. Karen, M. Melissa, R. Daniela Microbiología General 24/11/2016
INDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. VARIACIONES FENOTÍPICAS 2.1. TIPOS 3. GENOTIPO BACTERIANO 3.1. ELEMENTOS GENÉTICOS ESENCIALES 3.2. CARACTERISTICAS DEL GENOMA 3.3. EXPRESIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO 4. ELEMENTOS EXTRACROMOSÓMICOS 4.1. PLÁSMIDOS 4.2. BACTERIOFAGOS 4.3. TRANSPOSONES 4.4. INTEGRONES 5. INTERCAMBIO Y VARIABILIDAD GENÉTICA 5.1. TRANSFORMACIÓN 5.2. CONJUGACIÓN 5.3. TRANSDUCCIÓN 6. RESISTENCIA A ANTIMICROBIANOS
INTRODUCCIÓN: Las bacterias poseen un genotipo que transmiten por herencia y un fenotipo que depende de las circunstancias que les rodean. Las bacterias sufren variaciones en sus caracteres y son de dos tipos; fenotípicas o adaptaciones y genotípicas (mutaciones, fenómenos de transferencia, elementos transponibles e integrones). El estudio de la genética bacteriana, atendiendo a los dos aspectos anteriores, permite entender mejor las funciones esenciales de su material genético y las caraterísticas que rigen su comportamiento, su capacidad de adaptación al medio ambiente, la expresión de mecanismos de virulencia que les permite colonizar, invadir, y dañar células eucariotas, y como consecuencia, el desarrollo de un gran espectro de enfermedades clínicas. VARIACIONES FENOTÍPICAS O ADAPTACIONES; Concepto; e producen por la presión ambiental sobre las bacterias, pero no afecta al genoma. Son de alta frecuencia. Afectan a toda la población bacteriana sometida a la modificación ambiental. Ilustración 1 DNA
Son reversibles; cuando cesa la causa, retornan al estado primitivo. No son hereditarias, porque no se modifica el ADN.
Ilustración 2 Variaciones de fenotipo
Tipos
Morfológicas; Bacilos cortos y móviles se convierten en bacilos largos e inmóviles debido al agotamiento de nutrientes). Cromógenas. Enzimáticas; algunas bacterias producen enzimas en presencia de determinados sustratos, por ejemplo, penicinilasa en presencia de penicilina. Patogénicas; Bacterias que producen toxinas según el ambiente en el que crecen.así Corynebacterium sólo lo hace si dispone de hierro en el medio.. Sensibilidad a antibióticos; hay bacterias que son sensibles en determinadas condiciones pero no lo serán en otras. Ilustración 3 Morfología bacteriana
Ilustración 4 Sensibilidad a antibióticos
GENOTIPO BACTERIANO VARIACIONES GENÉTICAS Elementos Genéticos Esenciales;
El material genético bacteriano está formado por ADN, una molécula compuesta por unidas repetitivas de nucleótidos. Este ADN conforma el genoma bacteriano, pero también posee elementos extracromosómicos como plásmidos, transposones e integrones. Las dos funciones del material genético son replicación(duplicar su material genético para posterior herencia a su progenie) y expresión (determina las características observables, el fenotipo). Poseen ARN de transferencia y ribosomal también.
Características del genoma bacteriano:
El tamaño del genoma bacteriano es variable de una bacteria a otra. La mayoría de las bacterias tienen un solo cromosoma circular con ADN de doble cadena. Aunque hay bacterias con ADN lineal( Borrelia, Streptomices) y bacterias con ADN lineal y circular ( Agrobacterium). El cromosoma es cientos de veces más largo que el diámetro de la célula,aún así se acomoda al citoplasma gracias al "súperenrollamiento" que sufre. Hay excepciones,como el micoplasma, cuyo cromosoma es una cuarta parte del de otras bacterias. Las bacterias son haploides, sólo poseen una copia de su cromosoma.
