CURSO TEORICOPRCTICO BIOLOGA SINTTICA Tema 1 BIOLOGA DE

CURSO TEORICO-PRÁCTICO BIOLOGÍA SINTÉTICA Tema 1. BIOLOGÍA DE PROCARIONTES Y EUCARIONTES

Hace unos 3. 7 millones de años, aparecieron sobre la Tierra los primeros seres vivos que eran microorganismos unicelulares primitivos y los datos de registros fósiles indican que eran células del tipo Procarionte, estos organismos (bacterias) alcanzaron pleno éxito en su desarrollo y reproducción gracias a su notable poder de adaptación hace unos 3. 5 millones de años. , Posteriormente surgieron células más especializadas llamadas Eucariontes aprox. hace unos 1. 5 millones de años. Registros fósiles de esta época muestran un abrupto incremento en el tamaño y las formas celulares.

Cuando surgieron las primeras células Procarionte estas se encontraban en ambientes ricos en nutrientes y las reacciones metabólicas eran poco necesarias. A medida que estos recursos se agotaron, los organismos que habían desarrollado sistemas enzimáticos para fabricar moléculas orgánicas a partir de átomos como el hidrógeno, carbono y el nitrógeno en procesos, tales como, la fotosíntesis, fermentación y fijación de nitrógeno atmosférico en las proteínas, presentaron una mayor capacidad para adaptarse y ventaja respecto de las otras células produciendo aumento en sus poblaciones, esto ha sido observado en registros de microfósiles encontrados en rocas del pre. Cámbrico “estromatolitos”. Los registros indican que este Procarionte era del tipo de las cianobacterias, que son microorganismo fotosintéticos. Estas células recurren a la energía de la luz solar para extraer de las moléculas de agua el hidrógeno para la construcción de moléculas más complejas, dejando libre como subproducto el oxígeno molecular.

Propiedades de los seres vivos La vida puede definirse según 7 propiedades básicas de los seres vivos, que nos permiten diferenciarlos del resto de la materia inorgánica: n n n n Se componen de células Crecen y se desarrollan Regulan sus procesos metabólicos y de desarrollo Presentan movimiento Reaccionan a estímulos Se reproducen Las poblaciones evolucionan y se adaptan al ambiente Los virus, un caso especial n Los virus cumplen con tres de estas características, pero no tienen metabolismo. Sin embargo, si consideramos que la característica básica de un ser vivo es la evolución biológica, también los virus podrían considerarse seres vivos.

Célula Eucarionta La teoría celular establece que todos los seres vivos están formados por células, que son las unidades básicas de vida, y que cada célula proviene de otra célula. Las células procariontas no poseen núcleos u órganos dentro de las membranas. Las especies en los dominios archaea y eubacterias , poseen células procariotas. Célula Procarionta Las células eucariontas tienen un núcleo y órganos cubiertos por membranas. Cada órgano tiene una función específica. Todas las especies en el dominio de las eucariontas (protistas, hongos, plantas, y animales) tienen eucariotas. Los protozoarios individuales son pequeños y tienen una sola célula, mientras que una planta o animal tiene trillones de células. Criaturas complejas como los seres humanos, tienen células particulares que están destinadas a funciones específicas como las de llevar oxígeno a lo largo del cuerpo, digestión de los alimentos o formación de los huesos.

Célula Procarionta

Célula Eucarionta

• Eubacteria • Arqueobacteria • Eucarionte Figura Arbol Filogenético: las ramas del árbol muestran descendencia común, pero, su longitud no indica el paso del tiempo.

