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22.2: Estructura de los procariotas - Biología

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22.2: Estructura de los procariotas

22.2: Estructura de los procariotas - Biología

Existen muchas diferencias entre las células procariotas y eucariotas. Sin embargo, todas las células tienen cuatro estructuras comunes: la membrana plasmática, que funciona como una barrera para la célula y separa la célula de su entorno, el citoplasma, una sustancia gelatinosa dentro de los ácidos nucleicos de la célula, el material genético de la célula y los ribosomas. , donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Los procariotas tienen varias formas, pero muchos se dividen en tres categorías: cocos (esféricos), bacilos (en forma de varilla) y spirilli (en forma de espiral) (Figura 1).

Figura 1. Los procariotas se dividen en tres categorías básicas según su forma, que se visualizan aquí mediante microscopía electrónica de barrido: (a) cocos o esféricos (se muestra un par) (b) bacilos, o en forma de varilla y (c) espirilos, o en forma de espiral. (crédito a: modificación del trabajo de Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, CDC crédito c: modificación del trabajo del Dr. David Cox, datos de barra de escala de Matt Russell)

Objetivos de aprendizaje

  • Describir la estructura básica de un procariota típico.
  • Describir diferencias importantes en la estructura entre Archaea y Bacteria.

Biología de nivel A: estructura y división de procariotas (fisión binaria)

A: citoplasma. Contiene todas las enzimas necesarias para todas las reacciones metabólicas, (ya que no existen orgánulos celulares procariotas).

B: ribosomas. El tipo más pequeño (70S) (sitios de síntesis de proteínas).

C: ADN nucleoide / circular. Región del citoplasma que contiene ADN. No está rodeado por una membrana nuclear. El ADN procariótico siempre es circular y NO está asociado con ninguna proteína que forme cromatina.

D: plásmido. Pequeños círculos de ADN, utilizados para intercambiar ADN entre células bacterianas y muy útiles para la ingeniería genética.

E: membrana celular. Bicapa de fosfolípidos: compuesta de fosfolípidos y proteínas (al igual que las membranas de las células eucariotas).

F: pared celular. Hecho de mureína, que es una glicoproteína (es decir, un complejo de proteína / carbohidrato, también llamado peptidoglicano). Hay dos tipos de pared celular, que se pueden distinguir mediante una tinción de Gram: las bacterias Gram positivas tienen una pared celular gruesa y se tiñen de púrpura, mientras que las bacterias Gram negativas tienen una pared celular delgada con una capa lipídica externa y se tiñen de rosa.

G: Cápsula (o capa de limo). Una capa gruesa de polisacárido fuera de la pared celular, como el glucocáliz de los eucariotas. Función: para pegar las células, como reserva alimentaria, como protección contra la desecación y los productos químicos, y como protección contra la fagocitosis.

H: Flagelo. Una cola rígida giratoria en forma de hélice que se utiliza para la motilidad (propulsión / movimiento). El flagelo "motor" está incrustado en la membrana celular y es impulsado por un gradiente de iones de hidrógeno a través de la membrana. La rotación en el sentido de las agujas del reloj impulsa la celda hacia adelante, mientras que la rotación en el sentido contrario a las agujas del reloj provoca un giro caótico. ¡El Flagella es el único ejemplo conocido de un & quotmotor & quot giratorio en la naturaleza!

A nivel de biología: la estructura y función de una célula procariota (estructura y función de las células bacterianas)

¡Compruebe dónde encaja esta lección en la especificación de su examen!

00:26 Procariotas (bacterias)

01:40 Las bacterias son diversas

02:19 Algunas bacterias tienen características adicionales

02:52 Estructura: función de las características de las células bacterianas (procariotas).

Biología de un nivel: - División de células procariotas:

Las bacterias se dividen por fisión binaria.

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Lección de biología A-Level & ldquoDivisión celular procariota: las células bacterianas se dividen por fisión binaria & quot.

00:43 - Introducción - Todas las células & quot reproducen & quot

01:17 Fisión binaria: la división de un procariota

Verifique las especificaciones de su examen

★ Referencia de la especificación AQA: - 3.2.1.2 Estructura de las células procariotas y de los virus. Las células procariotas son mucho más pequeñas que las eucariotas. También se diferencian de las células eucariotas en tener: citoplasma que carece de orgánulos unidos a la membrana, ribosomas más pequeños, sin núcleo, en cambio, tienen una única molécula de ADN circular que está libre en el citoplasma y no está asociada con proteínas, una pared celular que contiene mureína, una glicoproteína. Además, muchas células procariotas tienen: uno o más plásmidos, una cápsula que rodea la célula, uno o más flagelos. Todas las células surgen de otras células. La fisión binaria en células procariotas implica: Replicación del ADN circular y de plásmidos. División del citoplasma para producir dos células hijas, cada una con una sola copia del ADN circular y un número variable de copias de plásmidos.

★ Referencia de la especificación CIE: - 1. Estructura celular. Resume las características estructurales clave de las células procariotas típicas como se ven en una bacteria típica (que incluyen: diámetro unicelular, 1 & ndash5 & mum, paredes celulares de peptidoglicano, falta de orgánulos unidos a la membrana, ADN circular desnudo, ribosomas 70S)

★ Referencia de la especificación de Edexcel (Biología A & ndash Salters-Nuffield): - Tema 3: La voz del genoma. 3.4 Conocer la ultraestructura de las células procariotas, incluyendo pared celular, cápsula, plásmido, flagelo, pili, ribosomas, mesosomas y ADN circular.

