7 - Metabolismo y genética de las bacterias

 Necesidades metabólicas

  Las necesidades mínimas para el crecimiento son una fuente de carbono y nitrógeno, una fuente de energía, agua y diversos iones. Los elementos esenciales son los componentes de las proteínas, lípidos y ácidos nucleicos (C, O, H, N, S, P), iones importantes (K, Na, Mg, Ca, Cl) y componentes de las enzimas (Fe, Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni). El hierro es tan importante que muchas bacterias secretan proteínas es-peciales (sideróforos) para concentrarlo a partir de soluciones diluidas, y nuestros cuerpos secuestran el hierro para reducir su disponibilidad como método de protección.

  

• Anaerobias estrictas: Bacterias que no pueden crecer en presencia de oxígeno.  (p.ej ., Clostridium perfringens,causante de gangrena gaseosa.
• Aerobias estrictas:  Bacterias que requieren la presencia de oxígeno molecular para su crecimiento. (p.ej., Mycobacterium tuberculosis, agente etiológico de la tuberculosis).
• Anaerobias facultativas: la mayor parte de las bacterias puede crecer tanto en presencia como en ausencia de oxígeno.

Necesidades nutricionales

  Las necesidades nutricionales y los metabolitos producidos pueden utilizarse también como método de clasificación de las diferentes bacterias. Algunas bacterias, como determinadas cepas de Escherichia coli (un elemento de la flora intestinal), pueden sintetizar todos los aminoácidos, nucleótidos, lípidos y carbohidratos necesarios para el crecimiento y la división, mientras que las necesidades para el crecimiento del germen responsable de la sífilis, Treponema pallidum, son tan complejas que todavía no se ha conseguido desarrollar un medio de cultivo para permitir su crecimiento en el laboratorio. 

  Las bacterias que dependen exclusivamente de sustancias químicas inorgánicas y de una fuente de carbono (CO2) para producir energía se denominan autótrofas (litótrofas), mientras que las bacterias y las células animales que requieren fuentes de carbono orgánico se conocen como heterótrofas (organótrofas). Los laboratorios de microbiología clínica diferencian a las bacterias por su capacidad de proliferar en fuentes de carbono específicas (p.ej., la lactosa) y por sus productos metabólicos finales (p.ej., etanol, ácido láctico, ácido succínico).

Metabolismo, energía y biosíntesis

  Para sobrevivir, todas las células precisan de un aporte cons-tante de energía. Esta energía, habitualmente en forma de trifosfato de adenosina (ATP), se obtiene a partir de la degradación controlada de diversos sustratos orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas). Este proceso de degradación de los sustratos y de su conversión en energía utilizable se conoce como catabolismo. La energía así obtenida puede emplearse luego en la síntesis de los componentes celulares (paredes celulares, proteínas, ácidos grasos y ácidos nucleicos), proceso que recibe el nombre de anabolismo. El conjunto de estos dos procesos, que están muy interrelacionados e integrados, se conoce como metabolismo intermedio.

Metabolismo de la glucosa

   Las bacterias producen energía a partir de la glucosa a través de (enumerados por orden creciente de eficiencia): fermentación, respiración anaerobia (en ambos casos en ausencia de oxígeno) o respiración aerobia. La respiración aerobia logra convertir los seis átomos de carbono de la glucosa en CO2 y agua (H2O) además de energía, mientras que los metabolitos finales de la fermentación son compuestos de dos y tres átomos de car-bono. Se remite al lector interesado en una descripción más detallada del metabolismo a un libro de texto de bioquímica.

