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Procariotas

Los organismos procariotas son sin duda los más numerosos de entre todos los seres vivos. Del mismo modo, también son en general los más simples, y los biólogos sustentan que recuerdan cercanamente a los primeros organismos que evolucionaron sobre La Tierra. Tan pequeños que no pueden verse a simple vista, constituyen formas de vida esenciales para la existencia del resto de los organismos vivientes en los ecosistemas, al ser estos los que capturan el nitrógeno de la atmósfera, descomponen la materia orgánica a fin de incorporarla de nuevo al ciclo de la vida, y hacen fotosíntesis en muchas comunidades acuáticas, capturando del sol la energía básica para el sostenimiento de la vida en tales comunidades. Gran parte del oxígeno contenido en la atmósfera ha sido producto del trabajo de los procariotas fotosintéticos a lo largo de la historia del planeta.

Se han descrito más de 5000 tipos diferentes de procariotas y no existe duda alguna que muchos miles más están esperando por su identificación, ya que en en cualquier lugar donde los microbiologistas indagan encuentran nuevos tipos de estos diminutos seres. Los procariotas están presentes en todas partes, viven donde pueden hacerlo los eucariotas pero además en otros muchos lugares en los que ningún otro tipo de organismos puede vivir. Hay procariotas viviendo en los manantiales de aguas calientes a temperaturas irresistibles para otros organismos; no faltan procariotas vivientes en las aguas con alta salinidad que pueden deshidratar a otras células; también proliferan en ambientes ricos en gases tóxicos para el resto de los organismos, como el metano o el sulfuro de hidrógeno. Esta existencia en ambientes tan severos, que bien podrían ser semejantes al los del planeta mucho tiempo atrás cuando la vida surgió, hace pensar a los biólogos que los procariotas evolucionaron conservando la habilidad para utilizar estos ambientes hasta hoy en día, aunque el resto de la atmósfera fue cambiando.

La forma de los procariotas es en general simple y pueden clasificares en tres grupos:

Figura 1
Figura 1. Estrutura de una célula procariota.

1.- Bacilos: que tienen formas rectas semejantes a barras. Algunos tipos pueden formar asociaciones entre células, colonias, adheridas extremo con extremo una vez divididas, formando cadenas.

2.- Cocos: de forma aproximadamente esférica. Del mismo modo que los bacilos pueden formar colonias.

3.- Espiroquetas: alargados en forma de espiral. Generalmente no forman asociaciones con otras células y nadan individualmente en el entorno. Se mueven con el uso de un complejo sistema de estructuras dentro de las paredes que les permiten girar e impulsarse debido a su forma en espiral, digamos que se "enroscan" en el fluido donde viven.

Diferencias entre procariotas y eucariotas

Existen diferencias notables en muchos aspectos entre ambos tipos de organismos y estas diferencias representan los elementos básicos que permiten separarlos en dos reinos distintos.

1.- Unicelularidad: Aunque en ciertos tipos de procariotas las células individuales se adhieren unas a otras para formar una matriz filamentosa, cada una de las células del conjunto retiene su individualidad, de modo que puede decirse que todos los procariotas son en principio unicelulares. Las cianobacterias? representan un caso particular de formación de asociaciones pero sus citoplasmas no están directamente comunicados, como sucede a menudo en la multicelularidad de los eucariotas.

2.- Tamaño de la célula: Las dimensiones de las diferentes células procariotas varían mucho, con algunas que pueden ser hasta cinco veces más grandes que las otras. Sin embargo, la mayoría de las células procariotas están en el orden de 1 micrómetro o menos en diámetro mientras que por su parte las células eucariotas usualmente tienen 10 veces esa dimensión.

3.- Compartimentación interna: Las células procariotas no tienen el interior compartimentado como sucede con las células eucariotas, en las que existen sistemas de membranas interiores, diferentes orgánulos con funciones definidas y un núcleo. Los únicos orgánulos de las células procariotas son los ribosomas. De igual forma, en las células eucariotas las enzimas que llevan a cabo la respiración están contenidas en las mitocondrias, mientras que en las procariotas están adheridas a la membrana de la célula.