★ Referencia de la especificación de Edexcel (Biología B): - Tema 2: Células, virus y reproducción de seres vivos. 2.1 Estructura y función de las células eucariotas y procariotas. iii) Conocer la ultraestructura de las células procariotas y la estructura de los orgánulos, entre ellos: nucleoides, plásmidos, ribosomas 70S y pared celular. Tema 6: Microbiología y patógenos como introducción básica a la división celular bacteriana, antes de pasar a las diferentes fases de una curva de crecimiento bacteriano.

★ Referencia de la especificación OCR (Biología A): - 2.1 Fundamentos en biología. 2.1.1 Estructura celular. Las similitudes y diferencias en la estructura y ultraestructura de las células procariotas y eucariotas.

★ Referencia de la especificación OCR (Biología B): - Módulo 2: Células, productos químicos para la vida, transporte e intercambio de gases. 2.1.1 Células y microscopía: h (i) la ultraestructura de la célula procariota, revelada por un microscopio electrónico. para incluir: ADN circular, plásmidos, mesosoma, pili y flagelos en procariotas

★ Referencia de la especificación WJEC: - Conceptos básicos. 2. Estructura y organización celular, (b) la estructura de las células procariotas. Comprensión básica de cómo se dividen las células bacterianas, aplicada a las condiciones de crecimiento. cubierto en la sección 4. Microbiología.


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir la estructura básica de un procariota típico.
  • Describir diferencias importantes en la estructura entre Archaea y Bacteria.

Existen muchas diferencias entre las células procariotas y eucariotas. El nombre & # 8220procariota & # 8221 sugiere que los procariotas se definen por exclusión; no son eucariotas ni organismos cuyas células contienen un núcleo y otros orgánulos internos unidos a la membrana. Sin embargo, todas las células tienen cuatro estructuras comunes: la membrana plasmática, que funciona como una barrera para la célula y separa la célula de su entorno, el citoplasma, una solución compleja de moléculas orgánicas y sales dentro de la célula, un genoma de ADN bicatenario, el archivo informativo de la célula y los ribosomas, donde tiene lugar la síntesis de proteínas. Los procariotas tienen varias formas, pero muchos se dividen en tres categorías: cocos (esférico), bacilos (en forma de varilla), y espirilli (en forma de espiral) ((Figura)).


La célula procariota

Recuerde que los procariotas son organismos unicelulares que carecen de orgánulos unidos a la membrana u otras estructuras internas unidas a la membrana ((Figura)). Su cromosoma, generalmente simple, consiste en un fragmento de ADN circular de doble hebra ubicado en un área de la célula llamada nucleoide. La mayoría de los procariotas tienen una pared celular fuera de la membrana plasmática. La pared celular funciona como una capa protectora y es responsable de la forma del organismo. Algunas especies bacterianas tienen una cápsula fuera de la pared celular. La cápsula permite que el organismo se adhiera a las superficies, lo protege de la deshidratación y el ataque de las células fagocíticas y hace que los patógenos sean más resistentes a nuestras respuestas inmunitarias. Algunas especies también tienen flagelos (singular, flagellum) que se usan para la locomoción y pili (singular, pilus) que se usan para adherirse a superficies, incluidas las superficies de otras células. Los plásmidos, que consisten en ADN extracromosómico, también están presentes en muchas especies de bacterias y arqueas.


Recuerde que los procariotas se dividen en dos dominios diferentes, Bacteria y Archaea, que junto con Eukarya, comprenden los tres dominios de la vida ((Figura)).


Las características de los filos bacterianos se describen en la (Figura) y (Figura). Los principales filos bacterianos incluyen las proteobacterias, las clamidias, las espiroquetas, las cianobacterias fotosintéticas y las bacterias grampositivas. Las proteobacterias se subdividen a su vez en varias clases, desde las proteobacterias Alfa hasta las Epsilon. Se cree que las mitocondrias eucariotas son descendientes de las alfaproteobacterias, mientras que los cloroplastos eucariotas se derivan de las cianobacterias. Los filos de Archaeal se describen en la (Figura).




La membrana plasmática de los procariotas

La membrana plasmática procariota es una fina bicapa lipídica (de 6 a 8 nanómetros) que rodea completamente la célula y separa el interior del exterior. Su naturaleza selectivamente permeable mantiene los iones, proteínas y otras moléculas dentro de la célula y evita que se difundan al ambiente extracelular, mientras que otras moléculas pueden moverse a través de la membrana. Recuerde que la estructura general de una membrana celular es una bicapa de fosfolípidos compuesta por dos capas de moléculas de lípidos. En las membranas celulares de las arqueas, cadenas de isopreno (fitanilo) ligados al glicerol reemplazan los ácidos grasos ligados al glicerol en las membranas bacterianas. Algunas membranas de arqueas son monocapas de lípidos en lugar de bicapas ((Figura)).


La pared celular de los procariotas

El citoplasma de las células procariotas tiene una alta concentración de solutos disueltos. Por tanto, la presión osmótica dentro de la célula es relativamente alta. La pared celular es una capa protectora que envuelve algunas células y les da forma y rigidez. Se encuentra fuera de la membrana celular y previene lisis osmótica (estallido debido al aumento de volumen). La composición química de la pared celular varía entre Archaea y Bacteria, y también varía entre especies bacterianas.