Ilustración 5 Genética bacteriana
Ilustración 6 ADN lineal y circular
Expresión del material genético: Transcripción Síntesis de ARN a partir de información del ADN. Una hebra de ADN sirve como molde para la síntesis de ARN. Los nucleótidos que conforman el ADN están distribuidos en CODONES, apartir de regiones iniciadoras del gen hasta llegar al codón de terminación. Para iniciar la transcripción, debe de unirse la RNA polimerasa a la región promotora (pares de bases antes del codón de inicio). Cada codón determina un aminoácido y la secuencia dentro de la proteína que se va a transducir. Los genes pueden estar organizados de varias maneras:
Ilustración 7 Transformación del material genético
Ilustración 8 Conjugación del material genético
1. Operones (grupos de uno o más genes estructurales).Se transcriben siempre que haya algo en el ambiente que "alerta" de su necesidad, con lo cual existen proteínas represoras y también inductoras que regulan estos genes. 2. Islas de patogenicidad (agrupación de genes de virulencia). Traducción Síntesis de proteínas a partir de ARNm que transporta la información codificada en genes.
Ilustración 9 Transducción del material genético
Elementos extracromosómicos: Plásmidos Son unidades de información genética extra cromosómicos que codifican información no esencial para la viabilidad de la bacteria y que se replica de forma independiente del cromosoma. Son DNA de doble cadena, circular, superenrollado. Existen unos plásmidos conjugativos que están relacionados con los mecanismos de transferencia entre diferentes bacterias. Los plásmidos se caracterizan por; su replicación autónoma, aportar genes para el metabolismo,virulencia, resistencia a antibiótico. Algunos pueden incluirse en el genoma bacteriano (episoma). Muchas cualidades portadas por plásmidos tienen interés clínico; La resistencia a antibióticosla producción de toxinas,la síntesis de estructuras necesarias para la adhesión o colonización. Algunos plásmidos determinan resistencia antibiótica, se les han denominado"plásmidos R".
Ilustración 10 Plásmidos
Bacteriófagos. Son elementos que pueden invadir bacterias y llevar material genético extracromosómicos. Son agentes infecciosos que se replican como parásitos intracelulares obligados dentro de las bacterias. El genoma del fago codifica para funciones necesarias para su replicación intracelular, pero también codifican para la síntesis de las proteínas necesarias para el ensamblaje del fago. El genoma del fago puede codificar para características bacterianas no relacionadas a su replicación, fenómeno conocido como CONVERSIÓNel cual es responsable de algunas características de virulencia bacteriana como la producción de toxinas.
Ilustración 11 Estructura de un bacteriófago
Transposones Son secuencias de ADN que llevan información para una transposasa y en los extremos secuencias repetidas conocidas como de Inserción, y en medio de esta secuencia puede encontrarse la inserción de genes de virulencia, como toxinas o genes de resistencia a antibióticos. Éstos se pueden integrar en el cromosoma de las bacterias o insertarse en fagos.
Ilustración 12Transposones
Ilustración 13Integrones.
Integrones Son elementos de ADN móviles que pueden capturar genes de resistencia o virulencia , los cuales están en "casates" y como acarrean una integrasa, pueden introducirse en el cromosoma, los transposones y los plásmidos de bacterias; de esta manera, pueden replicarse y expresar la información que llevan.
Intercambio y variabilidad genética: La variabilidad genética es interesante desde el punto de vista de que muchas de estos cambios genéticos aportan resistencia a estas bacterias a ciertos medios, antibióticos. Mutación: cambio transmisible en el genoma bacteriano, que es transmisible.Estas mutaciones pueden ser puntuales y suficientes para dar lugar, por ejemplo, a una resistencia por el cambio en la transducción de una proteína. Pueden ser mutaciones de segmentos del DNA, sustituciones de nucleótidos, y microinserciones, o por el contrario provocar alteraciones en regiones más grandes. El cambio en un nucleótido lleva a la fabricación de una proteína totalmente distinta, con lo que cambios leves pueden conllevar importantes consecuencias.
Ilustración 14 Mutación.
Transferencia de genes Movimiento de material genético entre bacterias. Transmisión vertical; Una bacteria transmite sus información genética a través de la división celular. Transmisión horizontal; Transmisión de material genético de una bacteria a otra. Mecanismos de transmisión horizontal; transformación, conjugación y transducción.