4.- Cromosomas: El núcleo de la célula contiene los cromosomas, secciones del ADN que codifican tanto para los ácidos nucleicos como para las proteínas. Como las células procariotas no tienen un núcleo rodeado por membrana, tampoco tienen los cromosomas de la misma forma que los eucariotas formando complejos estructurales junto a proteínas; en los procariotas, el ADN está desnudo y forma una cadena cerrada (véalo en la figura 1 arriba) localizada en una zona de citoplasma llamada nucleoide.

5.- División celular: La división de la célula en los procariotas se produce principalmente por división simple de la célula en dos, mientras en los eucariotas la división celular se realiza por mitosis, la que incluye la utilización de haces de microtúbulos que trasladan cromosomas a los polos de la célula durante de la división.

6.- Recombinación genética:?. Por su parte, los procariotas se reproducen asexualmente y el intercambio de material genético, aunque puede existir, se hace a través de mecanismos que están lejos de ser tan acentuados como los de los eucariotas, ni  tampoco involucran la participación equitativa de los individuos en el aporte del material genético.

7.- Flagelos: Ambos tipos de células pueden presentar flagelos, pero estos en los procariotas son simples en estructura, básicamente una larga fibra simple de la proteína flagelina, mientras los flagelos y los cilios de los eucariotas tienen la llamada estructura 9 + 2 de microtúbulos que es notablemente más compleja. Funcionalmente también son diferentes, el flagelo procariota gira y funciona como una hélice impulsora, mientras que el eucariota se mueve de forma ondulatoria para proveer la impulsión.

8.- Metabolismo: En las células eucariotas solo existe un tipo de fotosíntesis que libera oxígeno. En los procariotas fotosintéticos existen varios tipos de fotosíntesis, tanto anaeróbica como aeróbica, e involucran la liberación como productos finales de azufre, sulfatos, y oxígeno. También existen células procariotas quimioautotróficas, capaces de utilizar la energía contenida en los enlaces de moléculas inorgánicas para sintetizar carbohidratos, este último proceso metabólico no lo realizan los eucariotas.

La reproducción sexual verdadera sucede solo en los eucariotas, durante la cual se alternan formas haploides y diploides en los procesos de meiosis y singamia (la unión de los gametos).

Tipos de procariotas

Los procariotas tomaron dos direcciones muy temprano en la historia de la vida en el planeta, las arqueobacterias y la bacterias. Ambos tipos de procariotas difieren entre ellos en cuanto a metabolismo y estructura tanto como lo hacen con los eucariotas, y por ello se han separado en dos dominios, Arcaea y Bacteria. El dominio Arcaea contiene a las arqueobacterias, denominadas así porque se pensó que eran "bacterias arcaicas", es decir, el grupo procariota más antiguo, sin embargo, hoy se sabe que este dominio no es en realidad más antiguo que el otro domino procariota. Las arqueobacterias se encontraron inicialmente en ambientes extremos que muy bien podían ser semejantes al entorno de La Tierra primitiva, de modo que fueron consideradas "sobrevivientes" llegados hasta hoy de los primeros seres vivos surgidos, no obstante, el uso de técnicas genéticas ha revelado que hay procariotas "arcaicos" viviendo en condiciones no extremas hoy en día. Por su parte, el domino Bacteria, también muy antiguo, incluye casi todas las especies de procariotas nombradas.

Diferencias entre arqueobacterias y bacterias.

Aunque son suficientemente similares en cuanto a la estructura celular general como para ser consideradas en el mismo reino procariota, varían considerablemente a nivel bioquímico y molecular. Sus diferencias más importantes se encuentran en:

1.- Membrana plasmática: Los tipos de lípidos utilizados para la bicapa que conforma la membrana plasmática son diferentes entre ambos tipos de procariotas, aunque la arquitectura general es la misma en ambos.

2.- Pared celular: Ambos tipos de procariotas típicamente tienen paredes celulares que cubren la membrana plasmática para darle mayor fortaleza a la célula. La pared celular de las bacterias está construida con complejos carbohidrato-proteína denominados peptidoglicano, los que se enlazan unos con otros para crear una red fuerte que le da a la pared celular bacterial mucha resistencia.

