2.4B: El Cromosoma Bacteriano y Nucleoide

Objetivos de aprendizaje

1. Definir genoma.
2. Describir la composición del cromosoma bacteriano.
3. Nombra las enzimas que permiten que el ADN bacteriano se vuelva circular, superenrollado y se desenrolle durante la replicación del ADN.
4. Describa brevemente el proceso de replicación del ADN.
5. Anotar la función de las siguientes enzimas en la replicación bacteriana del ADN:
   1. ADN polimerasaIII
   2. ADN polimerasa II
   3. ADN helicasa
   4. primasa
   5. ADN ligasa
6. Anotar la función del ADN.
7. En términos de síntesis proteica, describa brevemente el proceso de transcripción y traducción.
8. Exponga brevemente cómo los siguientes agentes quimioterapéuticos antibacterianos afectan a las bacterias:
   1. fluoroquinolonas (norfloxacina, lomefloxacina, fleroxacina, ciprofloxacina, enoxacina, trovafloxacina, etc.)
   2. trimetoprima y sulfametoxazol

Ahora veremos el cromosoma bacteriano localizado en la región nuclear llamada nucleoide.

A. Estructura y Composición del Cromosoma Bacteriano

El término genoma se refiere a la suma del material genético de un organismo. El genoma bacteriano está compuesto por una sola molécula de ácido desoxirribonucleico cromosómico o ADN y se localiza en una región del citoplasma bacteriano visible cuando se ve con un microscopio electrónico llamado nucleoide. A diferencia del núcleo eucariota, el nucleoide bacteriano no tiene membrana nuclear ni nucleolos.

En general se piensa que durante la replicación del ADN, cada hebra del ADN bacteriano replicante se une a las proteínas en lo que se convertirá en el plano de división celular. Por ejemplo, las proteínas Par funcionan para separar los cromosomas bacterianos a polos opuestos de la célula durante la división celular. Se unen al origen de replicación del ADN y físicamente tiran o empujan los cromosomas separados, similar al aparato mitótico de las células eucariotas (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\) : División Bacteriana. En general se piensa que durante la replicación del ADN, cada hebra del ADN bacteriano replicante se une a las proteínas en lo que se convertirá en el plano de división celular. Por ejemplo, las proteínas Par funcionan para separar los cromosomas bacterianos a polos opuestos de la célula durante la división celular. Se unen al origen de replicación del ADN y físicamente tiran o empujan los cromosomas separados, similar al aparato mitótico de las células eucariotas. En el centro de la bacteria, un grupo de proteínas llamadas proteínas Fts (filamentosas sensibles a la temperatura) interactúan para formar un anillo en el plano de división celular. Estas proteínas forman el aparato de división celular conocido como el divisoma y están directamente involucradas en la división celular bacteriana por fisión binaria. El divisoma se encarga de dirigir la síntesis de nueva membrana citoplásmica y nuevo peptidoglicano para formar el tabique de división.

En el centro de la bacteria, un grupo de proteínas llamadas proteínas Fts (filamentosas sensibles a la temperatura) interactúan para formar un anillo en el plano de división celular. Estas proteínas forman el aparato de división celular conocido como el divisoma y están directamente involucradas en la división celular bacteriana por fisión binaria. El divisoma se encarga de dirigir la síntesis de nueva membrana citoplásmica y nuevo peptidoglicano para formar el tabique de división.

Dado que las bacterias son haploides, es decir, tienen un solo cromosoma y solo se reproducen asexualmente, tampoco hay meiosis en las bacterias.

El cromosoma bacteriano es una molécula larga, única de ADN bicatenario, helicoidal y superenrollado. En la mayoría de las bacterias, los dos extremos del ADN bicatenario se unen covalentemente para formar un círculo físico y genético. El cromosoma tiene generalmente alrededor de 1000 µm de largo y frecuentemente contiene hasta 3500 genes (Figura\(\PageIndex{2}\)). E. coli, una bacteria que tiene 2-3 µm de longitud, tiene un cromosoma de aproximadamente 1400 µm de largo.

Figura\(\PageIndex{2}\) : Micrografía electrónica de un cromosoma bacteriano

Para permitir que una macromolécula de este tamaño encaje dentro de la bacteria, las proteínas similares a histonas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en alrededor de 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. Una enzima ADN topoisomerasa llamada ADN girasa luego superenrolla cada dominio alrededor de sí mismo, formando una masa compactada de ADN de aproximadamente 0.2 µm de diámetro. En bacterias en crecimiento activo, las proyecciones del nucleoide se extienden hacia el citoplasma. Presumiblemente, estas proyecciones contienen ADN que se está transcribiendo en ARNm. Las superbobinas son insertadas y eliminadas por las topoisomerasas.

