Características y Funciones de Ribosomas, Bacterias, Arqueas, Virus y Priones

Ribosomas: Estructura y Función

Los ribosomas son orgánulos sin membrana formados por dos subunidades de ARN-r y proteínas. Los ribosomas de los procariotas (arqueas y bacterias) tienen un coeficiente de sedimentación de 70 S, igual que los de las mitocondrias y cloroplastos, mientras que los del citoplasma de las células eucariotas son de 80 S.

Tinción de Gram

La tinción de Gram es una tinción diferencial muy utilizada en microbiología. Cuando las bacterias se someten a esta tinción, unas se observan al microscopio de color morado o azulado (las grampositivas) y otras de color rojo o rosa (las gramnegativas), debido a las diferencias en su pared bacteriana.

Mureína

La mureína es un peptidoglucano formado por moléculas que se van alternando de N-acetil glucosamina y N-acetil murámico unidas mediante enlaces β(1→4).

Antibióticos: Mecanismo de Acción

Los antibióticos son moléculas sintetizadas por microorganismos que se utilizan para curar enfermedades provocadas por bacterias, ya que inhiben su crecimiento. Unos actúan bloqueando la formación de los componentes de la pared bacteriana, como la penicilina; otros se unen específicamente a la subunidad ribosomal 50S o al ARNt.

Quimiosíntesis: Nutrición Autótrofa

La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa que no depende de la energía luminosa, sino de la que se libera de la oxidación de moléculas inorgánicas sencillas (amoniaco, nitritos, sulfuros…). Las bacterias quimiosintéticas utilizan, además, el CO₂ como fuente de C para la síntesis de sus moléculas orgánicas.

Metabolismo: Catabolismo y Anabolismo

Se denomina metabolismo al conjunto de reacciones biológicas que tienen lugar en las células o en nuestro organismo. Estas reacciones pueden ser de dos tipos:

• Catabólicas o de degradación (en conjunto, catabolismo): aquellas en las que de moléculas complejas se forman moléculas sencillas para obtener energía (ATP). La respiración celular o la fermentación son reacciones catabólicas.
• Anabólicas o de síntesis (en conjunto, anabolismo): en las que, a partir de moléculas sencillas, se obtienen moléculas complejas.

Una vez que el ARNm del virus sale del endosoma, se traduce directamente en los ribosomas.

Viroides: Agentes Infecciosos de Plantas

Los viroides son agentes infecciosos, principalmente de plantas, con un ciclo parecido al de los virus: una etapa extracelular, metabólicamente inactivos, y una etapa intracelular infectiva parasitaria. Los viroides están formados exclusivamente por una cadena circular de ARN y no tienen cubierta proteica ni lipídica.

Priones: Proteínas Infecciosas

Los priones son entes carentes de material genético, de naturaleza proteica, que presentan plegados incorrectos que pueden transmitir ese plegado equivocado a otras formas de la misma proteína. Provocan varias enfermedades del sistema nervioso de los animales (encefalopatías espongiformes).

Dominio Archaea: Microorganismos Extremófilos

Características:

1. Las arqueas son microorganismos unicelulares y procariotas.
2. Como las bacterias, tienen ribosomas 70 S, un ADN circular y no poseen orgánulos membranosos en su citoplasma.
3. Existen diferencias en los fosfolípidos de sus membranas: los de las arqueas tienen colas de lípidos isoprenoides unidos mediante enlaces éter con el L-glicerol (los de las bacterias son como los de las células eucariotas). En algunas arqueas, los fosfolípidos forman una monocapa lipídica (no bicapa) al unirse los extremos de las colas de los lípidos isoprenoides entre sí.

La mayoría de las arqueas son organismos extremófilos, es decir, están adaptadas a vivir en ambientes extremos, lugares que cuentan con factores ambientales incompatibles con la vida de la mayoría de las especies. Por ejemplo:

• Arqueas hipertermófilas: capaces de vivir en aguas con temperaturas superiores a 100ºC. La presencia de lípidos isoprenoides en sus membranas y que sean monocapa, son adaptaciones a estos ambientes; las membranas son más estables a altas temperaturas.
• Arqueas halófilas: viven en aguas hipersalinas (con una concentración de sales mayor que la del mar). Para poder vivir en estos medios, Halobacterium, el ejemplo más estudiado, bombea grandes cantidades de K⁺ hacia el citoplasma, de modo que consigue un medio hipertónico en su interior (más concentrado que el exterior, con gran concentración de iones Na⁺), con lo que evita la pérdida de agua por plasmólisis.
• Arqueas metanogénicas: viven en ambientes anaerobios donde generan metano (CH₄) a partir de CO₂ y otras moléculas orgánicas sencillas, que, a su vez, proceden de la actividad fermentadora de otras bacterias. Se encuentran en los sedimentos de charcas, lagos y mares, en la panza de los rumiantes o en el tracto digestivo de otros animales (larvas de insectos xilófagos, termitas, en el nuestro…). Como la mayor parte del metano que generan se libera a la atmósfera, estas arqueas tienen gran importancia en el ciclo del C. Piensa, además, que el metano es un potente gas de efecto invernadero, 30 veces más que el CO₂.

