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Actividades bacterianas
codificadas por
plásmidos.
Sara Alonso Louro (apartados 1, 2, 3, 5.4, 5.5)
Diego Fernández Fdez. (apartados 4, 5.1, 5.2, 5.3, 6)
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1. ¿Qué es un plásmido y cuál es su función en la célula procariota?
En general se trata de elementos de ADN bicatenario y circular (aunque existen
plásmidos con ADN lineal), que se replican independientemente del cromosoma
bacteriano (figura 1). Se encuentran en el citoplasma y su tamaño oscila entre una y mil
kb. Estas estructuras bacterianas se pueden confundir con bacteriófagos (por ejemplo el
P1), dado que ambas entidades genéticas se replican de forma análoga. Una diferencia
importante es que los plásmidos no tienen una forma extracelular como ocurre en los
fagos. Los plásmidos proporcionan características extras que aumentan la flexibilidad
de respuesta del organismo ante cambios en el medio, que podrían ser negativos
(presencia de antibióticos) o
potencialmente favorables
(disponibilidad
de
un
sustrato).
Los plásmidos llevan genes
que aseguran su replicación,
además algunos contienen
los genes necesarios para
llevar a cabo la conjugación
bacteriana. Hay plásmidos
de los que no se conoce la
naturaleza de sus genes, son
los llamados plásmidos
crípticos,
que
fueron
descubiertos mediante la
técnica de electroforesis en
gel.
Figura 1
Un único plásmido puede
llevar
varios
genes
diferentes y por tanto puede conferir varios fenotipos; por ejemplo en el género
Rhizobium son los responsables de su interacción con las plantas, y en Pseudomonas
transfieren la información necesaria para rutas bioquímicas que degradan compuestos
orgánicos como alcanfor, octano y naftaleno.
2. Propiedades moleculares de los plásmidos
Los plásmidos generalmente son moléculas de ADN formando una estructura
superenrollada que en muchos casos tienen un pequeño tamaño, aunque existen
plásmidos (e.g. en Pseudomonas) que pueden llegar a algunos cientos de kb.
3. Replicación y control de plásmidos
La replicación es clave en el control de un importante número de propiedades del
plásmido como son el rango de hospedadores, el número de copias, la incompatibilidad
y la movilidad. La mayoría de las enzimas implicadas en la replicación de los plásmidos
son enzimas celulares. Los genes del plásmido que controlan su propia replicación
actúan en el proceso de iniciación y en el reparto de los plásmidos replicados entre las
células hijas. Los diferentes plásmidos están presentes en las células en un número
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particular de moléculas plasmídicas por célula, lo que se denomina número de copias.
Este número es variable, de modo que en algunas células podemos encontrar de una a
tres copias y en otras el plásmido puede estar presente en más de cien. En la mayoría de
las bacterias gram negativas los plásmidos se replican de modo similar a como ocurre
en el cromosoma. Esta replicación comienza en un punto fijo llamado OriV y puede
ocurrir en una sola dirección (figura 2 A) o en ambas direcciones (figura 2 B) de forma
simultánea (formando la llamada estructura θ) hasta completar el círculo completo. El
proceso completo ocurre muy rápido debido al pequeño tamaño del plásmido en
comparación con el cromosoma. Las bacterias gram positivas se replican mediante el
mecanismo del círculo rodante (figura 2 C). Éste consiste en la creación de un
intermediario monocatenario (razón por la cual en ocasiones a estos plásmidos se les
llama plásmidos con ADN monocatenario). Los plásmidos lineales estudiados se
replican mediante la unión de una proteína al extremo 5’ de cada cadena que se usa para
iniciar la síntesis de ADN. Como en algunas células pueden coexistir diferentes tipos de
plásmidos la replicación en la misma célula está controlada por genes plasmídicos
específicos.
Cuando un plásmido se transfiere a una célula que contiene otro plásmido y el segundo
plásmido no se mantiene y se pierde durante la replicación celular subsiguiente, se dice
que ambos plásmidos son incompatibles. En base a este se criterio se hace una posible
una clasificación de los diferentes plásmidos en grupos de incompatibilidad; de manera
que algunos plásmidos de un mismo grupo se excluyen entre sí pero son capaces de
coexistir con plásmidos de otros grupos.
Figura 2
3
Algunos plásmidos se pueden integrar en el cromosoma por lo que se pasan a
denominar episomas, y por tanto su replicación depende por completo de la del
cromosoma bacteriano.
