2012

PROFESOR: M.Sc. Jos

Gavidia Valencia

20/02/2012

BIOTECNOLOGA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE FARMACIA Y BIOQUMICA

Chacaltana Lozano Carlo

Biotecnologa

A. H. Scragg

La federacin Europea de Biotecnologa

de la ingeniera, la bioqumica y la microbiologa para conseguir la aplicacin tecnolgica

(industrial) de la capacidad de los microorganismos, clulas de tejido cultivado y sus

industria manufacturera o en operaciones de servicio. El termino biotecnologa puede

significar que se trata de una disciplina individual, pero la esencia de la biotecnologa en su

naturaleza multidisciplinaria, la cual requiere amplias aportaciones de la ciencia y la

ingeniera. Esto quiz se ilustre mejor en la figura 1.1 es debido a estos requerimientos

multidisciplinarios de la biotecnologa que este libro, y el curso del cual se derivo, se

diseo para presentar el tema a los ingenieros quienes por lo general tienen muy poco

contacto con la biociencias. La terminologa propia de cualquier materia puede ser

obstculo para entenderla.

A menudo se piensa que la biotecnologa consiste solo en la ingeniera gentica y

anticuerpos monoclonales. Tener una definicin tan simple sera un error puesto que ignora

la mayor parte de la biotecnologa, incluyendo algunas de las reas ms exitosas.

En la tabla 1.1 se da una lista con ejemplos de algunos productos se la biotecnologa.

En contradiccin con la creencia popular, la biotecnologa no es un tema de creacin

reciente, sino que data de los sumerios y los egipcios, 6000 a 4000 aos antes de Cristo.

La escala de tiempo en evolucin de la biotecnologa se ilustra bien en la tabla preparada

por Howink (1984), la tabla 1.2. la evolucin de la biotecnologa se puede dividir en cinco

eras.

1.1 LA ERA ANTERIOR A PASTER

Esta se basaba en los alimentos y bebidas fermentadas tradicionales sin ningn

conocimiento de biologa. La produccin de cerveza fue producida por los sumerios

hace aproximadamente 6000 aos a. C. fueron los chinos quienes inventaron la

destilacin en el ao 14 d. C. para la produccin de bebidas con alto contenido de

alcohol. El uso de levaduras para formar dixido de carbono y, as, esponjar el pan, se

introdujo tambin en Egipto 4000aos a. C. en esta poca se crearon otros usos de los

microorganismos, en la formacin del acido actico a partir del etanol (vinagre), la

elaboracin de queso y yogurts. Sin embargo, no fue sino hasta el siglo XVII, que

Antonio van leeuwenhoek demostr por primera vez la presencia de microorganismos.

Tabla 1.1 Ejemplos de productos de diferentes categoras en la biotecnologa (segn

Cooney, 1983).

Masa celular Levadura de Baker, protena celular.

Componentes celulares Protenas intracelulares.

Productos biosintticos Antibiticos, vitaminas, aminocidos, cidos orgnicos.

Productos catablicos Etanol, metano y acido lctico.

Bioconversin Jarabe de maz rico en fructosa, acido 6 amino penicilanico.

Tratamiento de

desechos

Lodo activado, digestin anaerobia.

Tabla 1.2 Biotecnologa calendario de eventos (segn Houwink, 1984)

La era prepasteur, antes de 1985

Bebidas alcohlicas (cerveza y vino)

Productos lcteos (queso, yogurt)

Otros alimentos fermentados

La era de pasteur, 1865-1940

Etanol, butanol, acetona, glicerol

cidos orgnicos (acido ctrico)

Tratamiento aerobio de aguas residuales

La era de los antibiticos, 1940-1960

Penicilinas: tecnologa de la fermentacin sumergida

Gran variedad de antibiticos

Tecnologa de la estructura de la clula animal, vacunas contra virus

Transformaciones microbiolgicas de esteroides

La era post antibiticos, 1960-1975

Aminocidos

Protena celular (SCP)

Tecnologa de las clulas y las enzimas inmovilizadas (glucosa isomerasa)

Tratamiento anaerobio de aguas de desecho (biogas)

Polisacridos bacterianos (goma de xantn)

Gasohol

La era de la nueva biotecnologa 1975-

Tecnologa de los hibridosomas: anticuerpos monoclonales

Prueba diagnstica con anticuerpos monoclonales (1980)

Ingeniera gentica (1974)

Vacuna de origen animal contra la diarrea (1982)

Insulina humana (1982)

1.2 LA ERA PASTEUR

El trabajo de Pasteur mostro por primera vez que los microoranismos eran los agentes

activos en procesos como la produccin de cerveza, vino y la descomposicin de los

alimentos. A este trabajo lo secundaron escasos progresos en el estudio de los

microorganismos hasta el comienzo del siglo XIX, cuando se introdujeron los procesos

microbiolgicos para la produccin de acetona, butanol, glicerol y acido ctrico. Quiz

fue el descubrimiento de weizman, realizado en 1913-1915 en manchester, de un

proceso microbiolgico para la produccin de acetona y butanol por clostridium

acetobutylicum, el que anunci el comienzo real de la biotecnologa. Este proceso solo

se optimizo en los aos 50. Otro proceso importante creado en manchester fue el uso de

lodos activados para tratar aguas negras, el cual comenz en 1914. La primera guerra

mundial impulso la produccin microbiolgica del glicerol a partir de la glucosa en

Alemania.

1.3 LA ERA DE LOS ANTIBIOTICOS

La investigacin entre 1920 y 1940 gradualmente dio como resultado una mejor

comprensin de la biologa, y se reconoci a las enzimas catalizan los procesos

biolgicos. As mismo, los estudios en gentica introdujeron el concepto de que genes

individuales llevan informacin para formar enzimas particulares. Aunque Flemming

descubri la penicilina en 1928, no fue sino hasta 1940 que los avances en su

aislamiento permitieron su produccin en masa. Al principio la penicilina se produjo en

botellas, pero se aplicaron las tecnologas de los procesos qumicos y de los alimentos,

las cuales permitieron que por primera vez el cultivo en gran escala de Penicillum en

fermentadores o birreactores. En la actualidad, cada ao se producen unas 12 000

toneladas de penicilina. A la produccin de penicilina le siguieron una amplia variedad

de antibiticos como la estreptomicina y la eritromicina.

1.4 LA ERA DE LOS POSTANTIBIOTICOS

Durante este periodo el reconocimiento del metabolismo microbiano permiti una

explotacin mucho ms amplia de las capacidades de una variedad de microorganismos.

Estos se usaron para producir las vitaminas B2 B12 y los aminocidos lisina y acido

glutamico (glutamato monosodico), los ltimos en volumen de 30 000 y 40 000

toneladas, respectivamente. Esta era tambin presencio la produccin masiva de

enzimas para uso industrial, como la adicin de las proteasas a los detergentes

domsticos y la transformacin enzimtica de la glucosa a fructosa para producir un

high-fructose syrup, HFS jarabe rico en fructosa.

En los inicio de los aos sesenta se estuvo de acuerdo en que habra escases de

protenas, en particular en los pases de tercer mundo. Entonces, se buscaron otras

fuentes de protenas; estas incluyeron microorganismos como algas, bacterias y

levaduras. En 1964 el profesor Wilson del instituto de tecnologa de Massachusetts

(MIT) acuo la palabra single- elul para denominar las

protenas microbianas. Los microorganismos tienen la capacidad de crecer en una vasta

composicin de compuestos. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales,

renovables y no renovables. Los recursos renovables son mucho de los productos de

desechos agrcolas como el bagazo (residuo de la caa de azcar), el almidn y la

celulosa. Muchas compaa grandes, participaron en la creacin de estos procesos. La

mayora de las investigaciones se enfoco al mejoramiento de estos desechos agrcolas

para producir alimentos para animales, pero una compaa, la Rank Hovis Mcdougall,

procedi a cultivar un moho para producir un alimento para humanos. Tuvieron que

pasar 20 aos para asegurarse de que el producto conocido como microproteina fuese

apto para el consumo humano. Las fuentes no renovables investigadas para usarlas en la

produccin de protena celular fueron, principalmente, subproductos de la industria

petroqumica, como los alcanos, el metano o el metanol. De nuevo fueron las

compaas petroqumicas, quienes participaron en la investigacin. La British

Petroleum (BP) investigo el uso de los alcanos en la obtencin de protena celular a

partir de levaduras (tropina), en tanto que las industrias Shell y la Imperial Chemical

Industries Lid (ICI), utilizaron metano y metanol respectivamente.

Solo el proceso ICI alcanzo una escala comercial con el cultivo de la bacteria

methilophilus methylotrophus en metanol, en un proceso continuo con un volumen de

1.5 millones de litros. El mejoramiento de este y otros procesos, condujera al avance

considerable en la tecnologa de la fermentacin. Sin embargo, la disponibilidad de

protenas de soya barata ha hecho que el proceso SCP sea incontestable y, segn parece,

el mundo actual no tiene dficit de protena.

La era pos antibitica tambin presencio el mejoramiento de la fermentacin en la

produccin de etanol para que fuera utilizado como combustible (gasohol), provocado

por la crisis del petrleo en 1974. Otros productos formados por microorganismos son

los polisacridos extracelulares, como la goma de xantano, usada para reemplazar la

goma natural en los alimentos y en los lodos de perforacin. Al mismo tiempo se ha

creado los cultivos de clulas vegetales y animales para la produccin de compuestos

especiales. Los microorganismos se han usado tambin como auxiliares en la

lixiviacin de minerales como el Zinc y el cobre a partir de minerales de grado menor.

1.5 LA NUEVA BIOTECNOLOGIA

Las nuevas biotecnologas se consideran a menudo como la biotecnologa misma. Sus

principales avances han sido los anticuerpos monoclonales y la ingeniera gentica. Los

anticuerpos monoclonales son los productos de la tecnologa del hibridoma. Esta se

basa en la fusin de las clulas animales, las del sistema inmune que, por lo general, no

pueden ser cultivadas in vitro, con clulas cancerosas que si pueden hacerlo. Las lneas

de clulas hibridas que se forman, tiene la capacidad de crecer y producir anticuerpos

altamente especficos, los cuales se conocen como anticuerpos monoclonales. La

produccin de anticuerpos monoclonales ha sido rpida, desde su descubrimiento en

1975 y, actualmente, hay ms de 50 en el mercado. Se han utilizado en pruebas de

diagnostico rpido, frmacos de accin especfica, purificacin, y su comercializacin

es cada vez mayor.