• Ruta de Embden-Meyerhof-Parnas: Para el catabolismo de la glucosa, las bacterias utilizan tres rutas metabólicas principales. La más frecuente es la llama-daruta glucolítica o ruta de Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) para la conversión de la glucosa en piruvato, las reacciones ocurren en condiciones aerobias como anaerobias.
• Ciclo del ácido tricarboxílico: En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico producido a partir de la glucólisis y el metabolismo de otros sustratos puede ser oxidado por completo (combustión controlada) hasta H2O y CO2 a través del llamado ciclo del ácido tricarboxílico (ATC), mediante el cual se produce energía adicional.

a) Es el principal mecanismo de generación de ATP.2.

b)Actúa como ruta metabólica final común para la oxida-ción completa de aminoácidos, ácidos grasos y carbohi-dratos.

c)Proporciona productos metabólicos intermedios clave (p.ej., a-cetoglutarato, piruvato, oxalacetato) para la síntesis final de aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas.

• Ruta de las pentosas fosfato: La ruta metabólica final del metabolismo de la glucosa que se estudia aquí recibe el nombre de ruta de las pentosas fosfato o ruta de las hexosas monofosfato.

Los genes bacterianos y su expresión

  El genoma bacteriano es todo el conjunto de genes que tiene la bacteria, tanto en su cromosoma como en sus elementos ge-néticos extracromosómicos, si existen. Los genes son secuencias de nucleótidos con una función biológica y entre ellos se encuentran los genes estructurales relacionados con las proteínas (cistrones, que son genes codificadores), los genes del ácido ribonucleico (ARN) y los sitios de reconocimiento y unión de otras moléculas (promotores y operadores). Cada genoma contiene muchos operones, que están constituidos por genes. Los genes pueden ser agrupados también en islotes, como los islotes de patogenicidad, que comparten funciones o que coordinan su control.

   Las bacterias suelen tener sólo una copia de sus cromo-somas (es decir, son haploides), mientras que los eucariotas suelen tener dos copias distintas de cada cromosoma (son, por consiguiente, diploides). Con sólo un cromosoma, la alteración de un gen bacteriano (mutación) tendrá un efecto más evidente sobre la célula. Además, la estructura del cromosoma bacteriano se mantiene por las poliaminas, como espermina y espermidina, más que por las histonas.

  Las bacterias también pueden contener elementos genéticos extracromosómicos como plásmidos y bacteriófagos(virus bacterianos). Estos elementos son independientes del cromosoma bacteriano y en la mayor parte de los casos se pueden transmitir de una célula a otra.

• Transcripción

   El proceso comienza cuando el factor sigma reconoce una secuencia específica de nucleótidos en el ADN (el promotor) y se une firmemente a ella. Las secuencias promotoras se disponen inmediatamente por delante del comienzo de la secuencia de ADN que realmente codifica una proteína. Los factores sigma se fijan a estos promotores con el objeto de proporcionar un punto de acoplamiento a la ARN-polimerasa. Asimismo, algunas bacterias codifican varios factores sigma para permitir la transcripción de un grupo de genes en condiciones especia-les, como shock térmico, inanición, metabolismo especial del nitrógeno o esporulación.

• Traducción

    La traducción es el proceso por el cual el código genéticoen forma de ARNm se convierte (traduce) en una secuencia deaminoácidos, el producto proteico. Existen 64 combinaciones de codo-nes distintas, que codifican los 20 aminoácidos, además de los codones de inicio y terminación. Algunos de los aminoácidos se codifican mediante más de un codón.  

• Control de la expresión génica

   Las bacterias han desarrollado mecanismos para adaptarse con rapidez y eficiencia a los cambios y estímulos ambientales, lo que les permite coordinar y regular la expresión de los genes para las estructuras con múltiples componentes o las enzimas de una o más vías metabólicas.

  Se puede conseguir un cambio coordinado en la expresión de muchos genes, como se necesita para la esporulación, usando un factor sigma distinto para la ARN polimerasa. Esto modificaría la especificidad de la ARN polimerasa y permitiría la síntesis del ARNm para los genes necesarios, al tiempo que evitaría genes innecesarios. Las bacterias pueden producir más de seis factores sigma distintos para conseguir una regulación global de la respuesta al estrés, el shock, el ayuno o para coordinar la producción de estructuras complicadas, como los flagelos.

