Genética Bacteriana

GENÉTICA BACTERIANA

Las bacterias son microorganismos con una capacidad extraordinaria de adaptación a diferentes condiciones ambientales. Para comprender la esencia de esta capacidad es importante conocer sus bases genéticas, es decir como está organizada la información genética, como realizan y regulan su expresión y que mecanismos de variación génica poseen.

La capacidad infecciosa de las bacterias patógenas radica en que poseen la información génica necesaria para colonizar los tejidos del huésped, invadirlos y/o producir sustancias tóxicas que causarán la enfermedad.

Por otro lado, el conocimiento del funcionamiento genético de las bacterias, sumado al hecho de que son de fácil manejo en el laboratorio y que tienen crecimiento rápido, ha permitido usarlas para sintetizar productos útiles a la medicina, tanto para el diagnóstico como para la prevención y tratamiento de algunas enfermedades. Estas posibilidades se han visto incrementadas con el desarrollo de la ingeniería genética y la disponibilidad de técnicas de biología molecular.

Estructura del genoma bacteriano

Toda la información genética esencial para la vida de la bacteria está contenida en una única molécula de ácido desoxirribonucleico (ADN) de doble cadena y circular, cerrado por enlace covalente. Dicha molécula se denomina cromosoma bacteriano. Muchas bacterias poseen además ADN extracromosómico, también circular y cerrado, denominado ADN plasmídico por estar contenido en los plásmidos. Éstos, portan información génica para muchas funciones que no son esenciales para la célula en condiciones normales de crecimiento.

Las bacterias no poseen histonas asociadas a su genoma y en consecuencia no tienen la posibilidad de compactar su ADN en estructuras tipo nucleosomas como las células eucariotas. Por lo tanto, deben compactar su ADN de otra manera. Esto se logra porque el ADN circular cerrado es capaz de adoptar una estructura terciaria denominada superenrollamiento, que implica el enrollamiento del eje de la doble hélice sobre sí mismo. Este superenrollamiento se dice que tiene sentido negativo porque tiene el sentido contrario al enrollamiento de una hebra de ADN sobre la otra. Esto supone para la bacteria una fuente de almacenamiento de energía para ser usada en muchos procesos fisiológicos que la requieren, por ejemplo la separación de las dos hebras de ADN necesaria para la replicación y la transcripción.

Las bacterias poseen enzimas (topoisomerasas) capaces de alterar la estructura del ADN, modificando su superenrrollamiento. Estas topoisomerasas actúan agregando o eliminando vueltas superhelicoidales y cumplen un rol importante en los procesos de replicación y transcripción del ADN. Además, es interesante mencionar que algunas de las topoisomerasas como la ADNgirasa, son blanco de acción de los antibióticos del grupo de las quinolonas, como el ácido nalidíxico.

PLASMIDOS

 Son ADN extracromosomico. Estos, son moléculas circulares de ADN de doble cadena que constituyen una unidad de replicación independiente del cromosoma. Por esto puede encontrarse más de una copia del mismo plásmido dentro de la célula bacteriana.

Aunque el ADN plasmídico no porta información genética esencial para la vida de la bacteria, sí porta genes que le confieren nuevas propiedades fenotípicas y que en algunos casos le son útiles para su adaptación al crecimiento en determinados ambientes. 

GENES

Los elementos transponibles son segmentos de ADN capaces de moverse desde una posición a otra en el genoma. Es decir que pueden transponerse o “saltar” desde un sitio determinado del genoma, separándose del resto del ADN, hasta otro sitio distinto al cual se integran.

Existen dos tipos de elementos transponibles:

·                    Los elementos IS (secuencias de inserción) son segmentos pequeños de ADN, de aprox. 1 a 2 Kb que contienen la información genética mínimamente necesaria para la transposición. Poseen secuencias específicas en ambos extremos del fragmento que consisten en repeticiones invertidas una respecto de la otra, que son reconocidas por enzimas codificadas en el mismo elemento IS, denominadas transposasas, responsables de la integración del elemento al sitio blanco del genoma.

·                    Los Tn (transposones) son segmentos de ADN que además de portar la información necesaria para la transposición, contienen genes que pueden codificar diferentes propiedades fenotípicas. Se destaca la resistencia a ciertos antibióticos. Algunos plásmidos poseen uno o más Tn que portan determinantes de resistencia a antibióticos; la capacidad de estos elementos para transponerse de un plásmido a otro, proporciona a la bacteria gran flexibilidad para desarrollar resistencia, dado que dichos plásmidos son generalmente conjugativos, por lo que pueden transferirse entre distintas bacterias.

REPLICACIÓN DEL ADN BACTERIANO

Si se inicia la replicación, la división consiguiente no debe ocurrir hasta que se haya completado la replicación y, de hecho el final de la replicación puede disparar la división celular.

Las bacterias, a diferencia de las células eucariotas, son capaces de replicar su ADN a lo largo de todo su ciclo celular.

El sitio de ADN que se está duplicando, se llama horquilla de replicación. La replicación puede ser unidireccional o bidireccional, según se formen una o dos horquillas en el origen. Generalmente, los cromosomas bacterianos tienen replicación bidireccional, mientras que algunos plásmidos pueden replicarse unidireccionalmente. En la replicación unidireccional, una horquilla sale del origen y progresa a lo largo del ADN. En la bidireccional, se forman dos horquillas que se alejan del origen en direcciones opuestas hasta que se encuentran completando la duplicación. Esto permite a la bacteria duplicar su ADN más rápido que si el proceso fuera unidireccional, pudiendo replicar más de mil pb por segundo. La replicación es semiconservativa porque cada molécula de ADN posee una cadena del ADN original y una nueva.