Las paredes de las células bacterianas contienen peptidoglicano, compuesto de cadenas de polisacáridos que están entrecruzadas por péptidos inusuales que contienen aminoácidos L y D, incluidos el ácido D-glutámico y la D-alanina. (Las proteínas normalmente tienen sólo L-aminoácidos como consecuencia, muchos de nuestros antibióticos actúan imitando los D-aminoácidos y, por lo tanto, tienen efectos específicos sobre el desarrollo de la pared celular bacteriana). Hay más de 100 formas diferentes de peptidoglicano. Proteínas de la capa S (capa superficial) también están presentes en el exterior de las paredes celulares de Archaea y Bacteria.

Las bacterias se dividen en dos grupos principales: Gram positivas y Gram negativo , según su reacción a la tinción de Gram. Tenga en cuenta que todas las bacterias grampositivas pertenecen a un filo de bacterias en los otros filos (proteobacterias, clamidias, espiroquetas, cianobacterias y otras) son gramnegativas. El método de tinción de Gram lleva el nombre de su inventor, el científico danés Hans Christian Gram (1853-1938). Las diferentes respuestas bacterianas al procedimiento de tinción se deben en última instancia a la estructura de la pared celular. Los organismos grampositivos generalmente carecen de la membrana externa que se encuentra en los organismos gramnegativos. ((Figura)). Hasta el 90 por ciento de la pared celular de las bacterias grampositivas está compuesta de peptidoglicano y la mayor parte del resto está compuesto por sustancias ácidas llamadas ácidos teicoicos. Los ácidos teicoicos pueden unirse covalentemente a los lípidos en la membrana plasmática para formar ácidos lipoteicoicos. Los ácidos lipoteicoicos anclan la pared celular a la membrana celular. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular relativamente delgada compuesta por unas pocas capas de peptidoglicano (solo el 10 por ciento de la pared celular total), rodeadas por una envoltura externa que contiene lipopolisacáridos (LPS) y lipoproteínas. Esta envoltura externa a veces se denomina segunda bicapa lipídica. Sin embargo, la química de esta envoltura externa es muy diferente de la de la típica bicapa lipídica que forma las membranas plasmáticas.


¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?

  1. Las bacterias grampositivas tienen una única pared celular anclada a la membrana celular por el ácido lipoteicoico.
  2. Las porinas permiten la entrada de sustancias en bacterias Gram positivas y Gram negativas.
  3. La pared celular de las bacterias Gram negativas es gruesa y la pared celular de las bacterias Gram positivas es delgada.
  4. Las bacterias gramnegativas tienen una pared celular formada por peptidoglicano, mientras que las bacterias grampositivas tienen una pared celular formada por ácido lipoteicoico.

Las paredes de las células arcaicas no tienen peptidoglicano. Hay cuatro tipos diferentes de paredes de células arqueas. Un tipo está compuesto por pseudopeptidoglicano, que es similar al peptidoglicano en morfología pero contiene diferentes azúcares en la cadena de polisacáridos. Los otros tres tipos de paredes celulares están compuestos por polisacáridos, glicoproteínas o proteína pura. Otras diferencias entre Bacteria y Archaea se ven en la (Figura). Tenga en cuenta que las características relacionadas con la replicación, transcripción y traducción del ADN en Archaea son similares a las observadas en eucariotas.

Diferencias y similitudes entre bacterias y arqueas
Característica estructural Bacterias Arqueas
Tipo de célula Procariota Procariota
Morfología celular Variable Variable
Pared celular Contiene peptidoglicano No contiene peptidoglicano
Tipo de membrana celular Bicapa lipídica Bicapa lipídica o monocapa lipídica
Lípidos de la membrana plasmática Ácidos grasos-éster de glicerol Éteres de fitanil-glicerol
Cromosoma Normalmente circular Normalmente circular
Orígenes de la replicación Soltero Múltiple
Polimerasa de ARN Soltero Múltiple
ARNt iniciador Formil-metionina Metionina
Inhibición de estreptomicina Sensible Resistente
ciclo de Calvin No

Reproducción

La reproducción en procariotas es asexual y suele tener lugar por fisión binaria. (Recuerde que el ADN de un procariota es un cromosoma circular único). En cambio, los procariotas no sufren mitosis, el cromosoma se replica y las dos copias resultantes se separan entre sí, debido al crecimiento de la célula. El procariota, ahora agrandado, se pellizca hacia adentro en su ecuador y las dos células resultantes, que son clones, por separado. La fisión binaria no brinda una oportunidad para la recombinación genética o la diversidad genética, pero los procariotas pueden compartir genes mediante otros tres mecanismos.

En la transformación, el procariota toma el ADN desprendido por otros procariotas en su entorno. Si una bacteria no patógena toma el ADN de un gen de toxina de un patógeno e incorpora el nuevo ADN en su propio cromosoma, también puede volverse patógena. En la transducción, los bacteriófagos, los virus que infectan a las bacterias, pueden mover pequeños fragmentos de ADN cromosómico de una bacteria a otra. La transducción da como resultado una organismo recombinante. Las arqueas también tienen virus que pueden trasladar material genético de un individuo a otro. En conjugación, el ADN se transfiere de un procariota a otro por medio de un pilus, que pone a los organismos en contacto entre sí y proporciona un canal para la transferencia de ADN. El ADN transferido puede estar en forma de plásmido o como una molécula compuesta, que contiene ADN plásmido y cromosómico. Estos tres procesos de intercambio de ADN se muestran en la (Figura).