La ingeniera gentica se puede definir en forma simple con la capacidad para transferir

genes de un organismo a otro, para cruzar la barrera que no se podran mediante los

mtodos genticos ordinarios. El avance de esta tcnica dependi de tres

descubrimientos independientes. El primero fue el descubrimiento de las enzimas de

restriccin, las cuales pueden cortar el ADN en sitios especficos para producir

fragmentos discretos. El segundo descubrimiento fue al presenciar, en las bacterias, de

ciertas molculas de DNA circular con reproduccin independiente (plsmidos), las

cuales se pueden cortar con enzimas de restriccin y posteriormente repararse (reunirse)

para incluir otros fragmentos de DNA. El tercer descubrimiento fue el mtodo de tratar

las bacterias para que puedan captar el DNA de un plsmido y, por tanto, contener

nuevos genes (transformados). Estos tres descubrimientos han permitido la evolucin

de la ingeniera gentica, la cual ha mostrado tan rpido crecimiento que ha formado la

base de muchas compaas nuevas.

Tabla 1.3 Eventos principales en la comercializacin de nuevas biotecnologas.

1973 Primer gen clonado

1974 Primera exposicin de un gen clonado en diferentes especies de bacterias.

1975 Anticuerpos monoclonales.

1976 Primera firma (Genetech) en explotar la tecnologa del DNA recombinante

(rDNA)

1980 Informe sobre biotecnologa en el Reino Unido (Spink)

1981 Primer paquete de diagnostico con anticuerpos monoclonales aprobado en

los Estados Unidos.

1982 Primera vacuna de origen animal producida por rDNA (colibacilosis)

aprobada en Europa. Primer producto farmacutico del rDNA, insulina

humana.

Tabla 1.4 Nuevas tcnicas en el avance de la biotecnologa (segn Dunnhill y

Rudd1984)

Cultivo de tejidos, clulas vegetales y animales.

Fusin de protoplastos.

Modificacin estructural de protenas (ingeniera de protenas).

Clulas y enzimas inmovilizadas.

Biosensores.

Uso de las computadoras en fermentaciones.

Nuevos diseos de biorreactores.

La tcnica ha mostrado aplicacin en el campo de la medicina en la generacin de

muchos sistemas diagnsticos, la produccin de insulina humana y la hormona de

crecimiento por bacterias y la produccin de diversas vacunas. La ingeniera gentica

tambin ha tenido influencia en la agricultura y en la industria alimentaria. En la tabla

1.3 se muestra algunos conceptos de los principales sucesos que ha tenido lugar en la

comercializacin de la ingeniera gentica.

En la figura 1.4 se muestran otras tcnicas que se estn investigando en reas

importantes de la biotecnologa. Estas incluyen: el cultivo de clulas vegetales y

animales, las clulas o enzimas inmovilizadas , los sensores biolgicos, un sensor que

detecta materiales biolgicos o una sonda que contiene materiales biolgicos, la

modificacin estructural de protenas (ingeniera de protenas), el uso de computadoras

en las fermentaciones y nuevos biorreactores.

Este libro est

impartido en el wolfson institute of biotechnology (instituto de biotecnologa de

Wolfson). El curso intenta, en una semana, presentar a los ingenieros, directores y a

otros profesionales no-bilogos, la caracterizacin principal de la biologa y como se

relaciona con la biotecnologa, e incluso con otras prcticas y conferencias de personas

eminentes que trabajan en la industria. No se debe esperar que el libro cubra la

biotecnologa en su totalidad, por ejemplo, no incluye una seccin sobre anticuerpos

monoclonales, pero debe servir como una introduccin a un rea fascinante y excitante

como lo es la biotecnologa.

BIBLIOGRAFIA

Brown, C. M. Campbell, I., and Priest, F. G. (1987). Introduction to biotechnology.

Blackwell Scientific Publications, Oxford.

Bu`Cock, J. and Kristiansen, B. (1987). Basic Biotechnology. Academic Press, London.

Cooney, C. L. (1983).Bioreactors desing and operation. Science, 219,728.

Higgins, I. J., Best, D.J,. and Jones, J. (1985). Biotechnology. Blackwell Scientific

Publications. Oxford.

Dunnill.P. And Rudd, M. (1984). Biotecnology and British Industry. A report to the

Biotechnology Directorate, SERC, London.

Houwink (1984). A realistic view on biotechnology. European Federation of

Biotechnology. Dechema, Frankfurt.

Prave, p., Faust, U., SIttig, W., and Sukatsch, D. A. (1987). Basic Biotechnology. VCH,

Weinheim.

Smith, J. E. (1985). Biotechnology Principles. Van Nostrand Reinhold, England.

2.- ESTRUCTURA Y FUNCION CELULAR

2.1.- INTRODUCCION:

Todos los organismos vivientes, ya sean bacterias, levaduras, animales o vegetales,

comparten muchas caractersticas comunes. Todos los organismos con la posible excepcin

de los virus, tienen una composicin comn que consisten en cidos desoxirribonucleicos

(DNA), cidos ribonucleicos (RNA) y protenas.la molcula de DNA es la que

constityelos genes, los que a su vez contienen toda la informacin requerida para formar y

controlar el organismo. La informacin contenida en el DNA se transfiere al resto del

organismo para ejercer su funcin de la manera como la informacin almacenada en un

disco de computadora necesita ser leda. El flujo de informacin desde el DNA hacia el

resto de la clula esta mediada por molculas de RNA, las cuales finalmente dirigen la

sntesis de protenas que, como componentes estructurales o como enzimas, dirigen y

controlan muchas de las funciones del organismo. El proceso de transferir la informacin

gentica del DNA a las molculas de RNA se conoce como transcripcin: la transferencia

de informacin desde la molcula de RNA a las protenas se conoce como traduccin.

Adems de contener estos tres tipos de molculas, los organismos realizan ciertas

reacciones qumicas comunes conocidas colectivamente como metabolismo. Para crecer y

dividirse, se necesita un organismo para sintetizar sus propios constituyentes celulares a

partir de substancias qumicas externas y, para lograr esto, a menudo organismos diferentes

tienen vas enzimticas similares y una estructura celular bsica.

2.2.- LOS COMIENZOS DE LA MICROBIOLOGA

La microbiologa es el estudio de los organismos que son demasiado pequeos para verlos a

simple vista (menores de 0.1 mm) y que fueron descubiertos en el siglo XVII por Robert.

ESTRUCTURA Y FUNCION CELULAR.

ACIDO DESOXIRRIBONUCLEICO, DNA.

Transcripcin

ACIDO RIBONUCLEICO, RNA.

Traduccin

Protenas

Tabla 2.1. Evolucin de la microbiologa

Hook publica la micrographia, en la cual describe e ilustra la estructura celular del cerebro.

Leeuwenhoek mejora las lentes del microscopio y descubre diversas formas de vida

unicelular.

Lzaro Spallanzani aporta evidencias de que los microorganismos no surgen

espontneamente.

Wohler sintetiza la urea desmintiendo el punto de vista de que los compuestos orgnicos

solo pueden ser sintetizados por organismos vivos.

C. Cagniard-latour, th. Schwann y F. Kutzinzing proponen de manera independiente que las

levaduras que aparecen durante la fermentacion son plantas microscpicas y son las

causantes de esta.

Schileiden y Schwann dan argumentos convincentes para la doctrina celular.

Pasteur propone que todos los procesos fermentativos son el resultado de actividad

microbiana y descubre los organismos anaerobios.

Tyndall cre un mtodo de esterilizacin por calentamiento discontinuo.

Roberto Koch demuestra la causa bacteriolgica o etiologa del ntrax.

Roberto Koch y su grupo introducen las tcnicas de cultivo puro, incluyendo la caja de petri

inventadas por Ricardo Petri.

TIPOS DE ORGANIZACIN CELULAR

Hooke y Antony Van Leeuwenhock (tabla 2.1). Con el uso de microscopio simples.

Leeuwenhoek describi diversos microorganismos, incluyendo las bacterias, con

extraordinaria exactitud. Sin embargo, no fue sino hasta la mitad del siglo XVIII que

Spatlanzani concluyo que dichos organismos eran llevados por el aire hacia las infusiones y

que no se originaban espontneamente. Pasteur demostr ms tarde la presencia de

microorganismo en el aire y que al excluirlo, las infusiones podan mantenerse estriles por

periodos considerables. Antes de esto, Schwann y otros investigadores haban propuesto

que los organismos estn constituidos por clulas y que la fermentacin alcohlica era

causada por la presencia de clulas de levadura. Unos 20 aos despus, al estudiar un

nmero considerable de fermentaciones, Pasteur propuso que todos los procesos

fermentativos eran el resultado de la actividad microbiana y que podan proceder sin

oxigeno.

Mientras tanto, en Inglaterra, Tyndall haba confirmado que los organismos provenientes

del aire eran las causantes de las infecciones microbianas y que estas no se formaban por

generacin espontanea. Alrededor de 1876, Roberto Koch fundo la microbiologa medico,

quien mostro la causa bacteriana o etiologa del ntrax. Esto fue confirmado despus por

Pasteur de manera independiente. Estos experimentos no solo demostraron que las bacterias

eran la causa de ciertas enfermedades, sino que cada tipo produca una enfermedad

especfica, es decir, que existe especificidad biolgica. El trabajo de kosh estableci

muchos de los fundamentos de las tcnicas de esterilidad que son la base de la

microbiologa moderna. La inoculacin de bacterias sobre un medio solido, de modo que

cada colonia formada que se hubiese originado de una bacteria individual, permitindose el

uso y estudio de cultivos puros. Al principio el medio se solidificaba mediante la adicin de

gelatina, pero ms tarde esta substituyo por agar, un extracto por polisacridos obtenido de

algas marinas. El medio solido de coloco entonces e una caja de petri, inventada por el

italiano Petri y que ahora es de uso universal.

2.3.- TIPOS DE ORGANIZACIN CELULAR

Los organismos vivos se pueden dividir en dos reinos, los vegetales y animales

multicelulares y los protistas y los virus (tabla 2.289). La estructura celular de ambos reinos

ha permitido la divisin de los tipos celulares en dos grupos (sin incluir los virus).

Tabla 2.2. Grupos componentes de los reinos de organismos

Plantas Animales

Multicelulares que muestran

amplias diferencias.