Las enzimas encargadas de catalizar el proceso de replicación, se denominan ADN polimerasas. Si bien en E. coli se conocen tres tipos distintos, la responsable de la mayoría de los procesos de replicación es la polimerasa III, mientras que las polimerasas I y II cumplen principalmente funciones de reparación de rupturas o de errores en las moléculas de ADN. También participan otras enzimas, como las helicasas responsables de “desenrollar” el ADN en el origen o cerca de él, paso indispensable para iniciar la replicación.

Podemos decir que la replicación consta de tres fases: iniciación, elongación y terminación. La primera se produce desde el origen del replicón donde se forma la o las horquillas de replicación, gracias a la acción de las helicasas que “desenrollan” el ADN. De esta forma se constituye una porción monocatenaria de ADN que estará en condiciones de formar un complejo con proteínas de unión al ADN, encargadas de estabilizar la cadena sencilla, evitando la formación de puentes de hidrógeno. Se sintetiza un corto oligonucleótido de ARN con un grupo 3´ oxidrilo libre, que actuará como cebador o primer, en el cual la ADN polimerasa agrega los nucleótidos.

La elongación consiste en el avance de la horquilla de replicación, conforme se van agregando nucleótidos a la nueva cadena, siguiendo un orden establecido por las reglas de complementariedad de bases (A con T y C con G), entre la cadena “molde” y la nueva. En esta etapa participa fundamentalmente la ADN polimerasa III. Todas las polimerasas conocidas agregan nucleótidos en dirección 5´- 3´ para el crecimiento de la cadena y requieren una cadena de ADN molde, un cebador y los nucleótidos.

La terminación se produce después de que ambas horquillas de replicación han atravesado la mitad del cromosoma en direcciones opuestas y se encuentran en la región terminal del genoma. En esta región, existen secuencias de ADN que actúan como bloqueadores para el avance del las horquillas, por lo tanto se asegura que la replicación termine en esa pequeña porción del genoma.

TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN

Durante la transcripción, las reglas del apareamiento de bases son aplicadas por la ARN polimerasa para sintetizar un producto complementario a una cadena del ADN usada como molde, que es el ARN. Una de las clases más importantes de ARN es el llamado mensajero (ARNm), que porta la información para la síntesis de proteínas. La ARN polimerasa bacteriana, es distinta de la que tienen las células eucariotas; de hecho, algunos antibióticos que tienen como sitio blanco de acción la ARN polimerasa (por ejemplo la rifampicina) son efectivos exclusivamente ante células procariotas.

La ARN polimerasa reconoce un sitio específico en el ADN, llamado promotor, al cual se une iniciando la transcripción. Un mismo transcriptor, ARNm, puede contener la información correspondiente a más de un gen, por lo tanto se traducirá luego en más de un polipéptido. El conjunto de genes que son transcriptos en un único ARNm y que por tanto se expresan en conjunto se denomina operón.

Los genes procariotas no poseen intrones como los eucariotas, es decir que una vez transcripto el ARNm, éste será traducido directamente en una secuencia polipeptídica, sin necesidad de realizar ningún procesamiento después de la transcripción.

Otra diferencia importante con la expresión de los genes eucariotas, es que como las bacterias no tienen un compartimento nuclear definido, los procesos de transcripción y traducción están acoplados. Es decir que mientras se está sintetizando una molécula de ARNm, el ARN naciente puede tomar contacto con los ribosomas e iniciar la síntesis proteica (ver figura 5). Ésto es una ventaja para la bacteria y constituye una importante causa de su elevada capacidad para adaptarse a diferentes ambientes, porque le permite responder rápidamente a los estímulos sintetizando las proteínas necesarias, en el momento adecuado.

La traducción es un proceso por el cual el ARN ribosómico, el ARN de transferencia (ARNt) y muchas proteínas ribosomales, realizan la “lectura” del código genético. Dicho código está “escrito” en tripletes de nucleótidos o codones portados por el ARNm; de la “escritura” de la secuencia correspondiente de aminoácidos, surge el producto polipeptídico. El ribosoma desempeña un rol fundamental, reuniendo al ARNm y a los ARNt cargados de aminoácidos.

La estructura y composición de los ribosomas procariotas (ARN y proteínas), difiere en cierta medida de los ribosomas eucariotas. Tienen menor masa y por lo tanto, menor coeficiente de sedimentación (la subunidad mayor 50 S y la menor 30 S, ambas suman 70 S). Estas diferencias entre los ribosomas procariotas y eucariotas, igual que otras diferencias en la expresión génica (polimerasas, topoisomerasas, proteínas, mecanismos regulatorios y factores de elongación), tienen una serie de implicancias. Una de éstas es la sensibilidad diferencial de procariotas y eucariotas a toxinas y antibióticos. Por ejemplo los macrólidos, los aminoglucósidos, el cloramfenicol y otros son antibióticos que actúan en el ribosoma bacteriano o en el proceso de síntesis proteica; en cambio, algunas toxinas bacterianas como la diftérica, actúan selectivamente en la síntesis proteica eucariota.

Existen dos sitios en el ribosoma: el aceptor (sitio A), donde los ARNt cargados se asocian en primer lugar y el sitio peptídico (sitio P), donde se sujeta la cadena polipeptídica en crecimiento. En cada adición de aminoácidos, el ARNm avanza un codón y el nuevo aminoácido se traslada del sitio A al P, incorporándose a la proteína en formación.

Como el código genético es universal, el significado de los codones es similar al de los eucariotas, aunque cabe mencionar que existen algunas diferencias en los codones que determinan la iniciación y la terminación de la traducción, así como en la preferencia de uso de ciertos codones.

YENIFER ELAINE ANTONIO AGUILAR