3.- Mecanismo de traducción de genes: Las proteínas ribosómicas así como la ARN polimerasa de las bacterias son distintas a las de los eucariotas, mientras que estas sustancias en las arqueobacterias son muy similares a las de los eucariotas.

4.- Arquitectura genética: No existen intrones? que interrumpan los genes en las bacterias, mientras en la arqueobacterias, al menos algunos genes los poseen.

La célula procariota más de cerca

Echemos un vistazo a algunas de las características de la célula procariota.

La parte periférica de la célula

En la zona exterior de las células procariotas pueden distinguirse tres estructuras:

1.- La pared celular: La pared celular resulta una estructura muy importante debido a que mantiene la forma de la célula al mismo tiempo que impide su expansión y ruptura. Usualmente está formada por peptidoglicano, una red de moléculas de polisacáridos entrecruzadas por polipéptidos. Existen dos formas estructurales principales de la pared celular: (1) en algunas bacterias el petidoglicano forma una capa gruesa y compleja que rodea externamente la célula, y esta red está interconectada por cadenas polipéptidas; y (2) en otras bacterias, una capa fina de peptidoglicano está emparedada entre dos membranas plasmáticas. La membrana externa contiene grandes moléculas de lipoposicacáridos, que son lípidos unidos a cadenas de polisacáridos. Estos dos tipos principales de bacterias se pueden identificar a través del teñido Gram, un proceso que da color la bacteria. Cuando el teñido Gram da color púrpura a la bacteria es porque tiene una capa   gruesa de peptidoglicano y se conoce como gram positiva; en caso de que tenga la capa de peptidoglicano más delgada (la forma más común) adquiere color rojo y es entonces gram negativa. En algunos tipos de bacterias existe además una capa adicional gelatinosa, la cápsula, rodeando la pared celular.

2.- El flagelo: Muchos tipo de procariotas tiene un "rabo" denominado flagelo que es una hebra delgada, rígida y helicoidal compuesto de la proteína flagelina, con entre 3 y 12 micrómetros de largo y solo entre 10 y 20 nanometros de grueso. El flajelo está anclado a la célula y gira como propulsor, empujando a la célula en el medio acuoso donde vive.

3.- Los pilis: Estas estructuras, semejantes a pelos aparecen en la superficie de algunos procariotas, son más cortas que el flagelo y con entre 7.5 y 10 nanometros de grueso. Las células usan los pilis para anclarse a los sustratos apropiados y para intercambiar material genético.

Ciertas células procariotas producen las llamadas endosporas en las que la célula forma una gruesa capa alrededor de su genoma incluyendo una pequeña porción del citoplasma que lo rodea. Las formación de tales endosporas se realiza en respuesta a condiciones empobrecidas en nutrientes del medio de vida, y le permite al organismo soportar el estrés que representan estas condiciones, especialmente el calor, por largo tiempo (desde décadas hasta siglos) y pueden germinar una vez restablecidas las condiciones adecuadas para formar nuevos individuos.

La parte interior de la célula

El interior de las células procariotas se caracteriza por la simplicidad, y en ellas no se observa la extensa compartimentación presente en las eucariotas. Sin embargo pueden tener las estructuras siguientes:

1.- Membranas internas: Muchos procariotas presentan dobleces hacia el interior (invaginación) de la membrana plasmática que sirven en la respiración o la fotosíntesis.

2.- Nucleolo: En los procariotas no existe una región cerrada por membrana, el núcleo, que contiene los cromosomas, en su lugar, los genes están codificados en un anillo cerrado de ADN ubicado en una zona de la célula denominada nucleolo. También muchos procariotas poseen pequeños anillos de ADN independientes del ADN principal llamados plásmidos. Los plásmidos están formados por solo unos pocos genes y generalmente no son necesarios para la supervivencia de la célula.

3.- Ribosomas: Los ribosomas procariotas son más pequeños que los eucariotas y se diferencian de estos en el contenido de proteínas y ARN.

Metabolismo

Son diversos los mecanismos que los procariotas han desarrollado para obtener la energía que necesitan para las funciones vitales.

