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Biología molecular de Bacterias,
Virus, Hongos y Parásitos
Dra. Daniela Centrón
Laboratorio de Investigaciones de los Mecanismos de Resistencia a Antibióticos
Depto de Microbiología, Parasitología e Inmunología
Facultad de Medicina
Universidad de Buenos Aires
CONICET
Dogma central
Replicación
ADN
Transcripción
ARN
Traducción
PROTEINAS
Transcripción
reversa
ORIGEN DE
LA VIDA
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la Tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
¿Cómo comenzó la vida?
GENERACIÓN ESPONTÁNEA
•
En 1668 el médico italiano
Francesco Redi refutó la
hipótesis de los GUSANOS A
PARTIR DE LA CARNE.
•
A mediados del siglo XIX,
Louis Pasteur en Francia y
John Tyndall en Inglaterra
refutaron la idea del CALDO
QUE SE TRANSFORMA EN
MICROORGANISMOS.
¿Cómo comenzó la vida?
• En 1920 y 1930, Alexander Oparin en Rusia y
John B.S. Haldane en Inglaterra advirtieron
que la atmósfera rica en oxígeno no habría
permitido la formación espontánea de las
complejas moléculas orgánicas necesarias para
la vida.
HACE 4600 MILLONES DE AÑOS
PRÁCTICAMENTE NO HABÍA OXÍGENO LIBRE
La energía cinética de los meteoritos se convertía en calor.
Las rocas de la Tierra se
fundieron, y los elementos
más pesados como el hierro y
el níquel, se hundieron hacia
el centro del planeta
Poco a poco la tierra se enfrió y
los elementos se combinaron
formando diferentes
compuestos
La atmósfera y el clima primitivos
gobernaron la evolución
prebiótica
• Casi todo el oxígeno se combinó con hidrógeno para
formar agua, con carbono para formar bióxido de
carbono, o con elementos más pesados para formar
minerales.
• Luego de millones de años, la tierra se enfrió lo
suficiente para permitir la existencia de agua líquida.
• En la superficie, el agua disolvió muchos minerales y
formó un océano salado.
Se sintetizan moléculas orgánicas
espontáneamente en condiciones
prebióticas
En 1953, Stanley Miller, y otros
investigadores produjeron
aminoácidos, proteínas
cortas, nucleótidos,
trifosfato de adenosina, y
otras moléculas
características de los seres
vivos en experimentos de
laboratorio.
Aparecieron
moléculas orgánicas
al cabo de unos días
Which organic
compounds could have
occurred on the
prebiotic earth?
Cold Soring Harb.
Symp. Quant. Biol.
52, 17-27
Miller, SL, 1987.
Las condiciones prebióticas
habrían permitido la acumulación
de moléculas orgánicas
Habría habido un “caldo primigenio” dónde se habría generado
una mayor concentración de sustancias,.
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
¿Fue el ARN la primera molécula
autorreproductora?
• En la década de 1980, Thomas Cech y Sidney Altman descubrieron
que el ARN, puede actuar como enzimas que catalizan reacciones
celulares, entre ellas, la síntesis de más moléculas de ARN.
• Parece inevitable que, en cientos de millones de años los
nucleótidos de ARN hayan formado cadenas cortas de ARN,
algunas de las cuales se convertirían en ribozimas, que
evolucionaron en rapidez y exactitud de replicación.
Replicación
ADN
Transcripción
ARN
Traducción
Transcripción
reversa
PROTEINAS
La transición al moderno mecanismo de
“ADN---ARN---Proteína” debió haber requerido una
serie compleja de etapas intermedias.
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN
ARN
• Formación de protocélulas
Proteína
Las protocélulas pudieron haber
consistido en ribozimas
encerradas en microesferas
•
•
Los químicos han demostrado que
si se agita agua que contenga
proteínas y lípidos a modo de
simular las olas que golpeaban
contra las antiguas costas, se
forman estructuras huecas
llamadas microesferas.
Las microesferas se asemejan a
las células vivas:
– Tienen una membrana similar
a la membrana celular.
– Absorben material de la
solución.
– Crecen.
– Se dividen.
Protocélula
• Si una microesfera hubiera
encerrado ribozimas, se
habría formado algo parecido a
una célula viva, a la que se
llamaría protocélula.
• Dentro se habrían producido
proteínas, y por difusión
habrían entrado nucleótidos y
aminoácidos necesarios para
sintetizar nuevos ARN y
proteínas.
• Cuando la microesfera creció
lo suficiente, pudo haberse
dividido, dando casi fin al
camino hacia la evolución de las
primeras células.
Pero, ¿acaso sucedió todo eso?
Los investigadores discrepan
en si la vida surgió en:
• Aguas estancadas.
• El mar.
• Películas de humedad sobre
la superficie de trozos de
arcilla o de pirita de hierro.
• Respiraderos muy calientes
de las profundidades
marinas.
• El espacio y luego llegó a la
tierra.
¿Cómo eran los primeros
organismos?
Árbol del dominio Bacteria
Antiguas
hipertermófilas
progenote
LOS PRIMEROS 500 AÑOS DE VIDA
Los primeros organismos eran
procariotas anaerobios
• Las primeras células eran
procariotas:
– Su material genético NO
estaba separado del resto
de la célula y encerrado en
un núcleo envuelto en una
membrana.
– Eran heterótrofos. Obtenían
nutrimentos y energía
probablemente absorbiendo
moléculas orgánicas de su
entorno.
– Su metabolismo era
anaerobio
Hoy las podemos encontrar.....