Los seres vivientes se dividen en tres grandes grupos, de acuerdo a su parecido genético. Estos tres grupos (DOMINIOS) son: • Archaea: bacterias muy primitivas. • Eubacterias: bacterias más avanzadas. • Eucariota: todo tipo de vida con células eukaryóticas, incluyendo plantas y animales

- La evidencia presentada por la biología molecular sugiere que los primitivos procariotas se separaron en dos grupos muy temprano en el desarrollo de la vida en la tierra, los descendientes de estas dos líneas son las Eubacterias y las Arqueobacterias DOMINIOS Células BACTERIA ARCHEA procariotas eucariotas no SI Núcleo con Membranas lipídicas EUKARYA enlazados por ester, no ramificados enlaces eter, ramificado enlazados por éster, no ramificados organelas no SI ribosomas 70 S 80 S

EUBACTERIAS y permiten desarrollar importantes progresos en la investigación, concretamente en fisiología celular y en genética

PHYLUM PROTEOBACTERIA

Principales características de Archaea: • Morfológicamente similares a Eubacteria. • • • Ausencia de peptidoglicanos. Cromosoma circular. Presencia de operones. Trascripción y traducción unidas. Complejo RNA polimerasa. Operon = grupo de genes cuya expresión está controlada por un operador sencillo.

• Proteínas parecidas a histonas, nucleosomas. • TATA elementos promotores (sitio de unión de la RNA polimerasa). • Intrones en genes (regiones no codificantes). • Múltiple subunidad de RNA polimerasa (12 subunidades vs. 5 en Eubacteria).

• Colonizan ambientes extremos. • Lípidos unidos con enlaces éter.

n n n Diversos grupos en ambientes hipersalinos Muy alto requerimiento por sal n Por lo menos 1. 5 M (9%) Na. Cl n Muchas spp: 2 -4 M (12 -23%) Na. Cl n Todas pueden crecer a 5. 5 M (32%) Na. Cl Hábitat: ambientes de alta salinidad. n Estanques solares de evaporación de sal n Ambientes artificiales (superficies con sales pesadas). n Alimentos con altas concentraciones de sal (salchichas, pescado y carne)

n Ambientes hipersalinos n En áreas cálidas y secas. n Lagos salados naturales n Gran lago salado (Utah). n n Mar Muerto: n n n Mg+ predominante, bajo en Na+ Lagos Soda: n n Agua de mar concentrada (10 x): Na+ + Cl- predominante Altos niveles de CO 3 p. H: 10 -12 Ca 2+ & Mg 2+ virtualmente absentes Lagos salados: Dunaliella Lagos alcalinos de altura: Bacterias Purpuras: anaerobias fotosintéticas.

n n Muchas Euryarcheota producen CH 4 Diversidad y fisiología de metanogenas n An. O 2 obligadas, estrictas anóxicas n Mayoría mesofílicas, extremofilas (altas y bajas T°, sal) n Química de la pared celular: n Methanobacterium: pseudopeptidoglicanos n Methanosarcina (d): metanocondriotina n Methanocaldococcus: proteínas n Methanoplanus: glicoproteínas n Methanospirillum (c): Capa de azufre

n n n Termofilica + acidofilica extrema La más acidofilica de los procariontes Picrophilus crece a p. H < 0! Thermoplasma sp

n Thermoplasma: n n n Quimiorganotrofos, 55°C. p. H 2, Fac O 2 Respiración Sulfuro (aero/ana) Sin pared celular T. volcanicum: campos de azufre, alta movilidad con múltiples flagelos Membrana con material parecido a lipopolisacaridos (estable a condiciones ácidas y calientes) n n n Lípidos tetraeter (Man + Glu unidades) glicoproteína, no esterol Genoma pequeño, DNA enrollado por proteínas básicas (homologas a histonas en eukaryotes)

n n n Ambos extremos de Temperatura: agua hirviendo y congelada La mayoría cultivadas = hipertermofilas > 80°C Fuentes geotermales con S 0 o H 2 S Sulfataras: 100°C, p. H 5 -8 o 1 H 2 S y S 0 oxidación → ácido sulfúrico Ventilas Hidrotermales, optima> 100°C Sulfatara, Yellowstone rico en H 2 Manantial hirviendo a p. H neutro Manantial geotérmico rico en fierro Hábitat de Sulfolobus Manantial caliente rico en Sulfuro, Hábitat de Sulfolobus

n n Hábitats fríos de Crenarchaeota: n Muestra de una comunidad con fluorescencia de r. RNA n Agua marina de amplia distribución (aguas frías bajo la capa superficial de hielo, Antártica) n Planctónica ± 104/ml n Lípidos unidos por enlaces eter Metabolismo: n Hipertermofilas: An. O 2 Obl. n Quimioorganothofas o Quimiolitotrofas n Respiración O 2 y An. O 2 n Donador de e-: H 2, aceptor de e-: S 0, NO 3(Quimiolitotrofas en condiciones anóxicas) n Oxidación S 0 o Fe 2+ aeróbicamente o Fe 2+ An. O 2 con NO 3 - como aceptor de en La mayoría de las termofilicas fototróficas crecen a 70°C