• Replicación del ADN

   La replicación del cromosoma bacteriano se desencadena por una cascada de sucesos relacionados con la velocidad de crecimiento de la célula. 

   El proceso inicia en una secuencia específica del cromosoma denominada oriC. Aparte de otras enzimas, el proceso de replicación exige la participación de una enzima (helicasa) capaz de desenro-llar el ADN y exponerlo, otra enzima (primasa) capaz de sintetizar los cebadores que inician el proceso y una enzima o enzimas (ADN polimerasas dependientes de ADN) que únicamente sintetizan una copia del ADN en presencia de una secuencia cebadora a la que añadir nucleótidos y tan sólo trabajan en dirección 59 a 39.

  La replicación finaliza cuando las dos horquillas de replicación se encuentran a 180° desde el origen. El proceso de replicación del ADN impone una enorme fuerza de torsión sobre la molécula circular de ADN cromosómico, la cual se contrarresta por la acción de las topoisomerasas (p.ej., girasa) que superenrollan el ADN. Las topoisomerasas son enzimas clave para las bacterias y constituyen el objetivo de los antibióticos del grupo de las quinolonas.

• Crecimiento bacteriano

   La replicación cromosómica se inicia en la membrana y cada cromosoma hijo se ancla a una porción diferente de la misma. Los procesos de formación de la membrana bacteria-na, síntesis de peptidoglucano y división celular se llevan a cabo de forma coordinada. A medida que crece la membrana bacteriana, los cromosomas hijos se separan. El comienzo de la replicación cromosómica también inicia el proceso de división celular, la cual se puede visualizar por el comienzo dela formación del tabique que separará a las dos células hijas.

Genética Bacteriana

• Mutación, reparación y recombinación

   Es importante que el ADN se replique de forma precisa para que las bacterias sobrevivan, pero se producen errores y alteraciones accidentales del ADN. Las bacterias tienen sis-temas de reparación del ADN eficientes, pero aún se siguen produciendo mutaciones y alteraciones en el ADN. La mayor parte de estas mutaciones tienen escaso efecto sobre las bac-terias o resultan negativas, pero algunas mutaciones pueden proporcionar una ventaja selectiva para la supervivencia de las bacterias cuando se ven amenazadas por el entorno, el hospedador o el tratamiento.

Mutaciones y sus consecuencias

• Mutación silenciosa es una modificación del ADN que no provoca cambios en la secuencia de aminoácidos de la proteína codificada. Este tipo de mutación se debe a que un aminoácido puede estar codificado en más de un codón.

• Mutación de sentido erróneo(missense)  es aquella que comporta la inserción de un aminoácido diferente en la proteína.

• Mutación conservadora cuando el nuevo aminoácido posee unas propiedades semejantes (p.ej., una valina que sustituye a una alanina).

• Mutación sin sentido(nonsense)  es aquella en la que se sustituye un codón que codifica a un aminoácido por un codón de interrupción (p.ej., TAG [timidina-adenina-guanina]s aquella en la que se sustituye un codón que codifica a un aminoácido por un codón des aquella en la que se sustituye un codón que codifica a un aminoácido por un codón de interrupción (p.ej., TAG [timidina-adenina-guanina]e interrupción (p.ej., TAG [timidina-adenina-guanina]

• Mutaciones condicionales, como las mutaciones sensibles a la temperatura, pueden deberse a mutaciones conservadoras que modifican la estructura o la función de una proteína importante cuando la temperatura es elevada.

Mecanismos de reparación del ADN

• La reparación directa del ADN consiste en la elimina-ción enzimática del daño (p.ej ., dímeros de pirimidina y bases alquiladas).

• La reparación por escisión se basa en la eliminación del segmento de ADN que contiene las lesiones, seguida de la síntesis de una nueva hebra de ADN. Existen dos tipos de mecanismos de reparación por escisión: generalizada y especializada.

• La reparación posreplicación o por recombinaciónconsiste en la recuperación de la información que falta mediante procesos de recombinación genética cuando están dañadas ambas hebras de ADN.