Las ADN topoisomerasas son, por lo tanto, esenciales en el desenrollado, replicación y rebobinado del ADN bacteriano circular superenrollado. Para que la molécula larga de ADN encaje dentro de la bacteria, el ADN debe estar superenrollado. Sin embargo, este ADN superenrollado debe desenrollarse y relajarse para que la ADN polimerasa se una para la replicación del ADN y la ARN polimerasa se una para la transcripción del ADN. Por ejemplo, una topoisomerasa llamada ADN girasa cataliza el superenrollamiento negativo del ADN circular que se encuentra en las bacterias. La topoisomerasa IV, por otro lado, está involucrada en la relajación del ADN circular superenrollado, permitiendo la separación de los cromosomas hijos interconectados al final de la replicación del ADN bacteriano.

B. Replicación de ADN en bacterias

En general, el ADN se replica por desenrollamiento de la hélice, separación de cadenas por ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las cadenas complementarias y síntesis de dos nuevas cadenas por apareamiento de bases complementarias. La replicación comienza en un sitio específico en el ADN llamado origen de replicación (ori C).

Figura\(\PageIndex{3}\) : Replicación de ADN por emparejamiento de bases complementarias: desenrollado por helicasa de ADN. La replicación comienza en un sitio específico en el ADN llamado origen de replicación. Las enzimas desenrolladas llamadas helicasas de ADN hacen que las dos cadenas de ADN progenitoras se desenrollen y se separen entre sí en ambas direcciones en este sitio para formar dos horquillas de replicación en forma de “Y”. Estas horquillas de replicación son el sitio real de la copia del ADN. Durante la replicación dentro de la horquilla, las proteínas desestabilizadoras de hélice (no mostradas aquí) se unen a las regiones monocatenarias evitando que las cadenas se vuelvan a unir.

La replicación del ADN es bidireccional desde el origen de la replicación. Para comenzar la replicación del ADN, las enzimas desenrolladas llamadas helicasas de ADN hacen que segmentos cortos de las dos cadenas de ADN parentales se desenrollen y se separen entre sí en el origen de la replicación para formar dos horquillas de replicación en forma de “Y”. Estas horquillas de replicación son el sitio real de la copia del ADN (Figura\(\PageIndex{3}\)). Todas las proteínas involucradas en la replicación del ADN se agregan en las horquillas de replicación para formar un complejo de replicación llamado replisoma (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\) : Replicación Circular Bidireccional de ADN en Bacterias La replicación del ADN (flechas) ocurre en ambas direcciones desde el origen de la replicación en el ADN circular que se encuentra en la mayoría de las bacterias. Todas las proteínas involucradas en la replicación del ADN se agregan en las horquillas de replicación para formar un complejo de replicación llamado replisoma. La hebra de ADN retrasada sale de la cadena principal y esto permite que el replisoma se mueva a lo largo de ambas hebras tirando del ADN a medida que ocurre la replicación. Es el ADN real, no la ADN polimerasa que se mueve durante la replicación bacteriana del ADN.

Las proteínas de unión monocatenaria se unen a las regiones monocatenarias para que las dos cadenas no se vuelvan a unir. El desenrollado de la hélice de doble hebra genera superbobinas positivas antes de la horquilla de replicación. Las enzimas llamadas topoisomerasas contrarrestan esto produciendo roturas en el ADN y luego se reunen a ellas para formar superbobinas negativas con el fin de aliviar este estrés en la molécula helicoidal durante la replicación.

A medida que las cadenas continúan desenrollándose y separándose en ambas direcciones alrededor de toda la molécula de ADN, se producen nuevas cadenas complementarias por el enlace de hidrógeno de los nucleótidos de ADN libres con los de cada cadena parental. A medida que los nuevos nucleótidos se alinean frente a cada cadena parental mediante enlaces de hidrógeno, las enzimas llamadas ADN polimerasas se unen a los nucleótidos por medio de enlaces fosfodiéster. En realidad, los nucleótidos que se alinean por emparejamiento de bases complementarias son desoxinucleótidos trifosfatos, compuestos por una base nitrogenada, desoxirribosa y tres fosfatos. A medida que se forma el enlace fosfodiéster entre el grupo fosfato 5' del nuevo nucleótido y el OH 3' del último nucleótido en la cadena de ADN, se eliminan dos de los fosfatos proporcionando energía para la unión (ver Figura\(\PageIndex{6}\)). Al final, cada hebra parental sirve como molde para sintetizar una copia complementaria de sí misma, dando como resultado la formación de dos moléculas de ADN idénticas (ver Figura\(\PageIndex{7}\)). En las bacterias, las proteínas Par funcionan para separar los cromosomas bacterianos a polos opuestos de la célula durante la división celular. Se unen al origen de replicación del ADN y físicamente tiran o empujan los cromosomas separados, similar al aparato mitótico de las células eucariotas. Las proteínas Fts, como FtsK en el divisoma, también ayudan a separar el cromosoma bacteriano replicado.