La reproducción puede ser muy rápida: unos minutos para algunas especies. Este corto tiempo de generación, junto con los mecanismos de recombinación genética y las altas tasas de mutación, dan como resultado la rápida evolución de los procariotas, lo que les permite responder a los cambios ambientales (como la introducción de un antibiótico) muy rápidamente.


La evolución de los procariotas ¿Cómo responden los científicos a las preguntas sobre la evolución de los procariotas? A diferencia de los animales, los artefactos en el registro fósil de procariotas ofrecen muy poca información. Los fósiles de procariotas antiguos parecen pequeñas burbujas en la roca. Algunos científicos recurren a la genética y al principio del reloj molecular, que sostiene que cuanto más recientemente han divergido dos especies, más similares serán sus genes (y por tanto sus proteínas). Por el contrario, las especies que divergieron hace mucho tiempo tendrán más genes que sean diferentes.

Científicos del Instituto de Astrobiología de la NASA y del Laboratorio Europeo de Biología Molecular colaboraron para analizar la evolución molecular de 32 proteínas específicas comunes a 72 especies de procariotas. 1 El modelo que derivaron de sus datos indica que tres grupos importantes de bacterias: Actinobacteria, Deinococcus, y cianobacterias (llamadas colectivamente Terrabacterias por los autores), fueron los primeros en colonizar la tierra. Las actinobacterias son un grupo de bacterias grampositivas muy comunes que producen estructuras ramificadas como micelios fúngicos e incluyen especies importantes en la descomposición de desechos orgánicos. Recordarás que Deinococcus es un género de bacteria altamente resistente a las radiaciones ionizantes. Tiene una capa gruesa de peptidoglicano además de una segunda membrana externa, por lo que tiene características de bacterias Gram-positivas y Gram-negativas.

Las cianobacterias son fotosintetizadoras y probablemente fueron responsables de la producción de oxígeno en la tierra antigua. Las líneas de tiempo de divergencia sugieren que las bacterias (miembros del dominio Bacteria) se separaron de las especies ancestrales comunes hace entre 2.5 y 3.2 mil millones de años, mientras que las Archaea divergieron antes: entre 3.1 y 4.1 mil millones de años. Eukarya más tarde se apartó de la línea arcaica. El trabajo sugiere además que los estromatolitos que se formaron antes del advenimiento de las cianobacterias (hace unos 2.600 millones de años) se fotosintetizaron en un ambiente anóxico y que debido a las modificaciones de las Terrabacterias para la tierra (resistencia al secado y la posesión de compuestos que protegen al organismo) del exceso de luz), la fotosíntesis que utiliza oxígeno puede estar estrechamente relacionada con las adaptaciones para sobrevivir en la tierra.

Resumen de la sección

Los procariotas (dominios Archaea y Bacteria) son organismos unicelulares que carecen de núcleo. Tienen una sola pieza de ADN circular en el área nucleoide de la célula. La mayoría de los procariotas tienen una pared celular que se encuentra fuera del límite de la membrana plasmática. Algunos procariotas pueden tener estructuras adicionales como una cápsula, flagelos y pili. Las bacterias y las arqueas se diferencian por la composición lipídica de sus membranas celulares y las características de la pared celular. En las membranas de las arqueas, las unidades de fitonilo, en lugar de los ácidos grasos, están ligadas al glicerol. Algunas membranas de arqueas son monocapas de lípidos en lugar de bicapas.

La pared celular se encuentra fuera de la membrana celular y previene la lisis osmótica. La composición química de las paredes celulares varía entre especies. Las paredes de las células bacterianas contienen peptidoglicano. Las paredes celulares de las arqueas no tienen peptidoglicano, pero pueden tener pseudopeptidoglicano, polisacáridos, glicoproteínas o paredes celulares a base de proteínas. Las bacterias se pueden dividir en dos grupos principales: Gram positivas y Gram negativas, según la reacción de tinción de Gram. Los organismos grampositivos tienen una capa gruesa de peptidoglicano fortificada con ácidos teicoicos. Los organismos gramnegativos tienen una pared celular delgada y una envoltura externa que contiene lipopolisacáridos y lipoproteínas.

Los procariotas pueden transferir ADN de una célula a otra mediante tres mecanismos: transformación (captación de ADN ambiental), transducción (transferencia de ADN genómico a través de virus) y conjugación (transferencia de ADN por contacto celular directo).


Procariota

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Procariota, también deletreado procariota, cualquier organismo que carece de un núcleo diferenciado y otros orgánulos debido a la ausencia de membranas internas. Las bacterias se encuentran entre los organismos procariotas más conocidos. La falta de membranas internas en los procariotas los distingue de los eucariotas. La membrana de las células procariotas está formada por fosfolípidos y constituye la barrera osmótica primaria de la célula. El citoplasma contiene ribosomas, que llevan a cabo la síntesis de proteínas, y un cromosoma de ácido desoxirribonucleico (ADN) bicatenario, que suele ser circular. Muchos procariotas también contienen moléculas de ADN circulares adicionales llamadas plásmidos, con funciones celulares adicionales prescindibles, como proteínas codificantes para inactivar antibióticos. Algunos procariotas tienen flagelos. Los flagelos procariotas son distintos en diseño y movimiento de los flagelos que se encuentran en algunos eucariotas. Ver también bacterias eucariotas.


El papel de los procariotas en los ecosistemas

Los procariotas juegan un papel vital en el movimiento del dióxido de carbono y el nitrógeno en los ciclos del carbono y el nitrógeno.