• La llamada respuesta SOS se caracteriza por la inducción de numerosos genes (aproximadamente 15) tras la aparición de daño al ADN, o bien por la interrupción de su replicación

• La reparación propensa a error(errorprone repair)es el último recurso con que cuenta la célula bacteriana antes de morir. Se utiliza para rellenar los espacios con una secuencia aleatoria cuando no se dispone de una plantilla de ADN que pueda orientar con precisión el proceso de reparación.

Intercambio génico en los procariotas

   Muchas bacterias, especialmente numerosas especies patógenas, utilizan su ADN de forma promiscua. El intercambio de ADN entre células permite el intercambio de genes y características entre ellas, lo que ocasiona la aparición de cepas bacterianas nuevas. Este intercambio puede resultar ventajoso para el receptor, especialmente cuando el ADNcodifica mecanismos de resistencia a los antibióticos. 

   El ADN transferido puede integrarse en el cromosoma del receptor o bien mantenerse de manera estable en forma de elemento extracromosómico (plásmido) o como un virus bacteriano (bacteriófago) y se transmite a las bacterias hijas como una unidad dotada de capacidad autónoma de replicación.

• Los plásmidos son pequeños elementos genéticos cuya replicación es independiente del cromosoma bacteriano. La mayor parte de los plásmidos son moléculas circulares bica-tenarias de ADN con un número variable de pares de bases (de 1.500 a 400.000). Sin embargo, Borrelia burgdorferi, el agente etiológico de la enfermedad de Lyme, y la bacteria afín Borrelia hermsii presentan una característica peculiar en el grupo de las eubacterias: la presencia de plásmidos lineales. Al igual que el ADN cromosómico bacteriano, estos plásmidos se pueden replicar de forma autónoma, por lo que reciben el nombre de replicones. Algunos plásmidos, como el plásmido F de E. coli, son episomas, lo que indica que se pueden integrar en el cromosoma del hospedador.

• Los bacteriófagos son virus bacterianos con un genoma de ADN o de ARN protegido generalmente por una capa deproteínas. Estos elementos genéticos extracromosómicos pueden sobrevivir fuera de la célula del hospedador y ser transmitidos de una a otra célula. Los bacteriófagos infectan a las células bacterianas y se pueden replicar hasta alcanzar un gran número y condicionar la lisis celular (infección lítica)o, en algunos casos, integrarse en el genoma del hospedador sin destruirlo (estado lisogénico), como sucede en el caso del bacteriófago lambda de E. coli. Algunos bacteriófagos lisogénicos contienen genes para toxinas (p.ej., el corinefago beta contiene el gen de la toxina diftérica). El bacteriófago lambda sigue siendo lisogénico mientras se siga sintetizando proteína represora, y esto evita que el fago deje de estar integrado para poder replicarse y abandonar la célula.

• Los transposones (genes «saltarines») son unos elementos genéticos móviles que pueden transferir ADN de una posición a otra del genoma o entre distintas moléculas de ADN dentro de una misma célula (p.ej., de un plásmido a otro o de un plásmido a un cromosoma). Los transposones se detectan tanto en los procariotas como en los eucariotas. 

Mecanismos de transferencia genética entrecélulas

• Transformación es el proceso mediante el cual las bacterias captan fragmentos de ADN desnudo y los incorporan a sus genomas. La transformación fue el primer mecanismo de transferencia genética que se descubrió en las bacterias.

• Conjugación produce una transferencia unidireccional de ADN desde un célula donante (o macho) hasta una célula receptora (o hembra) a través del llamado pilussexual. La conjugación se da en la mayoría de las eubacterias, si no en todas, por lo general entre miembros de la misma especie o de especies relacionadas, pero se ha demostrado también entre procariotas y células de plantas, animales y hongos. Muchos de estos plásmidos conjugativos de gran tamaño especifican colicinas o resistencia antibiótica.