Animación GIF que ilustra la replicación del ADN mediante emparejamiento de bases complementarias

En realidad, la replicación del ADN es más complicada que esto debido a la naturaleza de las ADN polimerasas. Las enzimas ADN polimerasa solo son capaces de unir el grupo fosfato en el carbono 5' de un nuevo nucleótido al grupo hidroxilo (OH) del carbono 3' de un nucleótido que ya está en la cadena. Como resultado, el ADN solo se puede sintetizar en una dirección 5' a 3' mientras se copia una cadena parental que corre en una dirección de 3' a 5'.

Cada cadena de ADN tiene dos extremos. El extremo 5' del ADN es el que tiene el grupo fosfato terminal en el carbono 5' de la desoxirribosa; el extremo 3' es el que tiene un grupo hidroxilo terminal (OH) en la desoxirribosa del carbono 3' de la desoxirribosa (ver Figura\(\PageIndex{8}\)). Los dos hilos son antiparalelos, es decir, corren en direcciones opuestas. Por lo tanto, una hebra padre, la que corre de 3' a 5' y se llama la hebra principal, se puede copiar directamente en toda su longitud (ver Figura\(\PageIndex{9}\)). Sin embargo, la otra cadena parental -la que corre 5' a 3' y se llama la hebra rezagada- debe copiarse discontinuamente en fragmentos cortos (fragmentos de Okazaki) de alrededor de 100-1000 nucleótidos cada uno a medida que el ADN se desenrolla. Esto ocurre, como se mencionó anteriormente, en el replisoma. La hebra de ADN retrasada sale de la cadena principal y esto permite que el replisoma se mueva a lo largo de ambas hebras tirando del ADN a medida que ocurre la replicación. Es el ADN real, no la ADN polimerasa que se mueve durante la replicación bacteriana del ADN (ver Figura\(\PageIndex{5}\)).

Además, las enzimas ADN polimerasa no pueden comenzar una nueva cadena de ADN desde cero. Solo pueden unir nuevos nucleótidos al grupo OH 3' de un nucleótido en una cadena preexistente. Por lo tanto, para iniciar la síntesis de la cadena principal y cada fragmento de ADN de la hebra rezagada, se requiere un complejo de ARN polimerasa llamado primasa. La primasa, que es capaz de unir nucleótidos de ARN sin requerir una cadena preexistente de ácido nucleico, primero agrega varios nucleótidos de ARN complementarios opuestos a los nucleótidos de ADN en la cadena parental. Esto forma lo que se llama un cebador de ARN (ver Figura\(\PageIndex{10}\)).

Luego, la ADN polimerasa III reemplaza a la primasa y es capaz de agregar nucleótidos de ADN al cebador de ARN (ver Figura\(\PageIndex{11}\)). Posteriormente, la ADN polimerasa II digiere el cebador de ARN y reemplaza los nucleótidos de ARN del cebador con los nucleótidos de ADN adecuados para llenar el hueco (ver Figura\(\PageIndex{12}\)). Finalmente, los propios fragmentos de ADN son enganchados entre sí por la enzima ADN ligasa (ver Figura\(\PageIndex{9}\)). Sin embargo, incluso con este complicado procedimiento, una macromolécula de 1000 micrómetros de largo de ADN superenrollado y compactado puede hacer una copia exacta de sí misma en solo unos 10 minutos en condiciones óptimas, ¡insertando nucleótidos a una velocidad de aproximadamente 1000 nucleótidos por segundo!

Película de YouTube que ilustra la replicación del ADN en células procariotas, #1.

Película de YouTube que ilustra la replicación del ADN en células procariotas, #2.

Animación GIF que ilustra la replicación de cadenas principales y rezagadas de ADN

Animación de la replicación del ADN. Cortesía de HHMI's Biointeractive.