Objetivos de aprendizaje

Dar ejemplos de los roles beneficiosos que desempeñan los procariotas en diferentes ecosistemas.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • El carbono y el nitrógeno son macronutrientes necesarios para la vida en la tierra. Los procariotas juegan un papel vital en sus ciclos.
  • El ciclo del carbono es mantenido por procariotas que eliminan el dióxido de carbono y lo devuelven a la atmósfera.
  • Los procariotas juegan un papel importante en el ciclo del nitrógeno al fijar el nitrógeno atomsférico en amoníaco que las plantas pueden usar y al convertir el amoníaco en otras formas de fuentes de nitrógeno.

Términos clave

  • Ciclo del carbono: el ciclo físico del carbono a través de la biosfera, geosfera, hidrosfera y atmósfera de la tierra, que incluye procesos como la fotosíntesis, la descomposición, la respiración y la carbonificación.
  • ciclo del nitrógeno: la circulación natural de nitrógeno, en la que el nitrógeno atmosférico se convierte en óxidos de nitrógeno y se deposita en el suelo, donde los organismos lo utilizan o se descompone nuevamente en nitrógeno elemental
  • fijación de nitrogeno: la conversión de nitrógeno atmosférico en amoníaco y derivados orgánicos, por medios naturales, especialmente por microorganismos en el suelo, en una forma que pueda ser asimilada por las plantas.

Papel de los procariotas en los ecosistemas

Los procariotas son ubicuos: no hay nicho o ecosistema en el que no estén presentes. Los procariotas desempeñan muchas funciones en los entornos que ocupan, pero las funciones que desempeñan en los ciclos del carbono y el nitrógeno son vitales para la vida en la tierra.

Procariotas y el ciclo del carbono

El carbono es uno de los macronutrientes más importantes. Los procariotas juegan un papel importante en el ciclo del carbono. El carbono circula a través de los principales reservorios de la tierra: tierra, atmósfera, ambientes acuáticos, sedimentos y rocas, y biomasa. El movimiento del carbono se realiza a través del dióxido de carbono, que es eliminado de la atmósfera por las plantas terrestres y los procariotas marinos y regresa a la atmósfera a través de la respiración de organismos quimioorganotróficos, incluidos los procariotas, hongos y animales. Aunque el depósito de carbono más grande en los ecosistemas terrestres se encuentra en rocas y sedimentos, ese carbono no está fácilmente disponible.

Ciclo del carbono: Los procariotas juegan un papel importante en el movimiento continuo del carbono a través de la biosfera.

Una gran cantidad de carbono disponible se encuentra en las plantas terrestres, que son productoras que utilizan dióxido de carbono del aire para sintetizar compuestos de carbono. En relación con esto, una fuente muy importante de compuestos de carbono es el humus, que es una mezcla de materiales orgánicos de plantas muertas y procariotas que han resistido la descomposición. Los consumidores, como los animales, utilizan compuestos orgánicos generados por los productores, que liberan dióxido de carbono a la atmósfera. Luego, las bacterias y los hongos, denominados colectivamente descomponedores, llevan a cabo la descomposición de plantas y animales y sus compuestos orgánicos. El contribuyente más importante de dióxido de carbono a la atmósfera es la descomposición microbiana de material muerto (animales, plantas y humus muertos).

En ambientes acuosos y sus sedimentos anóxicos, se está produciendo otro ciclo del carbono. En este caso, el ciclo se basa en compuestos de un carbono. En sedimentos anóxicos, los procariotas, principalmente arqueas, producen metano (CH4). Este metano se mueve hacia la zona por encima del sedimento, que es más rico en oxígeno y soporta bacterias llamadas oxidantes de metano que oxidan el metano en dióxido de carbono, que luego regresa a la atmósfera.

Procariotas y el ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es un elemento muy importante para la vida porque forma parte de las proteínas y los ácidos nucleicos. Como macronutriente en la naturaleza, se recicla de compuestos orgánicos a amoníaco, iones de amonio, nitrato, nitrito y gas nitrógeno mediante innumerables procesos, muchos de los cuales son llevados a cabo únicamente por procariotas, que son clave para el ciclo del nitrógeno. La mayor reserva de nitrógeno disponible en el ecosistema terrestre es el nitrógeno gaseoso del aire, pero este nitrógeno no lo pueden utilizar las plantas, que son los principales productores. El nitrógeno gaseoso se transforma, o & # 8220 fija, & # 8221 en formas más fácilmente disponibles, como el amoníaco, mediante el proceso de fijación de nitrógeno por medios naturales, especialmente por microorganismos (prokayotes) en el suelo. Las plantas pueden utilizar el amoníaco o convertirlo en otras formas.

Ciclo del nitrógeno: Los procariotas juegan un papel clave en el ciclo del nitrógeno.

Otra fuente de amoníaco es la amonificación, el proceso mediante el cual se libera amoníaco durante la descomposición de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno. El amoníaco liberado a la atmósfera, sin embargo, representa solo el 15 por ciento del nitrógeno total liberado, el resto es como N2 y N2El amoníaco es catabolizado anaeróbicamente por algunos procariotas, produciendo N2 como producto final. La nitrificación es la conversión de amonio en nitrito y nitrato. La nitrificación en suelos es realizada por bacterias pertenecientes al género Nitrosomas, Nitrobacter, y Nitrospira. Las bacterias realizan el proceso inverso, la reducción de nitrato de los suelos a compuestos gaseosos como el N2O, NO y N2, un proceso llamado desnitrificación.