Semillas de plantas

Helechos

Musgos y hepticas

Protistas

Vertebrados

invertebrados

Unicelulares, cenocticos o

multicelulares sin diferencian.

Algas

Protozoarios

Hongos (levaduras)

Bacterias y virus

Tabla 2.3. Diferencias entre clulas procariotas y eucariotas.

PROCARIOTAS EUCARIOTAS

ESTRUCTURAS GENETICAS

Numero de cromosomas

Membrana nuclear

DNA nuclear unido a histonas

DNA en organeros

ESTRUCTURAS

CITOPLASMATICAS

1

-

-

-

>1

+

+

+

Naturaleza de los ribosomas

citoplasmticos.

Naturaleza de los ribosomas de los

organelos.

Mitocondrias

CANTIDADES RELATIVAS DE DNA.

70s

Ninguna

-

-

-5x10-15

g (1)

80s

70s

+

+

3x1012

o 0.5 x 10 12

Estos grupos son los eucariotas y procariotas; la diferencia entre ellos depende

principalmente si los cromosomas (DNA) estn contenidos en un ncleo bien definido. En

la tabla 2.3 se listan las principales diferencias entre los procariotas y los eucariotas en

trminos de su estructura celular y de contenido de DNA. Los procariotas contienen un solo

cromosoma, en tanto que los eucariotas contienen muchos cromosomas, en tanto que los

eucariotas contienen muchos cromosomas en una estructura unida a una membrana. El

ncleo, en los eucariotas, el DNA contenido en los cromosomas esta unido a historias,

protenas bsicas ausentes en los procariotas. El DNA del ncleo en los eucariotas no es el

nico DNA presente en la clula, puesto que otras estructuras unidas a membranas, los

mitocondrias y los cloroplastos, tambin contienen DNA, en estructuras rodeadas de

membrana, conocidas como organelos, no se encuentran en procariotas. Los organelos

tambin contienen a las estructuras capaces de sintetizar protenas. Las cuales incluyen a

los ribosomas de los procariotas (70 s), en tanto que los ribosomas toplasmicos miden 80 s

(son unidades Svedberg). Los virus se incluyen con frecuencia en el grupo de los protistas.

Los virus fueron detectados en 1892 por Iwanowski, quien demostr que el virus del

mosaico de tabaco pasaba atreves de un filtro a prueba de bacterias y no poda ser cultivado

por la gentica, pero dependen de las clulas husped preexistentes para su reproduccin.

En incapacidad para existir sin usar otras clulas, ha originado muchos argumentos cuanto

as los virus son o no organismos vivos. Los virus afectan vegetales, animales y bacterias.

2.4.- PROCARIOTAS

Los procariotas representas las clulas ms pequeas del reino protista, el cual consiste en

bacterias y algas verde- azules. El resto, algas, levaduras, hongos y protozoarios, son:

PROCARIOTAS

Tabla 2.4. Caractersticas fsicas y qumicas de las clulas bacterianas.

caractersticas bacterias levaduras mohos

Forma de las

clulas

Tamao de las

clulas

Presencia de

esporas

COMPOSICION

Protena(N x

6.25)(nitrgeno

total)

Acido nucledo

(RNA y DNA)

Carbohidratos y

li8pidos 1um=10-3

mm

Bastn, esferas y

espirales.

0.5-3 um

Por ejemplo

bacillus(aerobio)

Por ejemplo,

clostridium(anaerbico)

65-75%

15-25%

5-30%

Elipsoides, esferas,

micelios, cadenas.

1-5%

En algunas

45-55%

5-12%

10-50%

Micelios, esferas.

5-15um, de dimetro;

50-5000um de largo.

En algunos.

25-55%

5-10%

10-50%

Eucariotas. En la tabla 2.4. Se comparan los protistas, las bacterias, los mohos y las

levaduras, en cuanto a su forma, tamao y composicin. Las clulas bacterianas se

presentan como bastones, esferas, cadenas y espirales (figura 2.2), que en general son ms

pequeas que las levaduras y los mohos. Los tres grupos contienen organismos que pueden

formar esporas cuando las condiciones son desfavorables. La composicin de las bacterias

nos muestra que contienen ms protenas y menos lpidos o carbohidratos que las levaduras

o los mohos.

Las diferentes formas de las bacterias se usan en las primeras etapas de la identificacin,

pero debido a la falta de otras caractersticas, se usan las nutricionales para una

identificacin ms detallada. Segn su fuente de energa, las bacterias y las algas verde-

azules se pueden clasificar en cuatro categoras:

1) Organismos fotoautotrofos, los cuales dependen de la luz como fuente de energa y

utilizan dixido de carbono como una fuente de carbono. Este grupo incluye las

algas verde-azules, pero tambin ciertas algas fotosintticas (bacterias sulfurosas

purpuras y verdes), as como plantas superiores y algas verdes eucarsticas.

2) Organismos foto hetertrofos, los cuales dependen de la luz como fuente de energa,

pero usan compuestos orgnicos como fuentes de carbono. Estos son las bacterias

purpuras no sulfurosas.

3) Organismos quimioautotrofos, que dependen de varios compuestos qumicos para

obtener su energa, pero usan dixido de carbono como una fuente de carbono. Esta

capacidad se asocia con la de usar compuestos inorgnicos reducidos como H2S o

HN3 para producir energa y est restringida a las bacterias.

4) Organismos quimiheterotrofos, que dependen y obtienen su energa su energa y

molculas de carbono de fuentes orgnicas. Estos representan el grupo ms grande

de bacterias y eucariotas y es muy diverso.

ESTRUCTURA Y FUNCION CELULAR

COCO DOS COCOS

Por ejemplo, Micrococcus Diplococcus cocos en cadena

Neisseria

Bacilo bacilo en cadena Espiroqueta

Flagelos

Escherichia coli Bacillus megatrium Rhodospinllum

Desulfovibrio

Bacteria anclada Flagelo polar Flagelo multiple

Caulobacter Pseudomona fluorescencia Proteus vulgaris

Si se combinan las caractersticas estructurales, la forma de movimiento y los grupos

nutricionales, los procariotas se pueden dividir en cuatro grupos principales (tabla 2.5). De

estos, las eubacterias son el ms grande y de mayor inters en la biotecnologa. En la figura

2.3. Se muestra un diagrama representativo de las clulas procarioticas.

2.4.1.- PARED CELULAR

El citoplasma bacteriano est encerrado por una pared celular rgida altamente

Estructurada que determina la forma de la clula. La eliminacin de esta pared provoca,

Tabla 2.5. Los cuatro grupos de procariotas.

Algas verde-azules mixobacterias Bacterias Eubacterias

espiroquetas

Movimiento

Pared celular

CELULAR

Organizacin

unicelular

filamentos micelio

FORMA DE LAS

CLULAS

Bastones.

Esferas

Espirales

Clulas en reposo

nutricional

Grupo

Fotoautotrofo

Fotoheterotrofos

Quimioautotrofo

Quimiheterotrofos.

Por desplazamiento

o ninguno gruesa,

rgida

+

+

-

+

+

-

Acinetas

+

-

+

+

Desplazamiento

delgada, flexible

+

-

-

+

-

-

Microquistes

-

-

-

+

Filamento

axial delgado,

flexible.

+

-

-

-

-

+

Ninguno

-

-

-

+

Mediante

flagelos o

rgida.

+

+

+

+

+

+

Endosporas

+

+

+

+

Que la clula adquiera una forma esfrica conocida como protoplasto cuando la membrana

celular tiene poca resistencia intrnseca. Si el protoplasma se coloca en un medio

hipertnico, una solucin ms diluida que el citoplasma, se provoca una rpita captacin de

agua y, finalmente, la ruptura de la membrada.

En las algas verde-azules, la pared celular se compone bsicamente de celulosa, en tanto

que en las bacterias la pared est formada por un polmero nico de amino-azcar,

peptidoglucano o murena. La composicin qumica y la estructura del peptidoglicano, se

muestran variaciones considerables entre diferentes organismos, aunque su estructura

bsica es la misma.

detincin que divida a las bacterias en los grupos Gram-negativas. La composicin general

de la pared de las Gram positiva y gran negativa se muestra en la figura 2.5. Las bacterias

Gram Positiva tienen una estructura bsica de peptidoglucano unida a cido teicoico, en

tanto que las bacterias gran negativas tienen una membrana fuera de la capa de

peptidoglunano que consiste en una bicapa de fosfolpidos con lipoplisacaridos y protenas.

La difencia entre las bacterias gram negativa y gram positiva detectadas por la

tIntacinGram, se puede correlacionar con otras caractersticas (tabla 2.7) como la

sensibilidad a la penicilina y a la digestin con lisozima. La penicilina es de muchos

antibiticos que se sabe inhiben la sntesis te peptidoglucano al unirse a la enzima

responsable del cruzamiento de las cadenas. Puesto que ninguna otra actividad biocintica

es afectada, el crecimiento de las clulas continua, pero son incapaces de producir paredes

celulares adecuadas y, por lo tanto, producen formas anormales y finalmente se lisan. Las

clulas humanas y animales no contienen peptidoglucano por lo que son afectadas. La

enzima lisozomaticas encontradas en la clara de huevo, las lgrimas y otras secreciones,

rompen el enlace entre las unidades de cido N-acetilmurnico y N-acetilglucosamina

(figura 2.4).

En la parte exterior de la pared celular de algunas bacterias, se encuentran polisacridos de

alto peso molecular formando un gel hidrofilico, conocido como capsula (figura 2.3).El

espesor de la capsula puede variar enormemente desde 10 nm hasta 1.o um, y puede varias

de acuerdo con el aspecto fisiolgico de la clula. La capsula no tienen una funcin bien

definida, sin embargo muchos patgenos estn encapsulados y os componentes de la

capsula pueden ser antignicos.

N-acetilmurnico

N-acetilglucosamina lisozima

Figura 2.4

Table 2.6 Tintcion de Gram

Procedimeinto Tiempo Gram +

Gram

*color cristal violeta y lavar 30s purpura purpura

con agua

*colocsr yoduro de gran y lavar 30s purpura

purpura

con agua, secar con papel secante

*aplicarle etanol al 95% y lavar con 20s purpura sin color

agua, secar con papel secante

*contrateir con un color contraste, 15s purpura amarillo

por ejemplo amarillo

Tabla 2.7 Correlacionn de la tintacion de Gram con otras propiedades

Gram positiva Gram negativa

Sensibilidad a la penicilina +

Digetsion por lisozima + -

Espesor de la pared 20-80nm 10nm

Contenido de lpidos de la pared 0-3% 11-22%

Acidoteicoico + -

Gram variedad de aminocidos en la pared - +

Ejemplo Bacillus

Escherichiacoli

(1nm = 10-6

mm)

2.4.2 Membrana citoplsmatica

Debajo de la pared celular bacteriana esta una membrana de unos 40-80 A de espesor.

