22.2: Estructura de los procariotas
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- Describir la estructura básica de un procariota típico
- Describir diferencias importantes en la estructura entre Archaea y Bacteria
Existen muchas diferencias entre las células procariotas y eucariotas. Sin embargo, todas las células tienen cuatro estructuras comunes: la membrana plasmática, que funciona como una barrera para la célula y la separa de su entorno; el citoplasma, una sustancia gelatinosa dentro de la célula; los ácidos nucleicos, el material genético de la célula; y los ribosomas, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Los procariotas vienen en varias formas, pero muchos se dividen en tres categorías: cocos (esféricos), bacilos (en forma de varilla) y espirilos (en forma de espiral) (Figura\(\PageIndex{1}\)).
La célula procariota
Recordemos que los procariotas (Figura\(\PageIndex{2}\)) son organismos unicelulares que carecen de orgánulos u otras estructuras internas unidas a la membrana. Por lo tanto, no tienen un núcleo sino que generalmente tienen un solo cromosoma, un trozo de ADN circular de doble cadena ubicado en un área de la célula llamada nucleoide. La mayoría de los procariotas tienen una pared celular fuera de la membrana plasmática.
Recordemos que los procariotas se dividen en dos dominios diferentes, Bacterias y Archaea, que junto con Eukarya, comprenden los tres dominios de la vida (Figura\(\PageIndex{3}\)).
La composición de la pared celular difiere significativamente entre los dominios Bacterias y Archaea. La composición de sus paredes celulares también difiere de las paredes celulares eucariotas que se encuentran en las plantas (celulosa) u hongos e insectos (quitina). La pared celular funciona como una capa protectora, y es responsable de la forma del organismo. Algunas bacterias tienen una cápsula externa fuera de la pared celular. Otras estructuras están presentes en algunas especies procariotas, pero no en otras (Tabla\(\PageIndex{1}\)). Por ejemplo, la cápsula que se encuentra en algunas especies permite que el organismo se adhiera a las superficies, lo protege de la deshidratación y el ataque de las células fagocíticas, y hace que los patógenos sean más resistentes a nuestras respuestas inmunitarias. Algunas especies también tienen flagelos (singular, flagelo) utilizados para la locomoción, y pilos (singular, pilus) utilizados para la fijación a superficies. Los plásmidos, que consisten en ADN extracromosómico, también están presentes en muchas especies de bacterias y arqueas.
Las características de los filos de bacterias se describen en la Figura\(\PageIndex{4}\) y Figura\(\PageIndex{5}\); las Archaea se describen en la Figura\(\PageIndex{6}\).
La membrana plasmática
La membrana plasmática es una fina bicapa lipídica (de 6 a 8 nanómetros) que rodea completamente la célula y separa el interior del exterior. Su naturaleza selectivamente permeable mantiene iones, proteínas y otras moléculas dentro de la célula y evita que se difundan al ambiente extracelular, mientras que otras moléculas pueden moverse a través de la membrana. Recordemos que la estructura general de una membrana celular es una bicapa de fosfolípidos compuesta por dos capas de moléculas lipídicas. En las membranas celulares arqueales, las cadenas de isopreno (fitanilo) unidas al glicerol reemplazan a los ácidos grasos ligados al glicerol en las membranas bacterianas. Algunas membranas arqueales son monocapas lipídicas en lugar de bicapas (Figura\(\PageIndex{7}\)).
La pared celular
El citoplasma de las células procariotas tiene una alta concentración de solutos disueltos. Por lo tanto, la presión osmótica dentro de la celda es relativamente alta. La pared celular es una capa protectora que rodea algunas celdas y les da forma y rigidez. Se encuentra fuera de la membrana celular y evita la lisis osmótica (estallido debido al aumento del volumen). La composición química de las paredes celulares varía entre arqueas y bacterias, y también varía entre especies bacterianas.
Las paredes celulares bacterianas contienen peptidoglicano, compuesto por cadenas de polisacáridos que están reticuladas por péptidos inusuales que contienen aminoácidos L y D, incluyendo ácido D-glutámico y D-alanina. Las proteínas normalmente tienen solo L-aminoácidos; como consecuencia, muchos de nuestros antibióticos funcionan imitando los D-aminoácidos y por lo tanto tienen efectos específicos en el desarrollo de la pared celular bacteriana. Hay más de 100 formas diferentes de peptidoglicano. Las proteínas de capa S (capa superficial) también están presentes en el exterior de las paredes celulares tanto de arqueas como de bacterias.