Para Más Información: Revisión de la Replicación del ADN Procariota de la Unidad 7

C. Funciones del Cromosoma Bacteriano

El cromosoma es el material genético de la bacteria. Los genes localizados a lo largo del ADN se transcriben en moléculas de ARN, principalmente ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt y ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero se traduce entonces en proteína en los ribosomas.

• Transcripción: El ácido ribonucleico (ARN) se sintetiza mediante el apareamiento de bases complementarias de ribonucleótidos con desoxirribonucleótidos para que coincidan con una porción de una cadena de ADN llamada gen. Aunque los genes están presentes en ambas cadenas de ADN, solo se transcribe una cadena para cualquier gen dado. Después de la transcripción de genes en ARNm, las subunidades ribosómicas 30S y 50S se unen al ARNm y el ARNt inserta los aminoácidos correctos que posteriormente se unen para formar un polipéptido o una proteína a través de un proceso llamado traducción.

• Traducción: Durante la traducción, moléculas específicas de ARNt recogen aminoácidos específicos, transfieren esos aminoácidos a los ribosomas e insertarlos en su lugar apropiado de acuerdo con el “mensaje” del ARNm. Esto se hace mediante la porción anticodón de las moléculas de ARNt que se empareja de bases complementarias con los codones a lo largo del ARNm.

En general entonces, el ADN determina qué proteínas y enzimas puede sintetizar un organismo y, por lo tanto, qué reacciones químicas es capaz de llevar a cabo.

D. El Epigenoma Bacteriano

El epigenoma se refiere a una variedad de compuestos químicos que modifican el genoma típicamente agregando un grupo metilo (CH ₃) a la base nucleotídica adenina en ubicaciones específicas a lo largo de la molécula de ADN. Esta metilación puede, a su vez, reprimir o activar la transcripción de genes específicos. Al activar o desactivar los genes, el epigenoma permite que el genoma bacteriano interactúe y responda al entorno de la bacteria. El epigenoma se puede heredar igual que el genoma.

Todas las células, incluidas las células humanas, poseen un epigenoma. Así como el epigenoma bacteriano puede afectar al genoma bacteriano, las bacterias, pueden afectar nuestro epigenoma y posteriormente modificar la función de nuestro genoma al provocar la metilación del ADN de los nucleótidos o al modificar nuestras proteínas histonas. La modificación resultante puede ayudar a activar diversos genes involucrados en las defensas inmunitarias o, en el caso de algunos patógenos, suprimir los genes de respuesta inmune.

E. Importancia del Cromosoma para la Iniciación de la Defensa Corporal

Para protegerse contra la infección, una de las cosas que el cuerpo debe hacer inicialmente es detectar la presencia de microorganismos. El cuerpo hace esto reconociendo moléculas únicas de microorganismos que no están asociados con células humanas. Estas moléculas únicas se denominan patrones moleculares asociados a patógenos o PAMPS. (Debido a que todos los microbios, no solo los microbios patógenos, poseen PAMP, los patrones moleculares asociados a patógenos a veces se denominan patrones moleculares asociados a microbios o MAMP).

Los genomas bacterianos y virales contienen una alta frecuencia de secuencias de dinucleótidos de citosina-guanina (CpG) no metiladas (una citosina que carece de un grupo metilo o CH ₃ y se encuentra adyacente a una guanina). El ADN de mamíferos tiene una baja frecuencia de dinucleótidos de citosina-guanina y la mayoría están metilados. Estas secuencias de dinucleótidos de citosina-guanina no metiladas en el ADN bacteriano son PAMPS que se unen a receptores de reconocimiento de patrones en una variedad de células de defensa del cuerpo y desencadena defensas inmunes innatas como inflamación, fiebre y fagocitosis.

F. Agentes antimicrobianos que inhiben la replicación normal de ácidos nucleicos en bacterias

Algunos agentes quimioterapéuticos antibacterianos afectan a las bacterias al inhibir la replicación normal de ácidos nucleicos.

• Las fluoroquinolonas (norfloxacino, lomefloxacino, fleroxacino, ciprofloxacino, enoxacino, trovafloxacino, etc.) funcionan inhibiendo una o más de las topoisomerasas, las enzimas necesarias para la síntesis de ácidos nucleicos bacterianos.
• El cotrimoxazol, una combinación de sulfametoxazol y trimetoprima, bloquea las enzimas en la vía bacteriana requerida para la síntesis de ácido tetrahidrofólico, un cofactor necesario para que las bacterias produzcan las bases nucleotídicas timina, guanina, uracilo y adenina. Sin el ácido tetrahidrofólico, la bacteria no puede sintetizar ADN o ARN.