4. Transferencia de plásmidos entre células
Debido a que algunas células procariotas pueden tomar ADN del ambiente
(transformación), si se produce su lisis se
puede poner el plásmido en contacto con otro
nuevo hospedador, aunque esto solamente
ocurre en algunas bacterias. El principal
mecanismo de transferencia es la conjugación,
que es una función codificada por algunos
plásmidos. Se trata de un proceso replicativo
que deja en ambas células implicadas una
copia del plásmido. Los plásmidos que dirigen
su propia transferencia se denominan
conjugativos, esto está controlado por unos
genes plasmídicos que constituyen la región
tra. Esta región puede provocar consecuencias
importantes si el plásmido se integra en el
cromosoma, cuando es así el plásmido puede
movilizar la transferencia del ADN
cromosómico de una célula a otra. Este tipo de
plásmidos configuran un tipo de cepa celular
denominado
Hfr
(High
frequency Figura 3
recombination) por la alta frecuencia de
recombinación que hay entre el cromosoma de
la cepa Hfr y el cromosoma de la bacteria
receptora a causa de los más abundantes
puntos de homología. Muchos de los genes de
la región tra están relacionados con la síntesis
del pelo sexual (pili), una estructura física que
pone en contacto a las dos células que van a
conjugar. El plásmido F codifica la
producción de estos pelos sexuales; puede
transferirse de una célula donadora, llamada
F+, a una célula receptora que será F-. La
transferencia del ADN plasmídico bajo
condiciones apropiadas es muy eficiente.
Cuando los genes del plásmido se expresan en
el receptor, éste pasa a ser donador; de este
modo los plásmidos conjugativos se extienden
rápidamente. Este fenómeno tiene gran
importancia en la naturaleza infecciosa de las
bacterias dado que permite una rápida distribución de la resistencia a diferentes drogas.
El plásmido F no sólo puede ser conjugativo, también puede funcionar como epitoma
(cepa Hfr), provocando que la conjugación implique la transferencia de amplias
regiones del cromosoma del hospedador y la recombinación genética entre el
cromosoma donador y receptor. (Figura 3)
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5. Características bacterianas determinadas por plásmidos
1) Resistencia a antibióticos
Muchas bacterias pueden adquirir resistencia a determinados antibióticos por la
incorporación de un plásmido en su citoplasma (aunque la resistencia a ciertas drogas
puede producirse en algunos casos por mutación genética). Estos genes son muy
variados y codifican desde enzimas como la β-lactamasa, la cual destruye penicilina,
hasta membranas proteicas que reducen la acumulación intracelular de tetraciclina. Los
transposones (elementos transponibles) juegan un papel importante en la resistencia a
antibióticos al promover el movimiento de genes que confieren esta resistencia entre
diferentes plásmidos o desde el cromosoma a un plásmido. La figura 4 muestra el mapa
genético de un plásmido R de resistencia.
Figura 4
2) Colicinas y bacteriocinas
Muchas bacterias producen proteínas que tienen una acción antimicrobiana,
normalmente contra un grupo determinado de organismos. Un grupo de proteínas
producidas por una cepa de Escherichia coli, es capaz de matar a otra cepa de su misma
especie, son las llamadas colicinas y la cepa que las produce se denomina colicigénica.
El gen de la producción de colicina se encuentra en el plásmido Col, acompañado de un
segundo gen que confiere inmunidad a la acción de la colicina; de este modo la célula
portadora se protege contra la acción de esta proteína. Estos plásmidos pueden ser
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conjugativos o no. Las colicinas matan a las células alterando alguna función celular
crítica. Muchas de estas proteínas forman canales en la membrana celular provocando la
salida de iones potasio y de protones, provocando que la célula pierda su capacidad de
obtener energía. En cambio la colicina E2 es capaz de cortar el ADN. En la figura 5 se
muestra el mapa genético de un plásmido Col de E. coli
Las bacteriocinas se encuentran en gram positivas. Algunas tienen un valor comercial,
como ocurre con la bacteriocina Nisina A, que inhibe el crecimiento de un amplio rango
de bacterias gram positivas y por ello se usa como conservante en la industria
alimentaria.