Conexión de arte

Se forma una horquilla de replicación cuando la helicasa separa las hebras de ADN en el origen de la replicación. El ADN tiende a enrollarse más por delante de la bifurcación de replicación. La topoisomerasa rompe y reforma la columna vertebral de fosfato del ADN antes de la horquilla de replicación, aliviando así la presión que resulta de este "superenrollamiento". Las proteínas de unión de una sola hebra se unen al ADN de una sola hebra para evitar que se vuelva a formar la hélice. Primase sintetiza un cebador de ARN. La ADN polimerasa III utiliza este cebador para sintetizar la cadena de ADN hija. En la cadena principal, el ADN se sintetiza continuamente, mientras que en la cadena rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos llamados fragmentos de Okazaki. La ADN polimerasa I reemplaza el cebador de ARN con ADN. La ADN ligasa sella los espacios entre los fragmentos de Okazaki, uniendo los fragmentos en una sola molécula de ADN. (crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

Pregunta: Aísla una cepa celular en la que se altera la unión de los fragmentos de Okazaki y sospecha que se ha producido una mutación en una enzima que se encuentra en la bifurcación de replicación. ¿Qué enzima es más probable que sufra una mutación?

La horquilla de replicación se mueve a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo. La topoisomerasa evita el enrollamiento excesivo de la doble hélice del ADN por delante de la horquilla de replicación a medida que el ADN se abre; lo hace provocando cortes temporales en la hélice del ADN y luego volviéndolo a sellar. Debido a que la ADN polimerasa solo puede extenderse en la dirección 5 'a 3', y debido a que la doble hélice del ADN es antiparalelo, hay un pequeño problema en la bifurcación de replicación. Las dos hebras de ADN molde tienen orientaciones opuestas: una hebra está en la dirección de 5 'a 3' y la otra está orientada en la dirección de 3 'a 5'. Solo una nueva hebra de ADN, la que es complementaria a la hebra de ADN parental 3 'a 5', puede sintetizarse continuamente hacia la bifurcación de replicación. Esta hebra sintetizada continuamente se conoce como la hebra principal. La otra hebra, complementaria al ADN parental 5 'a 3', se extiende lejos de la horquilla de replicación, en pequeños fragmentos conocidos como Fragmentos de Okazaki, cada uno de los cuales requiere un cebador para iniciar la síntesis. Los nuevos segmentos de imprimación se colocan en la dirección de la horquilla de replicación, pero cada uno apunta en dirección opuesta. (Los fragmentos de Okazaki llevan el nombre del científico japonés que los descubrió por primera vez. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como la hebra rezagada).

Una vez que el cromosoma se ha replicado por completo, las dos copias de ADN se mueven a dos células diferentes durante la división celular.

El proceso de replicación del ADN se puede resumir de la siguiente manera:

  1. El ADN se desenrolla en el origen de la replicación.
  2. La helicasa abre las horquillas de replicación que forman el ADN que se extienden bidireccionalmente.
  3. Las proteínas de unión de una sola hebra recubren el ADN alrededor de la horquilla de replicación para evitar el rebobinado del ADN.
  4. La topoisomerasa se une en la región por delante de la horquilla de replicación para evitar el superenrollamiento.
  5. La primasa sintetiza cebadores de ARN complementarios a la hebra de ADN.
  6. La ADN polimerasa III comienza a agregar nucleótidos al extremo 3'-OH del cebador.
  7. Continúa el alargamiento tanto de la hebra retrasada como de la delantera.
  8. Los cebadores de ARN se eliminan mediante la actividad exonucleasa.
  9. Los huecos se rellenan con ADN pol I añadiendo dNTP.
  10. La brecha entre los dos fragmentos de ADN está sellada por ADN ligasa, que ayuda en la formación de enlaces fosfodiéster.

La tabla resume las enzimas involucradas en la replicación del ADN procariótico y las funciones de cada una.

Replicación del ADN procariótico: enzimas y su función
Enzima / ProteínaFunción específica
ADN pol IElimina el cebador de ARN y lo reemplaza con ADN recién sintetizado
ADN pol IIIEnzima principal que agrega nucleótidos en la dirección 5'-3 '
HelicasaAbre la hélice del ADN rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
LigaseSella los espacios entre los fragmentos de Okazaki para crear una hebra continua de ADN
PrimaseSintetiza los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación.
Pinza deslizanteAyuda a mantener la ADN polimerasa en su lugar cuando se agregan nucleótidos
TopoisomerasaAyuda a aliviar la tensión en el ADN cuando se desenrolla al causar roturas y luego volver a sellar el ADN.
Proteínas de unión de una sola hebra (SSB)Se une al ADN monocatenario para evitar que el ADN se rebobine.


Células procariotas

La Tierra se formó hace 4.500 millones de años y en la Tierra surgió la primera forma de vida en forma de células procariotas. Estas criaturas unicelulares son primordiales y son bloques de construcción de organismos multicelulares. Se supone que la vida se originó en los océanos, razón por la cual los embriones de animales terrestres y aéreos todavía tienen hendiduras branquiales en algunas fases de su desarrollo ontogénico. Se necesitaron 3 millones de años para que existiera la primera célula en la tierra. Las células procariotas son extremadamente simples en su estructura. Si dividimos la palabra "PROKARYOT", obtenemos dos palabras: Pro, que significa Primitivo y Karyon, que significa núcleo. Las células procariotas no son tan complejas como las estructuras eucariotas. No tenían un núcleo verdadero y el material genético estaba suspendido en el citoplasma llamado nucleoide. Ejemplo & # 8211 bacterias.