Dominio Bacteria (Eubacterias): Diversidad y Funciones

Características:

1. Las bacterias son organismos microscópicos, unicelulares y procariotas. Tras la división celular, no se separan y forman colonias.
2. Presentan solo 4 tipos morfológicos, pero una gran diversidad metabólica. Los cocos son bacterias con forma esférica o redondeada; los bacilos, con forma alargada; los espirilos son largos y espiralados; y los vibrios presentan una forma de coma.
3. La mayoría de las bacterias (salvo los micoplasmas) presentan una pared bacteriana formada por mureína. Esta pared difiere en las bacterias Gram+ y Gram-. En las bacterias Gram+, la pared bacteriana está formada por una gruesa capa de mureína. La de las Gram- solo tiene una fina capa de mureína y, además, una membrana lipídica más externa.
4. Poseen una molécula de ADN circular, enrollado sobre sí mismo y asociado a proteínas no histónicas que forma el nucleoide. Las bacterias pueden contener, además, pequeñas moléculas de ADN circular y bicatenario llamados plásmidos que tienen capacidad de replicación autónoma.
5. Muchas especies tienen uno o más flagelos que les sirven para la locomoción y otras estructuras, también tubulares y más cortas, llamadas pili con las que se intercambian material genético.
6. Son haploides y se reproducen asexualmente por bipartición o fisión binaria.
7. Cuando las condiciones del medio son desfavorables, muchas bacterias pueden reducir su metabolismo y formar una endospora o espora de resistencia en su citoplasma. Esta es una compleja cubierta que protege el ADN. Una vez formada, el resto de la bacteria se destruye y queda libre, dando lugar a una exospora que se comporta como una célula latente que permanece en un estado llamado criptobiosis, con el metabolismo reducido al mínimo y gracias al cual pueden sobrevivir durante mucho tiempo en situaciones muy hostiles (altas temperaturas, largos periodos de sequía…). Cuando las condiciones vuelven a ser favorables, la espora germina y emerge de nuevo la bacteria.

Importancia y Modos de Vida

a. Bacterias patógenas: son aquellas que pueden causar enfermedades. Es el caso, por ejemplo, de la neumonía (Streptococcus), muchas intoxicaciones alimentarias (Salmonella), el tétanos, la meningitis o la tuberculosis. Para curar muchas de estas enfermedades se usan antibióticos. El mal uso de los mismos está provocando un grave problema de resistencia a los antibióticos por parte de muchas cepas bacterianas, sobre todo hospitalarias.

b. Bacterias fotosintéticas: las cianobacterias son bacterias autótrofas fotosintéticas. Se piensa que fueron las primeras que llevaron a cabo la fotosíntesis oxigénica (con liberación de O₂) hace 2.500 Ma y que los cloroplastos de las plantas proceden de la endosimbiosis con algunas de ellas. Muchas especies son capaces, también, de fijar N₂ atmosférico. Viven en el agua (tanto dulce como salada), aunque también en medios terrestres.

c. Bacterias quimiosintéticas: muchas bacterias que viven en el suelo son autótrofas quimiosintéticas. Algunas, muy importantes en el ciclo del N. De esta forma, el N del suelo queda disponible para que lo absorban las plantas por sus raíces.

d. Bacterias simbióticas: muchas especies de bacterias viven en simbiosis con otros organismos. Es el caso de las que tenemos en nuestra piel o en el intestino o las que se encuentran en los nódulos de las leguminosas (género Rhizobium), capaces de fijar el N₂ atmosférico que de esta forma queda disponible para la planta.

e. De interés en la alimentación: la fermentación es un proceso catabólico anaeróbico de oxidación incompleta para obtener energía, en el que los productos finales son compuestos orgánicos como etanol, ácido láctico, ácido acético… La fermentación láctica es la que llevan a cabo algunas bacterias (Lactobacillus casei, L. bulgaricus, Streptococcus lactis) que utilizan la lactosa (azúcar de la leche) como fuente de energía y eliminan ácido láctico, responsable del descenso del pH en la leche (acidificación). Esta acidificación genera la precipitación de la caseína de la leche o coagulación (cuajada). Gracias a ella se obtiene queso, yogur o requesón.

Uso en Biotecnología

Por ejemplo, la insulina que se inyectan los diabéticos la sintetiza una cepa de la bacteria Escherichia coli modificada a la que se le ha introducido un plásmido con el gen de la insulina humana. Decimos que una bacteria es resistente a un antibiótico cuando no responde al uso del mismo, es decir, que el antibiótico no la mata o elimina. Por tanto, no nos ayuda a curar la enfermedad que provoca dicha bacteria. Hay especies de bacterias que de forma natural son resistentes a determinados antibióticos. Otras presentan una resistencia adquirida, originada por un proceso de selección natural. Algunos alelos que confieren resistencia a los antibióticos se encuentran en los plásmidos bacterianos. Estos alelos pueden pasar a otras bacterias, incluso de diferentes especies, por los pili (proceso de conjugación bacteriana en el que pasa una hebra del plásmido de una bacteria a otra a través de un pili) con lo que estas también adquieren la resistencia.