La quimioterapia antimicrobiana se discutirá con mayor detalle posteriormente en la Unidad 2 bajo Control de Bacterias mediante el Uso de Antibióticos y Desinfectantes.

Ejercicio: Preguntas de Pensar-Par-Compartir

A medida que estamos aprendiendo, los patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) son moléculas microbianas que muchos microbios comparten pero no se encuentran como parte del cuerpo humano y son capaces de iniciar respuestas inmunes innatas. Los ejemplos hasta ahora incluyen fragmentos de peptidoglicano, lipopolisacáridos en la pared celular gramnegativa y ácidos lipoteicoicos en la pared celular gram-positiva, moléculas que carecen las células humanas. Los genomas bacterianos y virales también actúan como PAMP.

Nuestras células también tienen ADN y ARN. ¿Cómo pueden los genomas bacterianos y virales iniciar la inmunidad innata cuando nuestros genomas no lo hacen?

Resumen

1. El genoma es la suma del material genético de un organismo.
2. Las bacterias contienen un solo cromosoma de ácido desoxirribonucleico (ADN) bicatenario.
3. La región del citoplasma bacteriano donde se encuentra el cromosoma y es visible cuando se ve con un microscopio electrónico llamado nucleoide.
4. El cromosoma bacteriano es típicamente un círculo físico y genético, se vuelve superenrollado y no está rodeado por una membrana nuclear.
5. Las bacterias no realizan mitosis ni meiosis.
6. Las enzimas ADN topoisomerasa se utilizan para superenrollar y relajar el cromosoma bacteriano durante la replicación y transcripción del ADN.
7. Al igual que el ADN eucariota, el ADN procariota se replica mediante el desenrollado secuencial de las dos cadenas parentales de ADN y el posterior emparejamiento de bases complementarias de nucleótidos de ADN con cada cadena parental.
8. Durante la replicación del ADN, la base nitrogenada adenina forma enlaces de hidrógeno con timina y guanina forma enlaces de hidrógeno con citosina.
9. Los genes localizados a lo largo del ADN se transcriben en moléculas de ARN, principalmente ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero se traduce entonces en proteína en los ribosomas.
10. Durante la transcripción, el ácido ribonucleico (ARN) se sintetiza mediante el apareamiento de bases complementarias de ribonucleótidos con desoxirribonucleótidos para que coincidan con una porción de una cadena de ADN llamada gen.
11. Durante la traducción, las moléculas de ARNt específicas recogen aminoácidos específicos, los transfieren a los ribosomas y los insertan en su lugar apropiado de acuerdo con el “mensaje” del ARNm.
12. Los genomas bacterianos y virales actúan como PAMP para estimular la inmunidad innata.
13. Algunos agentes quimioterapéuticos antibacterianos que inhiben la replicación normal de ácidos nucleicos en bacterias.

Preguntas

Estudie el material en esta sección y luego escriba las respuestas a estas preguntas. No se limite a hacer clic en las respuestas y escríbelas. Esto no pondrá a prueba tu comprensión de este tutorial.

1. La suma del material genético de un organismo se llama su____________. (ans)
2. Enzimas bacterianas involucradas en el desenrollado, replicación y rebobinado del ADN bacteriano circular superenrollado llamado ______________. (ans)
3. Describir la composición general del cromosoma en la mayoría de las bacterias. (ans)
4. Describa brevemente el proceso de replicación del ADN. (ans)
5. Anotar qué enzima realiza las siguientes funciones durante la replicación del ADN.
   1. Desenrolla el ADN helicoidal rompiendo los enlaces de hidrógeno entre bases complementarias. (ans)
   2. Sintetica un cebador de ARN corto al inicio de cada origen de replicación. (ans)
   3. Agrega nucleótidos de ADN al cebador de ARN. (ans)
   4. Digesta el cebador de ARN y reemplaza los nucleótidos de ARN del cebador con los nucleótidos de ADN adecuados. (ans)
   5. Enlaza los fragmentos de ADN de la hebra rezagada. (ans)
6. Anotar la función general del ADN. (ans)
7. Definir transcripción. (ans)
8. Definir traducción. (ans)
9. La ciprofloxacina (Cipro) se usa para tratar una variedad de infecciones bacterianas. ¿Cómo impide que las bacterias crezcan? (ans)
10. Opción múltiple (ans)