Estructura de la célula procariota:

Envoltura celular:

La envoltura celular es la cubierta exterior de la célula y le da forma y protege los orgánulos celulares. Consta de las siguientes 3 capas:

Se encuentra en algunas de las células bacterianas y se compone principalmente de macromoléculas. Protege el contenido de la célula y tiene dos formas: la cápsula y la capa de limo. La cápsula es gruesa, fuerte y proporciona soporte mecánico a la celda. Es de naturaleza inmunogénica. Y debido a su piel gruesa, a veces ponen de los nervios a las personas. No literalmente, pero esta cápsula es tan fuerte que puede resistir el ataque de los glóbulos blancos. Continuando, la cápsula es una capa formada por la reunión firme de polisacáridos que es un carácter distintivo entre la cápsula y la capa de limo. La capa de limo también se conoce como vaina suelta porque aquí las moléculas de glicoproteína están dispuestas de forma suelta. Esta capa ayuda a mantener la humedad en la celda.

La pared celular normalmente está ausente en las células procariotas. Sin embargo, si está presente, está compuesto por polipéptidoglicanos. Los peptidoglicanos solo se encuentran en las paredes celulares de las bacterias. Ayuda en el mantenimiento de la forma y en la ósmosis y el transporte de nutrientes dentro y fuera de las células. Peptidoglycans are alternating units of N- acetylglucosamine and N- acetylmuramic acid. They help in the transportation process, for certain nutrients, these bacteria have to use another way. If the nutrients are too large to be taken inside through the pores, certain enzymes are used. These enzymes convert the nutrients into smaller or simpler substances that can be easily taken in by the cell. And the cytoplasm is responsible for the secretion of these ‘Exoenzymes’. However, certain bacteria do not have cell walls. These bacteria use certain proteins as a protective covering. And sometimes this helps in getting the antibiotics. Smart technology there!

Plasma Membrane:

The Plasma Membrane is the innermost covering and is made of amphipathic molecules. That means that these molecules have hydrophilic and hydrophobic ends. Most of these molecules are the proteins, lipids and cholesterols. Universally, The Fluid Mosaic Model has been accepted as a structure of the plasma membrane. This model represents the membrane to be like a sea of lipids with protein icebergs floating on it and in it. The proteins which are completely submerged as known as intrinsic proteins and the ones that are outside the lipid layers are known as the extrinsic proteins. Some protein passes through the lipid layers and they are known as tunnel proteins. Their positions affect their solubility in the lipids. This shall be discussed later. Thus based on the plasma membrane’s mosaic-like structure, Seymour Jonathan Singer and Garth L. Nicolson put forth the FLUID MOSAIC MODEL in the year 1972. The plasma membrane is extremely important for all the life forms. It not only separates the contents but also helps in the exchange of materials and helps in the uptake of the nutrients that are essential to the cell. Numerous activities to take place in the cell membrane.

Prokaryotic cells are primitive cells and hence do not show well-defined membrane-bound organelles like the ones in the eukaryotic cells. But there are some membrane-bound organelles and these are mesosomes and certain pigment containing chromatophores.

These are formed by the invaginations of the plasma membrane or the cell membrane. Invaginations are nothing but certain infoldings. These mesosomes are mostly seen in the gram-negative bacteria and can be of the form of tubules, vesicles and lamellae.

They help to form the cell wall and increase its surface area. They especially help in respiration since the respiratory enzymes are associated with them. In eukaryotes, these enzymes are present in the mitochondria. Mesosomes also help in the replication of the DNA. There are two types of mesosomes. Septal: the ones which extend towards the centre of the cell. and Lateral: the ones that are peripheral.

Chromatophores:

The cyanobacteria like Nostoc and Anabaena have chromatophores consisting of the pigments that are necessary for photosynthesis.

The cytoplasm consists of water, enzymes, salts and other compounds. It is like a semi-liquid structure and does not show cytoplasmic streaming or cyclosis. It appears to be granular because of ribosomes and inclusion bodies.

Inclusion Bodies:

  • Organic Inclusion Bodies: These are phosphate granules, poly beta-hydroxybutyrate granules, carboxysomes, cyanophycean granules, glycogen, gas vacuoles and more. The gas vacuoles give buoyancy to the aquatic plants. This helps in the process of photosynthesis since the plants can trap sunlight from the atmosphere.
  • Inorganic inclusion Bodies: These are Phosphate and sulphur granules. They are known as metachromatic granules due to their ability to take various colours. The phosphate granules store phosphate. The sulphur granules are formed when H2 S is used as a hydrogen donor.

In prokaryotic cells, the ribosomes are of a 70S type. These have small 30S subunit and large 50S subunit. The small subunit consists of rRNA of 16s type and the large subunit have 23S and 5S type. Subunits are long RNA with proteins on them. And these subunits help in the protein synthesis by locking in together with each other. The main function of the ribosomes is as mentioned earlier, protein synthesis.

As the name prokaryotic suggests, a true nucleus is absent in these kinds of cells. The circular and double-stranded DNA is known as the genome. The histone proteins that are present in the eukaryotic cells are absent in the prokaryotes. The basic function of the histone proteins is to hold the DNA together and it affects the gene regulation. There are 11 types of histone proteins viz. H2A, H2B, H3K4, H3K9, H3K27, H3K36, H4K5, H4K8, H4K12, H4K16, H4K20, each having a different composition. The DNA is 1 micrometre long and is attached to the plasma membrane through the mesosomes. The DNA has 3000-4000 genes. A looped domain can be seen which is a structure formed by the tightly coiled structure of the DNA. This looped domain is held in position by RNA molecules.