El mal uso de los antibióticos por:

1. Tomarlos sin prescripción médica o al interrumpir el tratamiento.
2. El uso generalizado de los mismos en la alimentación animal para prevenir enfermedades en animales sanos (los consumidores ingerimos dosis subterapéuticas de los antibióticos en la dieta que son suficientes para generar poblaciones bacterianas menos vulnerables a los antibióticos en las bacterias que sobreviven).

Virus: Estructura y Ciclos Biológicos

Los virus son entes acelulares microscópicos o partículas microscópicas sin estructura celular, constituidos por ADN o ARN a los que rodea una cápsula proteica. Algunos presentan, además, una envoltura lipídica externa (envoltura vírica) que procede de alguna membrana celular del huésped (plasmática, de la envoltura nuclear o del retículo endoplasmático). Son parásitos intracelulares obligados, ya que, para reproducirse, necesitan la maquinaria enzimática celular. Pueden presentar dos fases:

• Fase extracelular: cuando se encuentran fuera de las células y son inertes. En esta fase se les denomina partículas víricas o viriones.
• Fase intracelular: cuando introducen su genoma en las células y son capaces de reproducirse.

Según las células donde se reproducen, bacteriana, animal o vegetal, se llaman bacteriófagos, virus animales o virus vegetales, respectivamente.

Estructura de los Virus

Los virus están constituidos por 3 elementos:

a) Genoma vírico: formado por 1 o más moléculas de ARN o ADN. Estas moléculas pueden ser, además, de cadena abierta o circular, monocatenarias o bicatenarias.

b) Cápsida: es la cubierta proteica que envuelve al genoma vírico. Está formada por proteínas que se disponen de forma regular y simétrica llamadas capsómeros. Puede tener forma icosaédrica, helicoidal o compleja como la de los bacteriófagos. Esta última se compone de dos partes: una cabeza icosaédrica que contiene el ácido nucleico y una cola con otras estructuras proteicas como las fibras caudales, necesarias para la inyección del ácido nucleico en la bacteria. El conjunto de la cápsida y el genoma viral se denomina nucleocápside.

c) Cubierta membranosa: es la envoltura que rodea la nucleocápside, formada por una doble capa lipídica.

Ciclo Biológico de los Virus

Los virus tienen 2 tipos de ciclos, el lítico y el lisogénico.

a) Ciclo lítico: este ciclo termina con la destrucción o lisis de la célula hospedadora y la liberación de miles de viriones.

Ciclo Biológico del Coronavirus SARS-CoV-2

Las partículas víricas de SARS-CoV-2 son más o menos esféricas (entre 60 y 140 nm de diámetro) y de ellas sobresalen las glicoproteínas S o espículas (8-12 nm), responsables del aspecto típico de una corona cuando se observan al microscopio electrónico. El genoma del virus es una molécula de ARN monocatenario, de polaridad positiva, similar al ARNm de las células eucariotas. Este ARN está asociado a proteínas N para formar la nucleocápside. El virus está formado, además, por una cubierta membranosa (bicapa lipídica) en la que se encuentran una serie de proteínas estructurales con diferentes funciones.

1. Adhesión o fijación al receptor: una vez que el coronavirus entra en las vías respiratorias, se fija mediante una de sus espículas (glicoproteína S) a un receptor específico de las células pulmonares, lo que libera la maquinaria enzimática que permite su entrada en la célula.
2. Penetración: el virus entra a la célula huésped por endocitosis (la parte de la membrana plasmática donde se ha unido la espícula del virus se invagina intracelularmente, liberando una vacuola o endosoma que contiene la partícula viral).
3. Una de sus proteínas es la ARN replicasa, que sintetiza ARN monocatenario de polaridad negativa (ARNmc-) a partir de la cadena positiva del virus. A continuación, utilizando como molde las moléculas de este ARNmc-, la ARN replicasa sintetiza copias de ARNmc+ genómico que, posteriormente, se asociarán con la proteína N para formar las nucleocápsides de los viriones y el resto de componentes.
4. Ensamblaje: las proteínas estructurales sintetizadas en los ribosomas se ensamblan en las membranas del retículo endoplasmático antes de ser transportadas al aparato de Golgi, donde se asociarán con el nuevo ARN genómico viral y la proteína N.
5. Liberación: una vez formados los nuevos viriones en el aparato de Golgi, se liberarán en vesículas que se fusionarán con la membrana plasmática y saldrán de la célula por exocitosis.

b) Ciclo lisogénico: en este caso los virus no destruyen las células que infectan, ya que su genoma se incorpora al de la célula huésped. Se llaman profagos o virus atenuados y pueden permanecer de forma latente durante muchas generaciones. Mientras la célula contenga el profago, será inmune a nuevas infecciones del mismo virus.