1.- Muchos son autótrofos, es decir, aquellos que consiguen el carbono partiendo del CO2 inorgánico, y de estos, los que obtienen la energía de la luz solar se denominan fotoautótrofos, mientras que los que lo hacen partiendo de sustancias químicas inorgánicas se les llama quemioautótrofos.

2.- Otros son heterótrofos, es decir, organismos que obtienen al menos una parte del carbono de moléculas orgánicas como la glucosa. De la misma forma que antes, si la energía la obtienen de la luz solar son fotoheterótrofos, pero si lo hacen de moléculas inorgánicas entonces son quemioheterótrofos.

Cambios genéticos.

Los procariotas son organismos que se multiplican muy rápido, y esta situación implica, que los cambios genéticos producidos en un individuo se  propaguen pronto en la población. Son dos los procesos que producen variaciones en las poblaciones de procariotas: las mutaciones; y la recombinación genética.

Mutaciones

Las mutaciones pueden producirse espontáneamente en las bacterias como resultado de errores en la réplica del ADN, aunque ciertos factores incrementan la posibilidad de su ocurrencia. Entre estos factores están: las radiaciones; la luz ultravioleta; y diferentes sustancias químicas. Una bacteria típica puede tener varios miles de genes y es muy probable que alguna mutación pueda suceder al azar, digamos cada uno o dos millones de copias de la bacteria. Como la cantidad de bacterias es enorme, por ejemplo, en un puñado de tierra pueden haber mil millones de bacterias, entonces la posibilidad de que en tal cantidad de tierra se produzcan organismos con mutación en cada proceso de duplicación es bastante alta, las leyes de las probabilidades establecen que en un puñado de tierra pueden haber sobre 5 millones de individuos mutantes. Si agregamos a esto que la población de una bacteria típica puede duplicarse cada 20 minutos si tiene suficientes suministro de nutrientes, entonces las mutaciones pueden propagarse rápidamente y modificar las características de toda la población.

La habilidad de los procariotas de cambiar muy rápido explica su capacidad de adaptarse a nuevos retos, y esto último es clave en situaciones a la que se enfrenta la medicina a menudo. Es frecuente en los hospitales la permanencia de cepas de bacterias resistentes a los antibióticos comunes, por ejemplo, un número de cepas de la bacteria Staphilococcus aureus, asociada con infecciones severas en pacientes hospitalizados se ha propagado, algunas de ellas con frecuencia alarmante, y resulta inefectivo su tratamiento con muchos antibióticos.

Recombinación genética

Esta segunda vía de cambio genético en los procariotas ocurre cuando se transfieren genes de una célula a otra por virus o a través de la conjugación (el tema se ha tratado en el artículo Transferencia de genes).

Perjuicios y beneficios de los procariotas.

Son muchas las esferas de la vida en las que los organismos procariotas interactúan con el hombre, y en este sentido un número importante de enfermedades humanas son responsabilidad de los procariotas. Al mismo tiempo, ellos también pueden hacer importantes contribuciones a los ecosistemas.

Enfermedades humanas bacteriales.

La tabla 1 a continuación muestra de manera resumida algunas características de las enfermedades humanas más importantes producidas por bacterias.

Tabla 1. Importantes enfermedades bacteriales humanas.