Figura 5
3) Toxinas y otros determinantes de virulencia
Algunas toxinas pueden ser transmitidas por fagos, pero algunos genes que
codifican toxinas se encuentran en los plásmidos. Las características que definen la
virulencia, son la capacidad de los microorganismos para colonizar sitios específicos del
hospedador y la formación de sustancias que causan daño a éste. Cepas
enteropatogénicas de E. coli son capaces de colonizar el intestino delgado y producir la
toxina que causa la diarrea. Esto es posible gracias a la presencia de una proteína de
superficie llamada factor antigénico de colonización (CFA), que está codificada por un
plásmido. La gran epidemia europea de la edad media, la peste, producida por la especie
Yersinia pestis tiene su culpable en los genes plasmídicos que codifican su capacidad
virulenta. Secreta unas proteínas en su cubierta y el antígeno V que le permiten a
Yersinia p. superar las barreras defensivas del hospedador.
Especies
bacterianas
Enfermedad
Genes virulentos
Localización
Corynebacterium
diphtheriae
Difteria
Toxina
Fago
Streptococcus
Escarlatina
Toxina
Fago
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pyogenes
Vibrio cholerae
Cólera
Toxina
Fago
Shigella spp.
Disentería
Invasión/adhesión
Plásmido
Yersinia
enterocolitica
Gastroenteritis
YOPS (proteínas de
membrana
externas)
Plásmido
Clostridium
botulinum
Botulismo
Toxina
Fago
Clostridium tetani
Tétanos
Toxina
Plásmido
Escherichia coli
Gastroenteritis
Enterotoxina
Plásmido
Escherichia coli
Gastroenteritis
Adhesión
Plásmido
Tabla que muestra una relación entre diferentes enfermedades que tienen como agente causal un plásmido o fago.
4) Plásmidos relacionados en asociaciones planta-bacteria
Un modo diferente de patogeneidad son por ejemplo los tumores que causa
Agrobacterium tumefaciens
en algunas plantas. Los
Figura 6
genes que codifican esta
característica se encuentran
en un plásmido llamado Ti.
Su efecto se debe a que una
parte
específica
del
plásmido se introduce en la
célula de la planta. Este
fenómeno
tiene
gran
importancia
en
la
manipulación genética de
las células de esta especie
de planta.
Otro caso se refiere a los
miembros pertenecientes al
género Rhizobium, aunque
estos definen una relación
de simbiosis. Esta bacteria
forma nódulos en la raíz de
las leguminosas (figura 6) y
proporciona nitrógeno a la
planta y evitando que la planta tenga que recurrir a nitrógeno reducido en el medio. Este
proceso tiene gran importancia en la ecología y agricultura. Estos genes para tratar el
nitrógeno son proporcionados por plásmidos.
5) Actividades metabólicas.
Algunos plásmidos poseen genes que codifican actividades metabólicas, tales como
la fermentación de lactosa, de este modo introduciendo en una cepa que no fermenta
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lactosa un plásmido con estos genes se posibilita la capacidad de producirla. Otras
actividades que se pueden encontrar en estos plásmidos son la hidrólisis de urea y la
producción de H2S.
Biodegradación. Otros plásmidos con actividad metabólica tienen la capacidad de
degradar toxinas. El plásmido pWWO encontrado en Pseudomonas putida incluye el
genoma para la codificación de una serie de enzimas que convierten el ciclo de los
hidrocarburos tolueno y xileno en benzoato; y un operón que degrada el benzoato
produciendo energía. De este modo este organismo puede crecer usando tolueno como
fuente de carbono. Otra característica es la capacidad para degradar elementos químicos
que se encuentran el medio, permitiendo a estos organismos sobrevivir en ambientes
con iones metálicos tóxicos, como el mercurio.
Figura 7
Esquema que resume el mecanismo y las diferentes aplicaciones de los plásmidos a nivel industrial, médico y
ecológico.
6. Proceso de curación.
Los plásmidos se pueden eliminar de las células hospedadoras por diversos
tratamientos, lo que permite crear cepas bacterianas no virulentas y cepas que no posean
plásmidos de resistencia. El método consiste en inhibir la replicación del plásmido pero
no la del cromosoma. La curación puede ocurrir de forma espontánea, pero se puede
incrementar con el uso de colorantes de acridina que se insertan en el ADN. El método
de electroporación también puede utilizarse con estos fines.
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n-mech.html
http://www.sci.sdsu.edu/~smaloy/MicrobialGenetics/topics/plasmids/conjugatio
n-mech.html
http://www.mun.ca/biochem/courses/4103/topics/plasmids.html
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