La Travertina es carbonato de calcio precipitado por las
hipertermófilas en los manantiales cálidos (a más de 80ºC solo es
debido a bacterias) del Parque Nacional de Yellowstone, USA
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN
ARN
Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva
(microfósiles: estromatolitos)
La vida comenzó
durante la era
precámbrica
Los organismos fósiles
más antiguos
encontrados hasta
ahora están en rocas
precámbricas de 3400
millones de años de
antigüedad. Los
rastros químicos de
rocas más antiguas
han inducido a algunos
paleontólogos a
pensar que la vida es
aún más antigua: quizá
hasta 3900 millones
de años.
PRIMEROS FÓSILES DE VIDA SOBRE LA TIERRA...
ROCAS SEDIMENTARIAS PRODUCIDAS POR CIANOBACTERIAS....
ARRECIFES DE
ESTROMATOLITOS FÓSILES
Actualmente se siguen formando
en algunos sitios del planeta:
•Costa oeste de Australia
•Bahamas
•Mar Rojo
•Lagoa Salgada (RJ) en Brasil
•Salar de Llamara en Chile
Árbol del dominio Bacteria
PRIMEROS FOSILES DE VIDA EN LA TIERRA
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN
ARN
Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva
(microfósiles: estromatolitos)
• Organismos fotosintetizadores
• Al multiplicarse estas bacterias ancestrales
consumieron
las
moléculas
orgánicas
sintetizadas prebióticamente.
• Sin embargo, el CO2 y el H2O eran abundantes
al igual que la energía solar.
• Entonces, lo que faltaba eran moléculas
energéticas, es decir, en las que se ha
almacenado energía en enlaces químicos.
Algunos organismos adquirieron la
capacidad de capturar energía
solar
• Con el tiempo, algunas células
adquirieron la capacidad de
usar la energía solar para
sintetizar
moléculas
complejas de alta energía a
partir de moléculas más
simples (fotosíntesis).
• Como
la
fotosíntesis
necesita una fuente de
hidrógeno,
las
primeras
bacterias
fotosintéticas
probablemente
usaron
sulfuro de hidrógeno, y
luego cuando éste se agotó,
debieron comenzar a usar
agua.
.....PREVALECÍA LA FOTOSÍNTESIS BACTERIANA.....
• La fotosíntesis introdujo cantidades importantes de O2 libre
en la atmósfera por primera vez.
• Al principio el O2 se consumía rápidamente en reacciones
con otras moléculas de la atmósfera y la corteza terrestre
(Fe).
• Cuando todo el Fe accesible se transformó en herrumbre, la
concentración de O2 libre comenzó a aumentar (hace 2200
millones de años-cianobacterias).
• Los niveles de O2 atmosférico aumentaron hasta alcanzar un
nivel estable hace 1500 millones de años, y se mantiene casi
constante hasta ahora.
LUZ
CO2 + H2O ----------- CH2O (azúcar) +O2
2H2S + CO2-------- CH2O (azúcar) +2S + H2O
FOTOAUTÓTROFOS Y QUIMIOAUTÓTROFOS
Árbol del dominio Bacteria
PRIMEROS AUTÓTROFOS
El metabolismo aeróbico surgió en
respuesta a la crisis de oxígeno
• La acumulación de oxígeno en la atmósfera de
la tierra primitiva PRODUJO LA PRIMERA
EXTINCIÓN MASIVA SOBRE LA TIERRA
y fomentó la evolución de mecanismos
celulares para contrarrestar su toxicidad.
• La crisis de oxígeno también creó la presión
ambiental para que las bacterias adquieran la
aptitud de utilizar oxígeno en el
metabolismo.
• Esto dio a las células aerobias una importante
ventaja selectiva.
¿POR QUÉ?
Metabolismo energético
CITOPLASMA
2 ATP
FERMENTACIÓN
CH2O (azúcar) ----------- Alcohol + CO2 + ATP
o ácido
MITOCONDRIA
2 ATP
32-34 ATP
RESPIRACIÓN
CH2O (azúcar) + O2 ----------- CO2+ H2O+ ATP
Árbol del dominio Bacteria
RESPIRACIÓN AERÓBICA
ORIGEN DE LA VIDA
• Origen de la tierra 4600 millones de años
• Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy
poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S
• Temperatura > 100°C
• Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)
• Célula moderna: ADN
ARN
Proteína
• Formación de protocélulas
• Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva
(microfósiles: estromatolitos)
• Organismos fotosintetizadores
• Origen de eucariotas: teoría endosimbiótica
Teoría Endosimbiótica
La hipótesis de los
endosimbiotas,defendida
principalmente por Lynn Margulis, de
la Universidad de Massachusetts,
propone que las células primitivas se
hicieron de los precursores de las
mitocondrias y los cloroplastos
englobando ciertos tipos de
bacterias (protobacteria aerobia y
cianobacteria, respectivamente).
Las mitocondrias y los cloroplastos
pudieron haber surgido a partir de
bacterias englobadas
Están encargados de suministrar
la mayor parte de la energía
necesaria para la actividad celular;
Sintetizan ATP por medio
de la fosforilación oxidativa.
MITOCONDRIAS VISTAS AL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN
Microsporidia y Giardia: carecen de mitocondria, son parásitos
obligados, tienen genoma un poco mayor que los procariotas.
La amiba Pelomyxa palustris
carece de mitocondrias,
pero alberga una
población permanente de
bacterias aerobias
que desempeñan
un papel muy similar.
El origen del núcleo es más
enigmático
• Una posibilidad es que la
membrana plasmática se haya
plegado hacia adentro para
rodear el ADN.
• Otra hipótesis es que surgió como
resultado de una endosimbiosis.
• Cualquiera que haya sido el origen
del núcleo, el hecho de tener el
ADN dentro de él, parece haber
conferido
grandes
ventajas,
quizá al permitir una regulación
más fina del material genético.