La membrana acta como una barrera semipermeable que controla la captacin y la

liberacin de materiales, ayudando a determinar la composicin del citoplasma.

Alrededor del ao 1990 se descubri el primer indicio de que los lpidos, molculas

orgnicas pequeas insolubles en agua que incluyen a las grasas y aceites puedan ser un

constituyente de las membranas biolgicas. En las dcadas de los aos cincuenta, J.D

Robertson propuso que la membranaconsista en una capa externa de polisacridos, una

capa interna de protenas, entre estas, una bicapa de lpidos conocida como unidad de

membrana. La bicapa lpido consista en fosfolpidos, molculas de glicerol con extremo

hidrfilo ( el fosfato) y un extremo hidrofilico (tallo de cidos grasos), arreglados como una

capa doble (figura 2.6).

Hidrofilico (fosfatos)

BICAPA

LIPIDICA

Hidrofo

bic

FIGURA 2.6

Sin embargo, los adelantos de la microscopia electrnica (crio-fractura) revelaron un

cuadro ms complejo con protenas asociadas a la membrana. Adems, aparentemente las

protenas no estn fijas en la capa de lpidos, sino que estn libres para moverse en la forma

lateral. Estos descubrimientos surgieron el modelo actual para al membranas, el mosaicos

fluido (figura2.7), el cual se aplica a membranas de todos los tipos.

Figura 2.7.Modelo del mosaico fluido para la membrana celular

En las bacterias, las membranas citoplasmticas es la nica estructura membranosa real,

aunque existen una membrana similar en los eucariotas alrededor de estructuras como el

ncleo, las mitocondrias y los cloroplastos.

2.4.3 Flagelos

Las bacterias pueden moverse en respuesta a varios estmulos o a compuestos qumicos al

alejarse de los estmulos o al acercarse a ellos. Se ha demostrado que muchos nutrientes

simples, como los azucares y los aminocidos provocan respuesta en las bacterias. El medio

de locomocin principal de las bacterias es el flagelo. ste es un cuerpo basal embebido en

las membranas citoplasmtica, una regin en forma de gancho que se conecta a la base con

un eje flexible y delgado (figura 2.8).El flagelo se compone de hebras de una protena

llamada flagelina. El ordenamiento de los flagelos en las bacterias determina s tipo de

movimiento, a menudo se puede usase en su clasificacin.

Figura 2.8

Cuando son vistos en el microscopio electrnico, pueden observarse otros apndices sobre

la bacteria, que consiste en delgados flagelos filamentosos conocidos como fimbrias o pilis,

los cuales participan en la transferencia de material gentico.

2.4.4 Esporas

El citoplasma de las bacterias contiene muy poca estructura separadas de uno o dos

agregados de material nuclear. Sin embrago, se puede hallar una estructura que solo est en

las bacterias Gram-negativa, la endoesporas. Cuando la condiciones son difciles, o bien, en

alguna etapa de l ciclo de desarrollo, las bacteria forman una espora refractiva a partir de

una invaginacin de la membrana citoplasmticas. La gruesa pared de las esporas les

confiere resistencia al calor i a la desecacin (figura 2.9).

Figura 2.9 Endoespora bacteriana

2.5 EUCARIOTAS

.La clulaeucarsticaest representada por plantas, animales, levaduras, algas y hongos. A

pesar de la gran diversidad entre estas clulas, hay muchas caractersticas comunes a

ellas(figura 2.10), lo cual incluye un alto grado de complejidad interna. Las principales

carteristasson :

2.5.1 Pared celular

En los hongos, las levaduras y las algas. La celular est encerrada en una pared celular

rgida que consiste principalmente en polisacridos, los cuales le confieren una forma fija y

la protegen del dalo mecnico y osmtico. La pared estabiliza la estructura celular y , en

cuanto a los procariotas, pueden usarse como una caracterstica taxonoma. Las levaduras

pueden tener forma casi esfrica u oblonga y se divide pro gemacin o fisin ( figura 2.11) ,

en tanto que el crecimiento micelial se realiza por elongacin, el cual puede incluir

ramificacin.

2.5.2 Estructuras de la membrana

Las eucariotas estn limitadas por una membrana de estructura similar a las de los

procariotas. En cuanto a los eucariotas varan mucho en tamao de las estructuras que

rodena la membrana dentro de la clula (tabla 2.8).

2.5.3 Ncleo

Las caractersticas mas sobresalientes de las clulas eucariotas es el ncleo, el cual contiene

el DNA de la celular y esta limitado por la membrana. Dentro del ncleo se pueden ver

reas ms densas, ricas en RNA, conocidas como nuclolos.

Figura 2.10 Estructura general de lsd clulas eucariotas.

2.5.4 Mitocondrias

La clula eucariota contiene estas estructuras, las cuales, a menudo son grandes, cilndricas,

encerradas por una membrana doble y contiene invaginaciones numerosas conocidas como

crestas. La mitocondrias es le sitios principal de generacin de energa y contiene su propio

sistema sintetizado de protenas y su propio DNA (figura 2.12)

2.5.5 Cloroplasto

El cloroplasto tambin es una estructura rodeada por una membrana y , al igual que las

mitocondrias. Contiene un sistema separado para la sntesis de pretinas y su propio

DNA. Como su nombre lo indica, los cloroplastos contiene el pigmento clorofila y en ellos

se lleva a cabo la fotosntesis.

2.5.6 Otras estructuras membranosas

En la tabla 2.8. se describe un amplia variedad de otras estructuras membranosas, descritas

en la misma, seencuentra en asl eucariotas: su origen se describeen la figura 2.13.

El retculo endoplasma tico es una compleja de membranas que participan ne le

almacenamiento y transporte intracelular de varios productos. El retculo endoplasma tico

tambin puede tener muchos ribosomas unidos a su superficie y ser participe en la sntesis y

secrecin de protenas.

La mayora de eucariotas contiene un complejo de membranas denominadas aparato o

cuerpo de Golgi, algunas veces nombrado dictiosoma. Al igual que el retculo

endoplasmtico

Tabla 2.8 Estructuras membranosas en eucariotas

el aparato de Golgi participa en la secrecin de substancias de la clula en partculas

enzimas.

Las vacuolas se encuentran en muchos tipos de clulas, especialmente en plastas. A

menudo se usan para almacenar enzimas o productos que podran se disruptivos o txicos

para la clula (las vacuolas pueden llegar a ocupar de 80 a 90% del volumen celular total).

Muchas de las estructuras citoplsmicas descritas estn en equilibrio dinmico y son

sintetizadas y degradadas segn sea requerido. Las diferentes estructuras parecen derivarse,

ya sea directa o indirectamente, del retculo endoplasmtico de acuerdo con el esquema

mostrado en la figura 2.13.

Estructura Funcin

Ncleo Contiene la informacin gentica de la clula (DNA)

Retculo endoplasmtico Una red complicada de membranas que funciona como sitio de

la sntesis de protenas.

Aparato de Golgi Complejo de vesculas y membranas. Algunas veces llamado

dictiosoma, responsable de la secrecin desde la clula.

Lisosoma Sacos membranosos que contienen enzimas digestivas.

Peroxisoma Vesculas limitadas por membranas que contienen catalasa

Mitocondrias Sitio de generacin de energa, contiene su propio DNA

Cloroplastos Sitio de fotosntesis, se presentan solo en las plantas verdes,

contiene su propio DNA

Plastidios Las estructuras membranosas de plantas pueden contener

aceites o pigmentos

Envoltura

nuclear

Retculo

endoplasmtico

Aparato de

Golgi

Membrana

plasmatica

Peroxisomas

Lisosomas

Vesculas

endociticas

Figura 2.13 Origen de algunas estructuras membranosas

Figura 2.12 Mitocondria

PROCESOS QUIMICOS DE LA CELULA

3.1 Introduccin

En el capitulo anterior se considero la estructura de los sistemas celulares y los diferentes

tipos de clulas que se encuentran en la naturaleza. Ahora es necesario considerar la

constitucin qumica de los componentes celulares principales, y como se sintetizan las

unidades bsicas de construccin de las estructuras a partir de los nutrientes disponibles en

un medio de crecimiento adecuado. En este captulo se examinara la qumica de las clulas

vivas y se sentarn las bases para la comprensin de los captulos posteriores, as como las

rutas para la generacin de la energa por estas reacciones biosintticas.

3.2 Composicin elemental

Todas las clulas vivas, incluyendo los microorganismos, requieren ciertos nutrientes para

su crecimiento y desarrollo. Los nutrientes deben contener los elementos qumicos que

constituyen los materiales y estructuras celulares, as como aquellos elementos que son

requeridos para el transporte a travs de la membrana, la actividad enzimtica y la

generacin de la energa necesaria para los procesos biosintticos.

El agua constituye el 80 y 90% del peso total. El resto de la clula se compone de carbono,

hidrogeno, oxigeno, nitrgeno, azufre y fosfato (en concentraciones mayores de 10-4

M),

adems de unos 18 elementos ms que con frecuencia se presentan en cantidades mnimas.

La tabla 3.1 lista lo diez elementos principales encontrados en las clulas microbianas con

detalles sobre su origen y requerimiento de la clula.

El carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrgeno, azufre y fosfato, constituyen la base de los

componentes celulares como protenas, lpidos, estructuras de membrana y cidos

nucleicos. Sin embargo, estos elementos forman parte de componente relativamente

estables y solo reaccionan lentamente con algun otro. Las reacciones qumicas entre estos

compuestos necesitan catalizadores biolgicos denominados enzimas. Estas son protenas

que a menudo requieren de ciertos iones o elementos traza como componentes estructurales

para ser catalticamente activo (tabla3.2) las enzimas se mencionan con un sufijo despus

de la reaccin o del sustrato.