Las bacterias se dividen en dos grupos principales: Gram positivas y Gram negativas, en función de su reacción a la tinción de Gram. Tenga en cuenta que todas las bacterias Gram-positivas pertenecen a un filo; las bacterias en el otro filo (Proteobacterias, Chlamydias, Espiroquetas, Cianobacterias y otras) son Gram-negativas. El método de tinción de Gram lleva el nombre de su inventor, el científico danés Hans Christian Gram (1853-1938). Las diferentes respuestas bacterianas al procedimiento de tinción se deben en última instancia a la estructura de la pared celular. Los organismos Gram-positivos suelen carecer de la membrana externa que se encuentra en los organismos Gram-negativos (Figura\(\PageIndex{8}\)). Hasta el 90 por ciento de la pared celular en bacterias Gram-positivas está compuesta por peptidoglicano, y la mayor parte del resto está compuesta por sustancias ácidas llamadas ácidos teicoicos. Los ácidos teicoicos pueden unirse covalentemente a lípidos en la membrana plasmática para formar ácidos lipoteicoicos. Los ácidos lipoteicoicos anclan la pared celular a la membrana celular. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular relativamente delgada compuesta por unas pocas capas de peptidoglicano (solo el 10 por ciento de la pared celular total), rodeadas por una envoltura externa que contiene lipopolisacáridos (LPS) y lipoproteínas. Esta envoltura externa a veces se conoce como una segunda bicapa lipídica. La química de esta envoltura externa es muy diferente, sin embargo, de la típica bicapa lipídica que forma membranas plasmáticas.
Conexión de arte
¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?
- Las bacterias grampositivas tienen una sola pared celular anclada a la membrana celular por ácido lipoteicoico.
- Las porinas permiten la entrada de sustancias tanto en bacterias Gram-positivas como Gram-negativas.
- La pared celular de las bacterias Gram-negativas es gruesa y la pared celular de las bacterias Gram-positivas es delgada.
- Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular hecha de peptidoglicano, mientras que las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular hecha de ácido lipoteicoico.
Las paredes celulares arqueas no tienen peptidoglicano. Hay cuatro tipos diferentes de paredes celulares arcaicas. Un tipo está compuesto por pseudopeptidoglicano, que es similar al peptidoglicano en morfología pero contiene diferentes azúcares en la cadena de polisacáridos. Los otros tres tipos de paredes celulares están compuestas por polisacáridos, glicoproteínas o proteínas puras.
| Característica estructural | Bacterias | Archaea |
|---|---|---|
| Tipo de celda | Procariotas | Procariotas |
| Morfología celular | Variable | Variable |
| Pared celular | Contiene peptidoglicano | No contiene peptidoglicano |
| Tipo de membrana celular | Bicapa lipídica | Bicapa lipídica o monocapa lipídica |
| Lípidos de membrana plasmática | Ácidos grasos | Grupos fitanilo |
Reproducción
La reproducción en procariotas es asexual y generalmente se realiza por fisión binaria. Recordemos que el ADN de un procariota existe como un solo cromosoma circular. Los procariotas no se someten a mitosis. Más bien el cromosoma se replica y las dos copias resultantes se separan entre sí, debido al crecimiento de la célula. El procariota, ahora agrandado, es pellizcado hacia adentro en su ecuador y las dos células resultantes, que son clones, se separan. La fisión binaria no brinda una oportunidad de recombinación genética o diversidad genética, pero los procariotas pueden compartir genes por otros tres mecanismos.
En transformación, el procariota toma ADN que se encuentra en su entorno que es derramado por otros procariotas. Si una bacteria no patógena toma ADN para un gen de toxina de un patógeno e incorpora el nuevo ADN en su propio cromosoma, también puede volverse patógena. En la transducción, los bacteriófagos, los virus que infectan a las bacterias, a veces también mueven trozos cortos de ADN cromosómico de una bacteria a otra. Resultados de transducción en un organismo recombinante. Las arqueas no se ven afectadas por bacteriófagos sino que tienen sus propios virus que translocan material genético de un individuo a otro. En conjugación, el ADN se transfiere de un procariota a otro por medio de un pilus, que pone los organismos en contacto entre sí. El ADN transferido puede estar en forma de un plásmido o como un híbrido, que contiene tanto ADN plasmídico como cromosómico. Estos tres procesos de intercambio de ADN se muestran en la Figura\(\PageIndex{9}\).
La reproducción puede ser muy rápida: unos minutos para algunas especies. Este corto tiempo de generación aunado a mecanismos de recombinación genética y altas tasas de mutación dan como resultado la rápida evolución de los procariotas, lo que les permite responder a los cambios ambientales (como la introducción de un antibiótico) muy rápidamente.
Conexión evolutiva: La evolución de los procariotas
¿Cómo responden los científicos preguntas sobre la evolución de los procariotas? A diferencia de los animales, los artefactos en el registro fósil de procariotas ofrecen muy poca información. Los fósiles de procariotas antiguos parecen pequeñas burbujas en la roca. Algunos científicos recurren a la genética y al principio del reloj molecular, que sostiene que cuanto más recientemente hayan divergido dos especies, más similares serán sus genes (y por lo tanto proteínas). Por el contrario, las especies que divergieron hace mucho tiempo tendrán más genes que son disímiles.