Enfermedad
Patógeno
Vector/reservorio
Características epidemiológicas
Ántrax
Bacillus antracis
Animales, incluyendo
pieles procesadas
Se transmite por contacto o por ingestión. Puede ser fatal
Botulismo
Clostridium botulinum
Comidas mal preparadas
Se contrae por ingestión o el contacto con heridas. Puede ser fatal
Clamidia
Chlamydia trachomatis
Seres humanos
La C. trachomatis es un organismo parásito no móvil. Puede producir dolencias como el linfogranuloma venéreo?, la uretritis no gonocócica y la proctitis (inflamación del recto y el ano). La infección con clamidia genital puede conducir a complicaciones tales como: enfermedad pélvica inflamatoria, embarazo ectópico e infertilidad, provocadas por las infecciones no tratadas o a infecciones recurrentes (que se repiten).
Cólera
Vibrio cholerae
Heces humanas, planton
Se contrae por ingestión. Causa diarreas severas que pueden conducir a la muerte por deshidratación hasta en el 50% de los casos si no se tratan.
Caries dentales
Streptococcus
Seres humanos
Se mantienen grandes poblaciones sobre la superficie de los dientes.
Difteria
Corynebacterium diphtheriae
Seres humanos
Se propaga por contacto con seres humanos infectados. Produce inflamaciones agudas y lesiones en las membranas mucosas?.
Gonorrea
Neisseria gonorrhoeae
Solo seres humanos
Enfermedad de transmisión sexual. Usualmente no es fatal.
Lepra
Mycobacetriul leprae
Seres humanos y armadillos
salvajes
Se propaga por contacto con individuos infectados.
Enfermedad de Lyme
Borrelia burgdorferi
Garrapatas, ciervos, pequeños roedores
Se propaga por la picadura de garrapatas infectadas. A la lesión le sigue malestar, fiebre, fatiga, dolor, dolor de cabeza, y rigidez en el cuello.
Úlceras péptidas
Helicobacter pyroli
Seres humanos
Tradicionalmente se ha pensado que las úlceras péptidas eran producidas por la dieta o el estrés, pero ahora se piensa que las mayoría de las úlceras tienen como causa esta bacteria.
Peste
Yersinia pestis
Pulgas de los roedores salvajes como ratas y ardillas.
Ha sido una enfermedad de alto índice de mortalidad en el pasado, por ejemplo, mató la cuarta parte de la población de Europa en el siglo XIV.
Neumonía
Streptoccocus, Mycoplasma,
Chlamidia

Seres humanos
Infección aguda de los pulmones en la que se inflaman los pequeños sacos de aire de los pulmones (alveolos), los que pueden resultar llenos de líquido o pus. A menudo puede ser fatal si no se trata.
Sífilis
Treponema pallidum
Seres humanos
Se transmite durante el acto sexual o a través del contacto directo con una llaga sifilítica abierta. También puede transmitirse la bacteria de la madre al feto.
Tuberculosis
Mycobacterium tuberculosis
Seres humanos
La principal vía de la transmisión es la respiratoria, por inhalación de las microgotas de saliva contaminadas y eliminadas por el enfermo al toser, hablar, cantar o estornudar. Es por ello que la trasmisión ocurre fundamentalmente entre los contactos próximos, sean familiares o no.
Fiebre tifoidea
Salmonela typhi
Seres humanos
La infección se adquiere por el agua o los alimentos contaminados. Produce fiebre alta durante varios días, pueden ser frecuentes: la debilidad, el dolor abdominal, el estreñimiento y el dolor de cabeza. Puede ser fatal hasta en el 25% de los casos si no se trata.
Tifus
Rickettsia typhi
Piojos, pulgas de ratas,
seres humanos
Se transmite entre los seres humanos por las picaduras de piojos y pulgas. Puede ser fatal hasta en el 70% de los casos si no se trata.

Beneficios de los procariotas

La importancia de los procariotas es enorme como sostén del resto de la vida en el planeta. La vida en La Tierra depende directamente de la trayectoria cíclica de los elementos y sustancias químicas entre los organismos y el entorno, es decir, entre las partes biológicas y físicas de los ecosistemas, y en ese sentido los procariotas, así como los hongos, juegan un papel clave. Consideremos las dos rutas incluidas en el ciclo: (1) la toma de materiales del entorno físico para formar y sostener los organismos (fijación); y (2) la devolución al entorno de los materiales tomados (descomposición).

Descomposición:  Los diferentes átomos que constituyen los cuerpos de los organismos, incluyendo el nuestro, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, fósforo, azufre y otros, se han tomado del entorno a través de algún proceso, y cuando los organismos mueren, todos sin excepción retornan a él. En este proceso de "devolución" son los procariotas y los hongos los principales actores al llevar a cabo la parte de descomposición del ciclo químico liberando los átomos del cuerpo muerto al medio.