La mayor parte de los elementos se presentan como sales en los medios naturales como el

suelo y el agua. Sin embargo, con frecuencia se necesita aadir fuentes solubles de estos

elementos a los medios de cultivo de laboratorio o industriales. Algunos microorganismos,

como por ejemplo Escherichia coli, pueden crecer en mezclas simples de estas sales junto

con una fuente de carbono y energa, mientras que otros, como Lactobacilli, necesitan otros

compuestos que no pueden sintetizar por s mismo. Los constituyentes inorgnicos de

varios microorganismos se muestran en la tabla 3.3.

Los microorganismos muestran cierta diversidad en cuanto a los componentes que pueden

usar como fuentes de C, H, O, N y S. As el azufre generalmente es tomado por las clulas

como sulfato y residuos de sulfuro para propsitos biosintticos. Sin embargo, algunas

bacterias como Thiobacilli pueden crecer en compuestos con azufre reducidos como

sulfuro, azufre elemental o tiosulfato que las usan como donadores de electrones, en tanto

que los metangenos crecen solamente en presencia de sulfuro de hidrogeno.

El nitrgeno se presenta en la naturaleza en muchas formas como el amoniaco (NH3),

nitrato (NO3-), nitrito (NO2

-), compuestos orgnicos que contienen nitrgeno y nitrgeno

molecular. La mayora de los microorganismos pueden utilizar NH4+, el cual con frecuencia

es el substrato preferido. Algunos organismos pueden usar NO3- el cual primero debe ser

reducido a NH4+

antes de incorporarlo al material celular. El NO2-, un producto de la

respiracin anaerobia, que utiliza NO3- como aceptor de electrones (Nitrosomonas sp.),

pueden ser reducidos a NH4+

o a N2 por algunas bacterias desnitrificantes, o bien oxidado a

NO3- por Nitrobacter

molecular como fuente de nitrgeno (Rhizobium sp.), mientras que muchos

microorganismos pueden utilizar complejos, fuentes orgnicas de nitrgenos, entre las que

estn los aminocidos, cidos nucleicos y aminas metiladas.

Los microorganismos pueden usar C, H y O, ya sea en forma de compuestos orgnicos o

inorgnicos, incluyendo CO2, H2, H2S, NH4+, NO3

-, NO2

-, SO4

2-, etc. Con la posible

excepcin de liginica y ciertos polmeros orgnicos hechos por el hombre, casi todos los

componentes con carbono son substratos potenciales para el crecimiento de

microorganismos.

Elemento Fuente Funcin metablica

C Compuestos orgnicos, Co2

Componentes principales del material

celular

O O2, H2O, compuestos orgnicos, CO2

H H2, H2O, compuestos orgnicos

N NH4+, NO3, N2, compuestos orgnicos

S SO42-

, HS, S, S203, compuestos

orgnicos

Componentes de la cistena,

metionica, pirofosfato de tiamina,

-lipoico.

P HPO42-

Componentes de los cidos nucleicos,

ATP y otros nucletidos, y

fosfolipidos

K K+ Principal catin orgnico dentro de la

clula, cofactor de algunas enzimas.

Mg Mg2+

Cofactor de muchas enzimas

(particularmente cinasas), presente en

paredes y membranas celulares

Ca Ca2+

Cofactor de enzimas; presente en

exoenzimas importantes, por ejemplo,

amilasas, proteasas; componente

importante de las endosporas

Fe Fe2+

, Fe3+

Componente de los citocromos;

protenas fierro-azufres, por ejemplo,

ferredoxinas; cofactor de muchas

enzimas (por ejemplo, hidratasas)

Elemento Fuente Funcin metablica

Zn Zn2+

Componentes de la alcohol deshidrogenasa, fosfatasa alcalina,

aldolasa, RNA y NA polimerasa.

Mn Mn2+

Componente de la superxido dismutasa bacteriana, PEP,

carboxicinasa, citrato sintasa.

Na Na+

Requerido por bacterias haloflicas Cl Cl

-

Mo MoO42-

Componentes de la nitrato reductasa, nitrogenasa, formato

deshidrogenasa.

Se SeO32-

Componente de la glicina reductasa, formato deshidrogenasa.

Co Co2+

Componente de la vitamina B12 y enzimas con vitamina B12

(glutamato mutasa, metilmalonil CoA mutasa)

Cu Cu2+

Componente del citocromo oxidasa y oxigenasas

Cr CrO42+

Componente de algunas formato deshidrogenasas

Ni Ni2+

Componente de la ureasa y del crecimiento auttrofo de bacterias que

oxidan hidrogeno.

Elemento Bacterias Hongo (g/100Gg

de esp seco)

Levadura

P 2.0-3.0 0.4-4.5 0.8-2.6

S 0.2-1.0 0.1-0.5 0.01-0.24

Tabla 3.1 Elementos principales requeridos por las clulas microbianas

Tabla 3.2 Elementos trazas requeridos por las clulas microbianas

K 1.0-4.5 0.2-2.5 1.0-4.0

Mg 0.1-0.5 0.1-0.3 0.1-0.5

Na 0.5-1.0 0.02-0.5 0.01-0.1

Ca 0.01-1.1 0.1-1.4 0.1-0.3

Fe 0.02-0.2 0.1-0.2 0.01-0.5

Cu 0.01-0.02 - 0.002-0.01

Mn 0.001-0.01 - 0.0005-0.007

Mo 0.001-0.01 - 0.0001-0.0002

Total de cenizas 7-12 2-8 5-10

3.3 Los nutrientes como fuentes de energa:

Los nutrientes requeridos por microorganismos no son para reacciones biosintticas que

dan lugar al crecimiento celular, sino tambin funcionan como fuentes de energa para

microorganismos se pueden clasificar por la naturaleza de las fuentes de carbono y energa

que pueden utilizar.

Los organismos que utilizan luz como fuente de energa se denominan fottrofos, mientras

que aquellos que obtienen su energa de reacciones qumicas se denominan quimitrofos.

3.3.1 Fottrofos:

Tabla 3.3 Constituyentes inorgnicos de varios microorganismos

Es comn que los fottrofos utilicen CO2 como fuente celular de carbono, en cuyo caso se

materia celular usando donadores de electrones que con frecuencia son inorgnicos, tales

como el hidrogeno molecular o compuestos de azufre reducidos. Cuando los organismos

crecen de esta manera se denominan fotolittrofos (tabla 3.4).

Alternativamente, algunos fottrofos (tabla3.4) pueden usar la luz como fuente de energa

para su crecimiento y fuentes de carbono orgnicas como succinato o acetato. En este caso,

el substrato orgnico aporta los electrones para las reacciones de reduccin y el organismo

crece como fotoorgantrofo. El substrato orgnico aporta tambin carbono celular en lugar

de CO2. En consecuencia, los organismos crecen como hetertrofos.

As, la autotrofa y la heterotrofa reflejan la naturaleza de la fuente de carbono, en tanto

que el littrofo y el organtrofo reflejan la naturaleza del aceptor de electrones.

Tipo Donador de

electrones

Fuente de

carbono

Organismo

Fotolitotrofa H2O, H2S, S, H2 CO2 Plantas, algas verde

azules, Chromatiaceae,

Chlorobiaceae

Fotoorganotrofa Orgnico CO2 Rhodospirillaceae

3.3.2 Quimitrofos:

Muchos microorganismos obtienen energa (ATP) para su crecimiento mediante reacciones

de xido reduccin de la forma:

Tabla 3.4 Crecimiento fototrfico

Xred + Aox Xox + Ared

Donde un substrato se reduce a expensas del otro. La mayora de las levaduras, hongos y

organismos superiores utilizan donadores de electrones orgnicos (Xred) y O2 como aceptor

de electrones. Las bacterias, sin embargo, pueden usar NO3-, SO4

2- o CO3

2- como aceptor de

electrones en lo que se denomina respiracin anaerobia, compuestos orgnicos

(fermentacin anaerobia) u O2 (respiracin). El donador de electrones, Xred, puede ser

orgnico o inorgnico (por ejemplo H2, H2S, Fe2+

, NO2- o NH4

+).

Los organismos que utilizan un donador de electrones orgnico se conocen como

quimioorgantrofos, en tanto que los que utilizan donadores inorgnicos se llaman

quimiolittrofos (tabla 3.5).

Los quimiolittrofos tambin son quimioautotrofos, ya que generalmente usan CO2 como

fuente de carbono y no metabolizan un compuesto organico. Sin embargo, tambin puede

crecer en forma aerbica como quimioorgantrofos (por ejemplo las bacterias que oxidan

hidrogeno y algunos thiobacilli), mientras que Nitrosomonas y Thiobacillus Thiooxidans

son quimiolittrofos obligados.

Tipo Donador de

electrones

Aceptores de

electrones

Organismo

Quimiolitotrofa H2S, S, H2, Fe2+

CO2,O2, NO3- Bacterias oxidantes del

hidrogeno, tiobacilos,

Th. Desnitrificantes,

Ntrosomas, metanogeno.

Quimioorganotrofa Orgnico O2, NO3-, SO4

2-,

Organico

Pseudomonads, bacillin

levaduras, bacillus

lincheniformis, bacterias

reductoras del sulfato,

bacilos del acido lactico

3.4 Otros requerimientos para el crecimiento:

La mayora de las levaduras y las algas pueden sintetizar los componentes orgnicos

necesarios para su crecimiento a partir de la fuente de carbono. Muchas bacterias no pueden

hacer esto y necesitan la presencia de factores de crecimiento especficos en el medio,

adems de una fuente de carbono y energa.

El requerimiento ms comn son las vitaminas, las cuales se necesitan en cantidades

extremadamente pequeas como cofactores para varias enzimas. As, Clostridium kluyveri

requiere un medio complementado con biotina y acido p-aminobenzoico. Ciertas bacterias lcticas

tienen necesidades muy estrictas de prcticamente todos sus aminocidos, purinas, pirimidinas y

vitaminas. En consecuencia, estos organismos realmente pueden crecer en un medio en el que no

se conoce la concentracin de uno de estos nutrientes necesarios para el crecimiento. El grado de

crecimiento esta relacionado directamente con la concentracin del nutriente esencial. Esto

constituye la base del ensayo microbiolgico.

En la tabla 3.6 se listan algunas vitaminas y compuestos relacionados que a menudo se necesitan

para el crecimiento.

Tabla 3.6 Vitaminas y compuestos relacionados requeridos para el crecimiento

Compuesto Funcin metablica

Acido p-aminobenzoico Precursor del Tetrahidrofolato, utilizado en la transferencia de unidades de un

carbono.