Científicos del Instituto de Astrobiología de la NASA y del Laboratorio Europeo de Biología Molecular colaboraron para analizar la evolución molecular de 32 proteínas específicas comunes a 72 especies de procariotas. 1 El modelo que derivaron de sus datos indica que tres importantes grupos de bacterias —Actinobacteria, Deinococcus y Cyanobacteria (que los autores llaman Terrabacterias) — fueron los primeros en colonizar tierras. (Recordemos que Deinococcus es un género de procariotas, una bacteria, que es altamente resistente a la radiación ionizante). Las cianobacterias son fotosintetizadores, mientras que las actinobacterias son un grupo de bacterias muy comunes que incluyen especies importantes en la descomposición de desechos orgánicos.
Las líneas de tiempo de divergencia sugieren que las bacterias (miembros del dominio Bacterias) divergieron de las especies ancestrales comunes hace entre 2.5 y 3.2 mil millones de años, mientras que las arqueas divergieron antes: entre 3.1 y 4.1 mil millones de años atrás. Eukarya luego se apartó de la línea arcaica. El trabajo sugiere además que los estromatolitos que se formaron antes del advenimiento de las cianobacterias (hace unos 2.600 millones de años) se fotosintetizaron en un ambiente anóxico y que debido a las modificaciones de las Terrabacterias por tierra (resistencia al secado y posesión de compuestos que protegen al organismo del exceso de luz), la fotosíntesis usando oxígeno puede estar estrechamente ligada a adaptaciones para sobrevivir en tierra.
Resumen
Los procariotas (dominios Archaea y Bacteria) son organismos unicelulares que carecen de núcleo. Tienen una sola pieza de ADN circular en el área nucleoide de la célula. La mayoría de los procariotas tienen una pared celular que se encuentra fuera del límite de la membrana plasmática. Algunos procariotas pueden tener estructuras adicionales como una cápsula, flagelos y pili. Las bacterias y Archaea difieren en la composición lipídica de sus membranas celulares y las características de la pared celular. En las membranas arqueales, las unidades de fitanilo, más que los ácidos grasos, están ligadas al glicerol. Algunas membranas arqueales son monocapas lipídicas en lugar de bicapas.
La pared celular se encuentra fuera de la membrana celular y evita la lisis osmótica. La composición química de las paredes celulares varía entre especies. Las paredes celulares bacterianas contienen peptidoglicano. Las paredes celulares arqueas no tienen peptidoglicano, pero pueden tener pseudopeptidoglicano, polisacáridos, glicoproteínas o paredes celulares basadas en proteínas. Las bacterias se pueden dividir en dos grupos principales: Gram positivas y Gram negativas, con base en la reacción de tinción de Gram. Los organismos grampositivos tienen una pared celular gruesa, junto con los ácidos teicoicos. Los organismos gramnegativos tienen una pared celular delgada y una envoltura externa que contiene lipopolisacáridos y lipoproteínas.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{8}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
- Las bacterias grampositivas tienen una sola pared celular anclada a la membrana celular por ácido lipoteicoico.
- Las porinas permiten la entrada de sustancias tanto en bacterias Gram-positivas como Gram-negativas.
- La pared celular de las bacterias Gram-negativas es gruesa y la pared celular de las bacterias Gram-positivas es delgada.
- Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular hecha de peptidoglicano, mientras que las bacterias Gram-positivas tienen una pared celular hecha de ácido lipoteicoico.
- Responder
-
A
Notas al pie
- 1 Battistuzzi, FU, Feijao, A, y setos, SB. Una escala de tiempo genómica de la evolución procariota: Insights sobre el origen de la metanogénesis, la fototrofia y la colonización de la tierra. BioMed Central: Biología Evolutiva 4 (2004): 44, doi:10.1186/1471-2148-4-44.
Glosario
- cápsula
- estructura externa que permite que un procariota se adhiera a las superficies y lo proteja de la deshidratación
- conjugación
- proceso por el cual los procariotas mueven ADN de un individuo a otro usando un pilus
- Gram negativo
- bacteria cuya pared celular contiene poco peptidoglicano pero tiene una membrana externa
- Gram positivo
- bacteria que contiene principalmente peptidoglicano en sus paredes celulares
- peptidoglicano
- material compuesto por cadenas de polisacáridos reticuladas a péptidos inusuales
- pilus
- apéndice superficial de algunos procariotas utilizados para la fijación a superficies incluyendo otros procariotas
- pseudopeptidoglicano
- componente de las paredes celulares de las arqueas que es similar al peptidoglicano en morfología pero contiene diferentes azúcares
- Capa S
- proteína de capa superficial presente en el exterior de las paredes celulares de arqueas y bacterias
- ácido teicoico
- polímero asociado a la pared celular de bacterias Gram-positivas
- transducción
- proceso por el cual un bacteriófago mueve el ADN de un procariota a otro
- transformación
- proceso por el cual un procariota toma el ADN que se encuentra en su entorno que es derramado por otros procariotas