Fijación:  No menos importante rol de los procariotas es la fijación. Esta tarea ayuda a retornar los elementos químicos del entorno a los cuerpos vivos. La capacidad fotosintética de algunos procariotas es importante en el reciclado del carbono. La producción de compuestos por las plantas, las algas y los procariotas fotosintéticos partiendo del CO2 es un eslabón básico de la cadena alimentaria que da lugar a los cuerpos de todos los heterótrofos (no fotosintéticos) de los ecosistemas.

Igualmente es también crucial para la vida en La Tierra el rol que juegan los procariotas en el reciclado del nitrógeno. El nitrógeno en la atmósfera está en forma de una molécula gaseosa diatómica, N2, en esta molécula existen triples enlaces covalentes átomo-átomo que la hacen muy estable y solo los procariotas son capaces de dividir la molécula de nitrógeno en los átomos constitutivos y así poder hacerla reactiva para formar compuestos nitrogenados como el amoníaco, NH3, el que a su vez es la base para la elaboración de amino ácidos y otras moléculas que contienen nitrógeno. Cuando un cuerpo muere, otro grupos de procariotas, denominados desnitrificadores, devuelven el nitrógeno a la atmósfera para completar el ciclo.

Para la fijación del nitrógeno atmosférico los procariotas utilizan una enzima compleja llamada nitrogenasa que está codificada en un grupo de genes conocido como nif (de "nitrogen fixation" en inglés). Este complejo de genes nif aparece en el genoma de una amplia gama de procariotas naturales en su vida libre.

Beneficios simbióticos

Muchos procariotas viven estrechamente asociados con eucariotas, es decir, de forma simbiótica. La palabra simbiosis, proveniente del griego y que significa "vivir juntos", se refiere a la relación ecológica entre diferentes especies que viven en contacto mutuo directo. Existen tres formas de simbiosis, veamos:

1.- Mutualismo:  Un ejemplo de este tipo de simbiosis se puede ver en la asociación que existe entre las bacterias nitrificantes y las raíces de las plantas, aquí, ambas partes resultan beneficiadas; las bacterias suministran nitrógeno utilizable a la planta, y la planta proporciona a las bacterias los azúcares y otros nutrientes orgánicos. Otro lugar donde hay mutualismo es en el tracto digestivo de los animales, por ejemplo, en el tracto digestivo de vacas y otros rumiantes existen poblaciones de bacterias que producen la enzima celulasa necesaria para la digestión de la celulosa, componente mayoritario en las yerbas. Sin estas poblaciones bacterianas las vacas no pueden digerir la celulosa ya que su aparato digestivo no produce la enzima necesaria. Otro caso de mutualismo existe en nosotros mismos al contener en grandes colonias de bacterias en el intestino grueso que producen vitaminas que no podemos sintetizar como la B12 y la K.

2.- Comensalismo:  Es una forma de convivencia entre bacterias y otros animales y plantas en la que las primeras viven sobre la superficie de las segundas sin producirles daño. En esta simbiosis las bacterias reciben beneficios mientras que los animales y las plantas ni se benefician ni se perjudican.

3.- Parasitismo:  Es la forma de simbiosis en la que un organismo se beneficia mientras el otro se perjudica, por ejemplo, las bacterias que producen daños a plantas y animales, estas resultan beneficiadas a expensas de producir perjuicios al hospedero.

Finalmente debemos mencionar otros campos en los que los procariotas nos reportan beneficios, así tenemos que bacterias tratadas por ingeniería genética pueden convertirse en controladores de las poblaciones de insectos perjudiciales sin producir polución alguna, de la misma forma, la mayoría de la insulina necesaria para el control de la diabetes en los seres humanos se produce con bacterias modificadas genéticamente. Adicionalmente se generan por esta vía sustancias muy importantes como enzimas, vitaminas y antibióticos, así como acetona y alcohol entre otras. No se debe pasar por alto el impacto positivo que tienen ciertos tipos de estas bacterias en el tratamiento de las aguas del alcantarillado antes de desecharlas, y al de otros tipos modificados genéticamente para eliminar la contaminación con petro-productos en las playas y aguas costeras cuando se produce un derrame marino de estos materiales.



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