Biotina Coenzima que participa en las reacciones de carboxilacion.

Acido flico Tetrahidrofolato necesario en la transferencia de unidades de carbono.

Tabla 3.5 Crecimiento quimiotrfico

Acido nicotnico Precursor de NAD y NADP.

Acido pantotnico Precursor de coenzima A(portador de grupos acilo)

Piridoxina (vit. B ) Fosfato de piridoxal usado en reacciones de transaminacin y decarboxilacin.

Riboflavina (vit. B ) Componente de los grupos prostticos FMN y FAD de las flavoprotenas.

Tiamina (vit. B ) Componente del pirofosfato de tiamina en descarboxilasas, transaminasas y

transcetolasas.

Cianocobalamina (vit. B ) Coenzima que interviene en reacciones de rearreglo(glutamato mutasa).

Vitamina K Precursor de la menaquinona un portador de electrones (por ejemplo,

fumarato reductasa).

Coenzima M Interviene en la metanognesis.

3.5 COMPONENTES ESTRUCTURALES BSICOS DE LA CLULA

Las clulas microbianas, como todos los sistemas vivos con excepcin de los virus, se componen

de carbohidratos, grasas, lpidos y cidos nucleicos. Estos materiales se forman a partir de las

unidades bsicas de construccin o productos metablicos primarios, a saber, monohidratos,

cidos grasos, aminocidos y nucletidos (o nuclesidos) y, por otras reacciones metablicas, se

convierten en los componentes estructurales principales de clulas, como paredes celulares,

membranas, enzimas, protenas estructurales y DNA o RNA.

3.51 Carbohidratos

Son compuestos orgnicos con frmula general (CH O)n, donde n>3. Existen dos formas

principales de carbohidratos, los monosacridos y los polisacridos. Los monosacridos o azcares

simples, son los carbohidratos ms pequeos que contienen entre 3 y 9 tomos de carbono y son

las unidades de construccin de los polisacridos. La D-glucosa (hace girar la luz polarizada en el

plano de la direccin +) es el monosacrido mas comn. Se compone de 6 tomos de carbono y, al

igual que otros azcares, es un derivado polihidroxialcohol (figura 3.1)

CHO

COH

CH2OH

Aldolasas

CH2OH

C=O

CH2OH

Cetosas

Dihidroxiacetona

CH2OH

C=O

COH

HOC

CH2OH

D-ribosa D-ribulosa

CHO

COH

HOC

COH

COH

CH2OH

HOC

CHO

HOC

COH

COH

CH2OH

COH

CHO

HOC

HOC

COH

CH2OH

C=O

CH2OH

HOC

COH

COH

CH2OH

D-glucosa D-manosa D-galactosa D-fructuosa

H

H

CHO

COH

COH

COH

CH2OH

H

H H

H

H

H

H

H

H

H

H

TRIOSA

PENTOSA

HEXOSA

H

H

H

H

H

H

H

H

Para muchos microorganismos la D-glucosa es el compuesto base que se metaboliza para formar

los dems componentes celulares. La mayora de los microrganismos (particularmente las

levaduras), pueden crecer en glucosa, la cual se transporta a travs de la membrana hacia la clula

de difusin pasiva, transporte activo o translocacin de grupo. Cuando hay polisacridos en el

medio, es comn que sean hidrolizados a unidades de glucosa por enzimas extracelulares

(invertasas, celulasas, amilasas, aminoglucosidasas) antes de ser transportados hacia la clula.

Los monosacridos se clasifican como aldosas o cetosas (figura 3.1). As, la glucosa es una

aldohexosa (aldo=azcar aldehdo; hexosa=6 tomos de carbono). Hay dos formas de glucosa (y

otros azucares) llamadas formas D- y L- (figura 3.2 (a)),

CHO

C

C

C

C

CH2OH

OH

HO

OH

OH

H

H

H

H

C

CH2OH

C

C

C

CH2OH

H

H

H

HHO

CH3

HO

HO

D-glucosa L-glucosa

a) formas de cadena recta

-D- -D-glucosa

b) formas en anillo (piranosas)

Figura 3.2 Formas estructurales d e la glucosa

que son imgenes especulares entre si. Los azucares de origen natural por lo general son de la

forma D-. La D-glucosa se presenta principalmente como una estructura de anillo, denominada la

- - representan la posicin del grupo OH del tomo

de carbono 1.

La unin de otros grupos qumicos a la estructura bsica, da lugar a una variedad de derivados de

azcar que incluye alcoholes (glicerol, sorbitol, etc.), cidos (acido glucnico, acido glucornico),

fosfatos (glucosa-1-fosfato, glucosa-6-fosfato), desoxiazcares (desoxirribosa, figura 3.3) y

aminoazcares (glucosamina, galactosamina, acido N-acetilmurmico). Estos son componentes

importantes comunes de la estructura de la clula microbiana.

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O H

OHOH

HOCH

H OHHH

O

OH

HOCH

H

H

H

H

H

OH

D-ribosa D-desoxirribosa

Bajo la influencia de enzimas, los monosacridos se pueden condensar entre si para formar

polisacridos. El grupo OH sujeto al tomo de carbono en la posicin 1 de la molcula de

glucosa, es relativamente reactivo y se puede condensar con el grupo OH en la posicin 4 6 de

- -) 1,4 glucosdico (figura 3.4)

-D- -D- -maltosa

Figura 3.4 -1, 4) glucosdicos

-1, 4-

glucosdicos se obtiene un polmero de cadena recta con un peso molecular de hasta 500.000,

denominado amilosa (un componente del almidn: figura 3.5). La amilopectina (el componente

-D- -1, 6-

glucosdicos. La molcula completa de almidn (un polisacrido comn de almacenamiento) es

una combinacin de amilosa y amilopectina (figura 3.5).

El glicgeno, un polmero comn de almacenamiento en bacterias y levadura, tiene una

composicin similar al almidn, excepto que esta mucho mas ramificado que la amilopectina, con

-1, 6 que aparecen cada 8-10 residuos de glucosa.

El dextrano es otro polisacrido importante de almacenamiento microbiano, similar al almidn y

al glucgeno, que esta formado de unidades de D- -1,

6-glucosidicos. Sin embargo, los puntos de ramificacin son caractersticos de las especies y

- - -1, 4. Los dextranos forman soluciones viscosas que tienen

aplicaciones amplias en la industria como lubricantes, en la separacin de molculas orgnicas por

filtracin y cromatografa de intercambio inico, etc.

Un polisacrido estructural importante es la celulosa, la cual contiene ms del 50% del carbono

orgnico total de la biosfera. La madera contiene aproximadamente 50% de celulosa, en tanto que

el algodn es casi celulosa pura. Se compone de unidades de D- -1, 4

(figura 3.6) y es el componente principal de las clulas

Figura 3.6 Estructura de la celulosa.

vegetales y las algas. El potencial de la hidrolisis fsica o enzimtica de la celulosa (papel de

desecho, peridico, viruta, residuos de cosecha) seguidas de una fermentacin posterior para la

produccin de biomasa o alcohol, representa uno de los mayores desafos a la industria

biotecnolgica.

Las paredes celulares bacterianas estn formadas de un pptido polisacrido complejo llamado

peptidoglicano o murena (figura 2.7). Esteconsiste en cadenas paralelas de polisacrido

compuestas de un disacrido de N-acetil-D-glucosamina y acido N-acetilmurmico unidos por

-1, 4-glucosidicos. En el grupo hidroxilo del acido lctico unido al cido murmico, se

encuentra una cadena lateral de tetrapptido compuesta de L-alanina, D-alanina, acido D-

glutmico y acido diaminopimlico o L-lisina (figura 3.7. La D-alanina terminal de la cadena

pptida lateral de un polisacrido

Figura 3.7 Componente peptidoglicano de las paredes celulares bacterianas.

puede unirse con la cadena peptdica de otra cadena de polisacrido, ya sea directamente o a travs

de otra cadena polipetdica corta (en Staphylococcus aureus, esta cadena de polipptido se

compone de 5 unidades de glicina).

Por lo tanto, el peptidoglicano consiste en cadenas de polisacridos paralelas con muchas uniones

entre las cadena que le confiere fuerza y rigidez a al pared celular.

-1, 4 del peptidoglicano para producir disacridos de N-

acetil-D-glucosamina y acido N-acetilmurmico a los cuales estn unidos los pptidos (figura 3.7).

Este es uno de los mtodos usados para obtener protoplastos de bacterias gram +.

La penicilina, un antibitico importante, inhibe la formacin de los entrecruzamientos peptdicos

de las cadenas de polisacridos, formando as paredes celulares dbiles.

3.52 Grasas y lpidos

Los lpidos son compuestos orgnicos insoluble en agua localizados en todas las clulas vivientes,

pero son solubles en solventes no polares como el benceno y el ter.

Tienen cuatro funciones principales: 1)como componentes estructurales de las membranas: 2)

como materiales de almacenamiento intracelular cuya oxidacin produce energa para el

crecimiento; 3) como fuente de combustible (energa) transportable; 4) como componente

protector de paredes celulares de las bacterias, las hojas de las plantas y la piel de los vertebrados.

Las grasas y lpidos se componen de cidos grasos de los cuales se han aislado ms de 70 tipos

diferentes. Los cidos grasos se componen de una cadena larga de hidrocarburo con un grupo de

carboxilo terminal con la forma general mostrada en la figura3.8, donde n esta, por lo general,

entre 12 y 20. La cadena de hidrocarburo puede

CH3 (CH2)n

O

C

OH

Figura 3.8 Frmula general de los cidos grasos.

ser saturada (sin enlaces dobles) o insaturada (uno o mas enlaces dobles). Los cidos grasos

difieren principalmente en la longitud de la cadena y en el nmero y en la posicin de los dobles

enlaces. Algunos de los cidos grasos ms importantes y comunes se muestran en la tabla 3.7.

Casi todos los cidos grasos naturales tienen un numero par de tomos de carbono y se llaman

saturados si no tienen dobles en laces. Los cidos grasos insaturados presentan uno o ms dobles

enlaces (tabla 3.7). Si bien las plantas y animales superiores tienen predominantemente cidos

grasos insaturados de 14 a 22 tomos de carbono; los microorganismos, y en particular las

bacterias tienen tipos ms simples de 12 a 18 tomos de carbono y cidos grasos insaturados C o

C . En las bacterias no se han encontrado cidos grasos con ms de un enlace doble.