Ilustración 15 Transferencia de genes
Ilustración 16 Transferencia genética en bacterias
Transformación Las bacterias se transmiten material genético a través de DNA libre en el medio, elementos episomiales. La bacteria receptora tiene mecanismos para captar el DNA a través de sus envolturas externas e introducirlo en su cromosoma. Los genes intracrosomales se recombinan dando lugar a genes mosaico. Ilustración 17 Transformación.
Ilustración 18 Síndrome Curry-Jones El síndrome de Curry-Jones está provocado por la presencia de mutaciones en mosaico en el gen SMO, que codifica una proteína clave para la ruta de señalización celular
Conjugación:
Se produce cuando dos bacterias tienen contacto entre ellas para intercambiar material genético. Así se transmiten plásmidos, y otros elementos. Durante la conjugación las bacterias donadoras poseen una estructura, conocida como '' pili'' en Gram negativos, lo cual hace contacto con la célula receptora. Pasa una cadena de los plásmidos a la bacteria receptora quedando una en la bacteria donadora. Los plásmidos pueden adquirir genes de resistencia por conjugación (transposones e integrones).
Ilustración 19 Conjugación.
Transducción
Transferencia de información genética de una célula a otra a través de un virus. Estos virus se denominan bacteriófagos o fagos. Penetran las membranas y la pared celular de la bacteria para inyectarle su material genético. Durante la replicación del fago, éste puede llevarse material genético de la bacteria huesped, tanto plásmidos como material cromosómico. Luego salen de la bacteria, e infectan a otras, a las cuales les transmite e integran el DNA que llevan.
Ilustración 20 Transducción.
Resistencia a antibioticos: Las mutaciones espontáneas y mecanismos de intercambio genético (conjugación y transducción) son responsables de la multirresistencia a los antibioticos entre otros. Cepa bacteriana: bacterias que poseen características comunes a las de su especie (cepa tipo) o bien características diferenciales (mutación, genes adquiridos por transferencia). Ej cepa resistente a penicilina. Mecanismos de resistencia a antibioticos: 1.- Inactivacion enzimatica: enzimas que modifican la molécula de antibiótico. Codificadas por elementos genéticos extracromosómicos. Ejemplo: las beta- lactamasas son capaces de romper los enlaces químicos de los beta- lactámicos generando resistencia contra esta familia de antibióticos. La asociación de beta- lactámicos (amoxicilina, ampicilina o piperacilina) son inhibidores de la beta- lactamasa (ácido clavulánico, sulbactam o tazobactam) sirvieron para acabar con este mecanismo de resistencia a antibióticos. Otros enzimas producidos por ciertas cepas son capaces de modificar químicamente a los antibióticos impidiendo que éstos reconozcan su diana.
Ilustración 21 Mecanismo por inactivación enzimática.
2.- Impermeabilidad de las membranas o de la pared celular: modificación de los elementos de la membrana (ej. Porinas) que impiden el transporte de antibióticos. La pérdida de porinas es una forma de resistencia a los carbapenems.
3.- Expulsión por mecanismos activos. Ej: el aumento de la concentración de bombas de extrusión de antibióticos, unas proteínas transmembrana que permiten la exportación de antibióticos como quinolonas o cloranfenicol fuera de la célula con gasto energético.
Ilustración 22 Mecanismos de resistencia a antibióticos.
4.- Modificación del sitio de acción (diana molecular). Reducción de la afinidad por el antibiótico. Ejemplo: mutaciones en la diana hacen que el antibiótico no sea capaz de reconocerla. Las dianas de las quinolonas son las enzimas encargadas de mantener el correcto plegamiento de la molécula de DNA (la girasa y la topoisomerasa). Mutaciones a este nivel otorgan a la célula resistencia frente a esta familia de antibióticos.
5.- Desvío alternativo: hay antibióticos que actúan sobre enzimas de la célula inactivándolas. Algunas enzimas son capaces de mutar o bien otras son capaces de ganar la actividad perdida por acción del antibiótico provocando un desvío de la ruta que permite a la célula sobrevivir.
Ilustración 23 Mecanismos de resistencia a antibióticos.