The extrachromosomal, self-replicating units are known as plasmids. The plasmids are circular and have a double-stranded DNA. Plasmids serve as agents for gene transfer and hence are used in Recombinant DNA Technology as vectors or vehicles for carrying proteins. They have anti-biotic, metal and drug resistance. For bacterial fertility, episomes which are a type of plasmid are highly important. Episomes have a self-replication capacity.

Other Structures:

Flagellum, used for locomotion Pili, used in the mating process. Fimbrae, used for the clinging of the cells and Spinae, the appendages used by the cell for the adjustment to the external environmental conditions like temperature, pH, salinity, etc are some of the structure present in the Prokaryotic cells.


Structure of Prokaryotes

There are many differences between prokaryotic and eukaryotic cells. However, all cells have four common structures: the plasma membrane, which functions as a barrier for the cell and separates the cell from its environment the cytoplasm, a jelly-like substance inside the cell nucleic acids, the genetic material of the cell and ribosomes, where protein synthesis takes place. Prokaryotes come in various shapes, but many fall into three categories: cocci (spherical), bacilli (rod-shaped), and spirilli (spiral-shaped) (Figure).

Prokaryotes fall into three basic categories based on their shape, visualized here using scanning electron microscopy: (a) cocci, or spherical (a pair is shown) (b) bacilli, or rod-shaped and (c) spirilli, or spiral-shaped. (credit a: modification of work by Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, CDC credit c: modification of work by Dr. David Cox scale-bar data from Matt Russell)


Ribosome Subunits

Ribosomes in prokaryotes are of a 70S type or contain two subunits. 30-S denote the smaller subunit, and 50-S represent the larger subunit. Ribosomal subunits are large nucleoprotein particles, which possess both ácido nucleico (RNA) and several proteinas. Generally, the molecular weight of ribosome is nearly 2.7×106 Daltons.

16S rRNA and 21 proteins together constitute the formation of the smaller subunit, i.e. 30-S subunit of the ribosome. Besides, 5S plus 23S rRNA and 31 proteins make up the larger subunit, i.e. 50S subunit of the ribosome.

Both the subunits then conjoin to configure a complete 70-S ribosome at the time of protein synthesis. The 70-S type of ribosomes are 25nm wide, and its number per bacterial cell is about 15,000 ribosomes.

Both 50-S and 30-S type of subunits possess three sites for the association of tRNA:

  • A: This term denotes the aminoacyl chain. It accepts the incoming aminoacylated tRNA.
  • PAG: This term denotes the peptidyl chain. It holds the tRNA with the nascent peptide chain.
  • mi: This term represents the exit site, and holds the deacylated tRNA.

As we know, ribosomes are the manufacturing units which ensures the synthesis of protein. Both the 30S and 50S subunit equally plays a fundamental role during the traducción de mRNA into protein. The 30S subunit performs a vital role in the association of anticodon site of the adapter tRNA molecule to the mRNA strand transcribed from the DNA.

It also regulates the base pairing of the mRNA codons and tRNA anticodons during the decoding process. Therefore, 30S subunit also accounts for the accuracy in the base-pairing during translation.

The 50S subunit performs a significant role in the binding of the acceptor arm of tRNA. Then, the tRNA initiates the polypeptide chain formation relative to the information provided in the mRNA. It pairs the incoming amino acid on A-site tRNA and the nascent peptide chain attached to the P-site tRNA.

The 3D structure of ribosome reveals that there are 1540 nucleotide piece of RNA and 21 polypeptide chains in the 30S ribosomal subunit. In 50S subunit of prokaryotic ribosomes, there are 2900 nucleotide piece of RNA and 31 polypeptide chains. Through the structure of the ribosome, one can analyse the binding sites for the ARNt, mRNA y algo antibioticos targeting the ribosomes.

Función

The individual role of the 30S and 50S subunit is explained below:

30S subunit: It provides the binding site for the incoming transcribed mRNA. Also, the smaller subunit of prokaryotic ribosome ensures specific base-pairing between the codons and the anticodons on the mRNA and tRNA, respectively.

50S subunit: The larger subunit of prokaryote mediates the peptide bond formation during the peptidyl transfer reaction. It also acts as the site of inhibition for many antibiotics, including macrolides, chloramphenicol, clindamycin, and the pleuromutilins.

Moreover, it prevents premature polypeptide hydrolysis. It also functions as a region, to which G-protein factors can bind that regulates initiation, elongation, and termination. Besides this, 50S subunit also helps in the protein folding after the translation. The 50S subunit possesses a peptidyl-transferase activity site, which forms the peptide bond.

Significance

The ribosomes are large RNA-protein complex, and it plays a crucial role in the study of RNA, proteins and antibiotic interaction. Through the structure of the ribosome, we can study the RNA structure and its interactions with proteins. Muchos antibioticos interact with the ribosomes to inhibit the process of translation.

Hence, the role of antibiotics targeting ribosomes can also be studied for medical reasons. The primary function of a ribosome is to facilitate the binding of mRNA with tRNA during traducción or protein synthesis. Proteins being basic building blocks of all the living cells, so its synthesis is necesario.


Ver el vídeo: La CÉLULA PROCARIOTA - Sus partes, organelos celulares, características y funcionamiento (Julio 2022).


Comentarios:

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