Los cidos grasos solo se encuentran en pequeas cantidades en forma libre. Se localizan en

materiales estructurales y de almacenamiento como esteres de glicerol (glicridos o acilgliceroles)

o como fosfosteres de glicerol (fosfoglicridos o fosfolpidos).

Los glicridos son la forma de almacenaje principal de grasas en los microorganismos, plantas y

animales.

Tabla 3.7 Algunos de los cidos grasos naturales comunes.

Estructura de tomos de carbono Nombre comn Temperatura de ebullicin (C)

Saturado

12 CH (CH ) COOH Acido lurico 44.2

14 CH (CH ) COOH Acido mirstico 53.9

16 CH (CH ) COOH Acido palmtico 63.1

18 CH (CH ) COOH Acido esterico 69.6

20 CH (CH ) COOH Acido araqudico 76.5

24 CH (CH ) COOH Acido lignocrico 86.0

Insaturados

16 CH (CH ) CH=

CH (CH ) COOH

Palmitoleico -0.5

18 CH (CH ) CH=

CH (CH ) COOH

Oleioco 13.4

18 CH (CH ) CH=

CHCH CH=CH(CH ) COOH

Linoleico -0.5

18 CH CH CH=CHCH

CH=CHCH CH=CH

(CH ) COOH

Linolnico -11.0

20 CH (CH ) CH=CH

CH CH=CHCH CH=

CHCH CH=CH(CH )

COOH

Araquidnico -49.5

Hay tres clases de glicridos, dependiendo del nmero de cidos grasos (o grupos acilo)

esterificados en la molcula de glicerol (figura 3.9):

1-monoacilglicerol (monoglicrido);

1, 2-diacilglicerol (diacilglicrido);

1, 2, 3-triacilglicerol (triglicrido).

Los ms comunes en la naturaleza son los triacilgliceroles. La clase de triacilglicerol depende del

tipo y posicin de los cidos grasos esterificados en relacin con el glicerol, por ejemplo,

triesteroilglicerol.

Los fosfoglicridos se encuentran casi exclusivamente en las membranas celulares, siendo escaso

en grasas de almacenamiento. Son similares en estructura a los glicridos excepto que uno de los

grupos alcoholes primarios del glicerol esta fosforilado mas que esterificado con un acido graso.

As, el componente bsico de los fosfolpidos es el glicerol-1-fosfato o el glicerol-3-fosfato, al

cual estn unidos dos cidos grasos.

Los fosfoglicridos (figura 3.10) poseen una cabeza polar (hidroflica) y otras dos cabezas

hidrocarbonadas no polares (hidrofbicas) y, por tanto, se denominan lpidos antipticos. As, en

solucin acuosa, es fcil que formen micelas con las regiones polares de un grupo de

fosfoglicridos en contacto con el agua, en tanto que las cadenas

Procesos qumicos de la clula

Laterales no polares se agrupan entre s (figura 3.11.). En interfases aire-agua, los

fosfogliceridos formaran monocapas, mientras que en solucin, particularmente en

aperturas que separan dos compartimentos acuosos, forman con facilidad bicapas de

aproximadamente 70 de espesor (figura 3.11). Estas bicapas son muy similares a las de

las membranas celulares, las cuales permiten el paso libre de agua pero son impermeables a

varios iones. En la tabla 3.8 se listan algunos de los fosfogliceridos ms comunes de los

microorganismos.

3.5.3 Esteroides

Los lpidos complejos, los cuales no son saponificables, incluyen a la clase

bioqumicamente importante de los esteroides. Los esteroides se obtienen de una estructura

bsica (figura 3.12). Los animales sintetizan un gran nmero de esteroides, los cuales tienen

diversos papeles fisiolgicos y bioqumicos, incluyendo a su funcin como hormonas.

Algunos ejemplos son: colesterol, cortisona y testosterona.

3.5.4 Protenas

Las protenas son las molculas orgnicas mas abundantes de las clulas vivas,

comprendiendo entre el 30% y el 70% del peso seco total de las clulas. Son componentes

celulares muy importantes puesto que son copiados de la informacin gentica de la clula

y, posteriormente, dirigen la maquinaria metablica de ella.

Componentes estructurales bsicos de la clula

Las protenas se componen invariablemente de carbono, oxigeno y nitrgeno; casi todos

contienen azufre. Adems, algunas protenas contienen otros elementos como fierro,

fosforo, zinc y cobre.

El peso molecular de las protenas vara desde 5000 hasta ms de 40 millones. Sin

embargo, ciertas cadenas peptdicas, como las que se asocian con el peptidoglucano,

constan de pocos aminocidos con pesos moleculares tan bajos como 240. Las protenas y

-aminocidos, los cuales representan las unidades de

construccin de las protenas. Exi -aminocidos comunes (tabla 3.9) unidos entre si

mediante enlaces peptdicos (figura 3.13) para formar polmeros grandes, no ramificados o

cadenas polipetdicas. Los enlaces peptdicos se forman por una reaccin de condensacin

entre el grupo carboxilo de un aminocido y el grupo amino de un segundo aminocido

(figura 3.13). El numero y secuencia de los residuos aminocidos en una cadena

polipeptdica (protena) determinan la funcin y la actividad cataltica (si existe). El peso

molecular promedio de un aminocido es 138. Sin embargo, puesto que se pierde una

molcula de agua en la formacin de un enlace peptdico, el peso molecular promedio de un

residuo de aminocido en una protena es de 120.

Las protenas se dividen en dos categoras principales: protenas simples y conjugadas.

Las protenas simples se componen solamente de aminocidos con aproximadamente 50%

de carbono, 7% de hidrogeno, 23% de oxigeno, 16% de nitrgeno y ms de 3% de azufre.

Las protenas conjugadas contienen, adems de los aminocidos, otro material orgnico o

inorgnico llamado el grupo prosttico de la protena. Estas protenas conjugadas se

clasifican de acuerdo a la composicin qumica del grupo prosttico.

As, las nucleoprotenas contienen acido nucleico; las lipoprotenas contienen lpido o

fosfolpido; las glicoprotenas contienen carbohidratos; las hemoprotenas contienen una

estructura de porfirina asociada con fierro; las flavoprotenas contienen grupos flavin y las

metaloprotenas contienen iones metlicos.

La estructura y, en consecuencia, la funcin de una molcula de protena, est gobernada no

solo por su composicin de aminocidos, sino tambin por su forma tridimensional

caracterstica o conformacin. Muchos de los aminocidos tienen cadenas laterales ya sea

hidrofbicas (no polares) o hidroflicas (polares), que determina la manera en la cual se

dobla una molcula de protena. Adems, el aminocido cistena contiene un grupo

sulfhidrilo (- SH) que puede reaccionar con otra cistena para formar un enlace sulfhidril

covalente (figura 3.14). estos enlaces, junto con fuerzas de van der waals, puentes de

hidrogeno e interacciones polares, son los causantes de la conformacin tridimensional de

una protena.

Existen dos conformaciones principales de las protenas (figura 3.15):

1) Fibrosas

2) Globulares

Las protenas fibrosas son ms fuertes fsicamente y son insolubles en agua o soluciones

acuosas diluidas. Se componen de cadenas polipetdicas arregladas en paralelo a lo largo de

un solo eje para formar fibras grandes o laminas (figura 3.15).

Representan los componentes estructurales bsicos del pelo (queratina), cuero, uas,

colgeno y tendones de los animales superiores, as como de los flagelos, cilios y pilis de

los microorganismos.

Las protenas globulares consisten en cadenas polipetdicas estrechamente empaquetadas

dobladas en formas esfricas o globulares (figura 3.15). Por lo general, son solubles en

solucin acuosa y se difunden con rapidez. En consecuencia, son bastante mviles en el

citoplasma celular y, a menudo, tienen una funcin cataltica (enzimas). Por lo tanto, la

mayora de las enzimas y protenas de transporte son protenas globulares.

Se observa que hay tres niveles diferentes de estructura protenica, las cuales se pueden

resumir como sigue:

Componentes estructurales bsicos de la clula

1) estructura primaria. Secuencia de los residuos de aminocidos unidos por medio de

enlaces peptdicos.

2) Estructura secundaria. Se refiere a la forma de la extensin o del enrollamiento

helicoidal de la cadena polipeptdica, en particular en las protenas fibrosas, la cual

es resultado principalmente del establecimiento de puentes de hidrogeno entre los

aminocidos.

3) Estructura terciaria. Se refiere al doblamiento y curvatura de la cadena para formar

protenas globulares inducidas por enlaces disulfuro covalentes, puentes de

hidrogeno o enlaces salinos e interacciones hidrofbicas e hidroflicas.

4) Estructura cuaternaria. Es la manera en la que las cadenas polipetdicas individuales

se renen para formar una protena multimrica. Los enlaces responsables del

establecimiento de la estructura cuaternaria son similares a los mencionados en 3).

Las protenas que tienen ms de una cadena polipeptdica se denominan protenas

multimricas u oligomtricas, y cada polipptido se conoce como subunidad o protmero.

Procesos qumicos de la clula

En general, la mayora de las protenas grandes tienen dos o ms subunidades que pueden

o no poseer ningn enlace covalente entre ellas. Ejemplo de protenas oligomricas son

las enzimas, hexocinasa de las levaduras (4 subunidades), triptfano sintetasa (4

subunidades), lactato deshidrogenasa (4subunidades) y la sintetasa de cidos grasos (21

subunidades), aunque la ribonucleasa y la lisozima poseen una sola subunidad. De

ordinario, las subunidades estn asociadas estrechamente, aunque puede no haber enlaces

covalentes. En consecuencia, la protena acta como una sola molcula y, de hecho, casi

siempre se requieren todas las subunidades para el funcionamiento ptimo de la protena.

En la tabla 3.10 se listan algunas de las protenas que se encuentran ms comnmente en

la naturaleza y su funcin.

Una de las clases principales de protenas son las enzimas, las cuales funcionan como

catalizadores biolgicos. Esta clase de protenas se considerara con ms detalle en el

captulo sobre

3.5.5 cidos nucleicos

Los cidos nucleicos se componen de nucletidos y participan en el almacenamiento,

replicacin, transcripcin y transferencia de la informacin gentica. Los nucletidos

tambin tienen funciones importantes en el metabolismo, particularmente en reacciones

de transformacin de energa. Los nucletidos sirven como enzimas portadoras de

energa, como coenzimas en la transferencia de acido actico, azucares, aminas y otras

molculas y como enzimas en reacciones de oxido reduccin.