EVOLUCIÓN DE LA VIDA A ALTAS TEMPERATURAS Sensibilidad de las biomoleculas al calor n n La estabilidad de proteínas y DNA en hipertermofilas es critica Proteínas termoestables: n Altos núcleos hidrofobicos n Los pliegues afectan a heat. R n Cambios sutiles en la secuencia de a. á. => estable a la temperatura n Proteínas chaperon: funcionan para retrazar parcialmente la desnaturalización de proteínas (en Pyridictium thermosomes)

Estabilidad de biomoleculas al calor n n Estabilidad del DNA: n Hipertermofilas metanogenas contiene en el citoplasma grandes cantidades de: n K cíclico 2, 3 -difosfoglicerato n Todas las hipertermofilas: n Única reversa DNA girasa => enrolla positivamente al DNA = estable al calor n Pequeñas proteínas que ligan al DNA: n Sulfolobus: Sac 7 d - incrementa la temperatura de fusión del DNA hasta 40°C n Histonas Archaea: empaquetan y compactan el DNA en estructura parecidas a nucleosomas Estabilidad de lípidos: n Dibifitanil tetraeter en membrana n Monocapas de lípidos

DNA ácido desoxiribonucleico

El DNA (ácido desoxiribonucleico) es un ácido nucleico formado por nucleótidos. Estos están constituidos por una azúcar desoxiribosa de cinco carbones en el cual se fija un fosfáto esterificado en la posición 5’ del anillo de azucar y en el sitio 1’ se fija una base nitrogenada. Existen dos tipos de bases, las pirimidinas más pequeñas y las purinas de mayor tamaño (Karp, 1998). Las pirimidinas tienen un anillo de seis lados (Citocina y Timina) y las purinas poseen anillos de cinco y seis fusionados (Adenina y Guanina), a las bases se les llama generalmente por sus letras iniciales A, G, C y T (Lewin, 1993). Fosfato Azucar Base nitrogenada

La estructura del DNA está representada por una doble hélice, cuya caracterización básica fue deducida por James Watson y Francis Crick en 1953. Watson y Crick propusieron que en la doble hélice las cadenas polinucleótidas, no están unidas por enlaces covalentes, sino asociadas por medio de puentes de hidrógeno formados entre las bases nitrogenadas (Fig. 1. 1. 3).

Las cadenas polinucleótidas se encuentran en sentidos opuestos (antiparalelos), esta cadena va en sentido 5’-3’, mientras su cadena complementaria va en sentido 3’-5’. El armazón azúcar-fosfáto está en el exterior y tiene carga negativa debido a los grupos fosfato y las bases están en el interior, las cuales presentan una estructura plana, formando parejas perpendiculares al eje de la hélice, conformando una escalera en espiral y las bases constituyen los escalones dando una estabilidad termodinámica de la doble hélice de dos maneras: La energía se libera a) Por los puentes de hidrógeno formados entre las bases de cada par, b) Por el apilamiento hidrofóbico de bases. Cada par de bases tienen un giro de ~ 36° alrededor del eje de la hélice con respecto al par de bases siguiente. Aproximadamente ~ 10 pares de bases completan una vuelta de 360°. El giro de las dos cadenas, una alrededor de la otra forma una doble hélice con un surco menor (~ 12 Å) y un surco mayor alrededor de 22 Å. La doble hélice es dextrógira (gira en el sentido de las manecillas del reloj) Fig. 1. 1. 4 (Lewin, 1993).

Los genes son secuencias específicas dentro de la doble hélice del DNA y perduran como secuencias de ácido nucleico pero funcionan expresándose en forma de proteínas. Los procesos responsables de la herencia de la información genética y de su conversión de una a otra forma son tres: Duplicación, Transcripción y Traducción.