Los mononucletidos se componen de una base nitrogenada, un azcar de 5 carbonos y

acido fosfrico. Hay dos clases de bases nitrogenadas: las pirimidinas y las purinas.

En los nucletidos se encuentran comnmente tres bases pirimdicas: uracilo, timina y

citocina (figura 3.16) y, en una cantidad menor 5-metilcitocina y 5-hidroximetilcitocina.

Hay dos bases pricas principales, a saber: adenina y guanina (figura 3.16) y formas

menores como 2-metiladenina y 1-metilguanina.

Los nuclesidos son similares a los nucletidos excepto que carecen del grupo fosfato

unido en la posicin 5 del anillo de la ribosa (azcar de 5 carbonos). Hay dos tipos de

nuclesidos: los ribonuclesidos que contienen D-ribosa como el componente azcar y

los 2-desoxirribonucleosidos, que contienen 2-desoxi-D-ribosa (figura 3.17). los cuatro

ribonuclesidos principales son la 2-desoxiadenosina, 2-desoxiaguanosina, 2-

desoxicitidina y 2-desoxitimidina. Estos nuclesidos no se encuentran en cantidades

apreciables en forma libre dentro de las clulas.

Los nucletidos son steres de nuclesido con acido fosfrico y, otra vez, son de dos

tipos, a saber: los ribonucletidos, que contienen D-ribosa y los desoxirribonucletidos,

los cuales contienen 2-desoxi-D-ribosa. Es comn encontrar a los nucletidos en forma

libre en el interior de las clulas. Los ribonucletidos son los constituyentes principales

cidos ribonucleicos (RNA) y los desoxirribonucletidos

de los cidos desoxirribonucleicos (DNA). El grupo de acido fosfrico, en general, se

encuentra unido en la posicin 5 de la D-ribosa o de la 2-desoxi-D-ribosa, pero puede

asociarse con las posiciones 2o 3e incluso formar grupos de acido fosfrico cclicos, en

forma notable, la adenosina-3, 5-monofosfato (AMP cclico), la cual es un compuesto

importante en la regulacin del metabolismo (figura 3.18).

Los ribonuclesidos y desoxirribonuclesidos pueden existir dentro de la clula como 5-

monofosfatos (nucletidos), 5-difosfatos y 5-trifosfatos (figura 3.19). Estos grupos

fosfato forman complejos con Mg2+

y Ca2+

dentro de la clula y tiene funciones muy

importantes. La ATP (adenosina-5-trifosfato) es el portador primario de energa en la

clula, que transfiere energa desde reacciones catablicas (oxidativas) a reacciones

anablicas (biosintticas) (ver capitulo 6).

Los nuclesidos di- y tri- fosfatos sirven tambin como portadores de molculas

especificas. As, la UDP (uridina difosfato) es un portador especfico de residuos azcar

en la sntesis de polisacridos, esto es, como UDP-glucosa para la biosntesis de

glucgeno.

Los nuclesidos trifosfato funcionan tambin como precursores de unidades de

mononucletidos para la sntesis de DNA y RNA.

Existe gran cantidad de otros mononucletidos importantes que contienen bases que no se

encuentran en los cidos nucleicos. La nicotinamida adenina dinucletido (NAD) y su

forma fosforilada (NADP), as como la flavina mononucletido (FMN) y la flavina

adenina dinucletido (FAD) (figura 3.20 y 3.21), son compuesto cuya funcin

Protena Localizacin o funcin

Enzimas

Ribonucleasa

Hidroliza RNA

Citocromo C

Tripsina

Hexocinasa

Amilasa

Protenas de almacenamiento

Ovoalbmina

Lactoalbmina (casena)

Protenas de transporte

Hemoglobina

Mioglobina

Albumina de suero

Protenas contrctiles

Miosina

Actina

Dinena (flagelina)

Protenas protectoras

Anticuerpos

trombina

Toxinas

toxina de clostridiumbotulinum

toxina diftrica

venenos de serpiente

Hormonas

Transfiere electrones

Hidroliza algunas protenas

Fosforila glucosa y azucares relacionados

Hidroliza almidn y glucgeno

Protena de la clara de huevo

Protena de la leche

Transporta O2 en la sangre

Transporta O2 en el msculo

Transporta cidos grasos en la sangre

Filamentos estacionarios en las miofibrillas

Filamentos mviles en las miofibrillas

Cilios y flagelos

Forman complejos con protenas extraas

Componente del mecanismo de coagulacin

de la sangre.

Causas de envenenamiento de alimentos por

bacterias

Causa de la difteria

Enzimas que hidrolizan a fosfoglicridos

Insulina

Hormona de crecimiento

Protenas estructurales

Glicoprotenas

Protenas de la estructura de la

membrana

queratina

esclerotina

protenas de la cubierta viral

colgeno

Regula el metabolismo de la glucosa

Estimula el crecimiento seo

Paredes y cubiertas celulares

Componente de las membranas

Piel, plumas, uas, pezuas, etc.

Exoesqueletos de insectos

Cubierta alrededor del cromosoma

Tejido conectivo fibroso (tendones, hueso,

cartlago)

Tabla 3.10 algunas protenas comunes y su funcin.

Principal es actuar como cofactores o enzimas en reacciones de xido reduccin en el

interior de la clula.

Otro mononucletido importante es la coenzima A (CoA-SH) (figura 3.22), la cual contiene

adenina y la vitamina cido pantotnico. La CoA interviene en la transferencia de grupos

acetato y cidos grasos en relaciones celulares, por ejemplo, en la formacin de citrato

catalizada por la enzima citrato sintasa:

El DNA (cido desoxirribonucleico) es un biopolmero no repetitivo que contiene toda la

informacin gentica celular (en ciertos virus esta funcin la tiene el RNA). Durante la

divisin celular, cada clula hija recibe una copia exacta y completa de DNA parental. En

los procariotas (bateras, algas verde azules) hay una molcula de DNA nica que forma un

solo cromosoma, el cual tiene un peso molecular superior a 2 x 109 y constituye

aproximadamente el 1% del peso seco de la clula. En los eucariotas (levaduras, hongos,

animales y plantas superiores) generalmente existen algunos cromosomas (molculas de

DNA) los cuales, en clulas diploides, se presentan en el ncleo en forma combinada con

protenas bsicas llamadas histonas. Adems del DNA nuclear, las clulas eucariotas

contienen DNA satlite, especialmente en las mitocondrias y en los

cloroplastos, el cual es diferente del DNA nuclear. El DNA procaritico de ordinario est

unido a un pliegue o invaginacin de la membrana celular llamado mesosoma en la regin

nuclear (los procariotas no poseen un ncleo verdadero). No hay protenas asociadas con

DNA. Los procariotas tambin pueden tener material extracrosomal denominado plasmidos

o episomas, de los cuales se tratar en captulos posteriores sobre biologa molecular.

Todas las molculas de DNA estn formadas en cuatro unidades de mononucletidos

fosfodister (figura 3.23) para formar una

cadena de polinucletido larga y sin ramificaciones. Dos de tales cadenas, las cuales son

complementarias una de la otra, se combinan para formar una estructura de doble hlice en

la que las dos cadenas permanecen juntas por la formacin de puentes de hidrogeno entre

pares de bases complementarias. As, la adenina de una cadena siempre est unida por

puentes de hidrogeno con la timidina de la segunda cadena y la citosina se une por puentes

de hidrogeno a la guanina. Los enlaces de hidrogeno estabilizan a la molcula de doble

hlice del DNA y, puesto que las bases G-C se unen por tres de tales enlaces en

comparacin con dos entre las bases A-T, mientras mayor es la cantidad de pares de bases

guanosina-citocina (G-C), la molcula de DNA es ms estable (figura 3.24).

Dentro de la clula el RNA (cido ribonucleico) existe en tres formas, a saber: RNA

mensajero (mRNA), RNA de transferencia (tRNA) y RNA ribosomal (rRNA). Todas

consisten en una cadena

individual de polirribonucletido compuesta en cuatro ribonucletidos principales (aunque

el tRNA contiene adems algunos ribonucletidos inusuales que incluyen a los cidos

pseudouridlico y ribotimidlico). En los procariotas todos los RNAs se encuentran en el

citoplasma, en tanto que en los eucariotas el rRNA se localiza en el citoplasma (en los

ribosomas) y el mRNA y el tRNA se encuentran en el ncleo, mitocondrias, cloroplastos y

citoplasma.

El mRNA se sintetiza por transcripcin enzimtica de una hebra de la molcula de DNA.

Las bases que constituyen la hebra individual de mRNA son complementarias a dicha hebra

(excepto que el uracilo reemplaza a la timina). Despus de la transcripcin, el mRNA pasa

a los ribosomas donde sirve como molde para el ordenamiento secuencial de los

aminocidos durante la sntesis de protenas. Los tripletes de nucletidos (codones) a lo

largo de la hebra de mRNA determinan un aminocido especfico.

Los tRNAs son molculas pequeas (23000 30000 de peso molecular) que actan como

portadores de aminocidos especficos. Durante la sntesis de protenas, cada uno de los 20

aminocidos ms comunes tiene al menos un tRNA especfico que lo conduce hasta el

mRNA que se encuentra unido al ribosoma. Una vez all, el tRNA transfiere el aminocido

correspondiente a la cadena polipeptdica en crecimiento.

El rRNA constituye hasta el 65% del peso de los ribosomas y se divide en tres tipos, a

saber: rRNA 23S, 16S y 5S, dependiendo de su capacidad para sedimentar en la

centrifugacin. Durante la sntesis de protenas, el mRNA se une al ribosoma, y un tRNA se

adhiere al mRNA y transfiere su aminocido a la cadena polipeptdica en crecimiento; el

ribosoma se mueve entonces a lo largo

delmRNA hasta el codn prximo que da la informacin para el aminocido siguiente. La

sntesis de protenas se explicara con ms detalle ms adelante, sin embargo, la verdadera

funcin de los diferentes tipos de rRNA se desconoce an.

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BIOLOGA MOLECULAR

4.1 LOCALIZACION Y ESTRUCTURA DEL MATERIAL HEREDITARIO

4.1.1. Introduccin

El DNA es la ubicacin de la informacin hereditaria y est contenido en estructuras

conocidas como cromosomas. Las clulas contienen cromosomas que se duplican antes de

la divisin celular. En este captulo se a