Curso de Microbiología General
de Enrique Iáñez
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CRECIMIENTO Y DIVISIÓN
CELULAR
SUMARIO:
1. INTRODUCCIÓN AL CRECIMIENTO
BACTERIANO
2. CICLO CELULAR
2.1. CICLO CELULAR EN FUNCIÓN DEL
TIEMPO DE GENERACIÓN
2.2. CONTROL DEL INICIO DE LA
REPLICACIÓN CROMOSÓMICA
2.3. RELACIONES ENTRE LA VELOCIDAD
DE CRECIMIENTO Y TAMAÑO CELULAR
2.4. SEGREGACIÓN DE CROMOSOMAS Y
PLÁSMIDOS
2.5. PRODUCTOS ANÓMALOS DE LA DIVISIÓN
CELULAR
3. MÉTODOS PARA EL ESTUDIO DEL
CRECIMIENTO A ESCALA INDIVIDUAL
BARRA DE EXPLORACIÓN: Microbiología General
[ Principal ] [ Arriba ] [ Concepto e historia de la Microbiología ] [ Los microorganismos en el mundo vivo ] [ La célula procariota ] [ Curso de Microbiología General ] [ Biosíntesis y crecimiento de la pared celular ] [ Membrana citoplasmática y transporte de nutrientes ] [ Inclusiones citoplasmáticas ] [ Cuerpos nucleares. El genóforo bacteriano ] [ Expresión genética y exportación de proteínas ] [ Flagelos, fimbrias, prostecas ] [ Endosporas y otras diferenciaciones ] [ Crecimiento y division celular ] [ Crecimiento de poblaciones bacterianas ] [ Metabolismo energético bacteriano ] [ Desinfectantes y antisépticos ] [ Quimioterápicos y antibióticos ] [ Resistencia bacteriana a los antibióticos ] [ Regulación genética en las bacterias ] [ Mutación y supresión en bacterias ] [ Recombinación ] [ Transformación ] [ Transducción ] [ Conjugación bacteriana ] [ BIBLIOGRAFÍA DE MICROBIOLOGÍA GENERAL ]
1. INTRODUCCIÓN AL
CRECIMIENTO BACTERIANO
Se suele definir el
crecimiento de cualquier sistema biológico como el incremento ordenado de todos los
elementos componentes de ese sistema, lo cual implica un aumento de la masa celular que
eventualmente conduce a la multiplicación celular. En organismos pluricelulares dicha
multiplicación se traduce en un aumento del tamaño del individuo, mientras que en
unicelulares lo que ocurre es un aumento de la población. El crecimiento bacteriano
podemos estudiarlo desde dos puntos de vista:
- A escala individual
- A escala poblacional
Los eventos de crecimiento en el ámbito individual hacen referencia al ciclo
celular, y dentro de éste podemos abordar los siguientes temas:
- inicio y transcurso de la
replicación cromosómica y de plásmidos (véase tema 9);
- segregación de cromosoma y
plásmidos a las células hijas;
- síntesis de nuevos materiales
de las envueltas, sobre todo de pared celular (tema 6);
- señales que coordinan la
replicación genómica con la división celular.
El estudio del crecimiento a nivel de poblaciones incluye los siguientes tópicos:
- cinética del crecimiento;
- factores que afectan al tiempo
de generación (g);
- factores ambientales que
limitan el crecimiento.
En el presente capítulo nos dedicaremos al estudio de algunos aspectos del ciclo
celular procariótico, incluyendo referencias a algunas técnicas de investigación
especiales. En el capítulo 14 nos centraremos en el
crecimiento de poblaciones (que es el más frecuentemente empleado al trabajar con
microorganismos), con una visión de los métodos para obtener crecimientos balanceados
así como conceptos sobre los medios de cultivo en laboratorio. La influencia de los
factores ambientales sobre el crecimiento son el objeto de los temas 17-20, una vez que
nos hayamos hecho una idea del metabolismo energético (cap. 15)
y de la nutrición bacteriana (cap. 16).
2. CICLO CELULAR
Los ciclos celulares se describen generalmente atendiendo a una serie de eventos
identificables que se van produciendo en una secuencia fija, de modo que para
que se produzca cada uno de ellos hace falta que se complete el anterior.
Los eventos clave son la fase S, de síntesis de ADN, y la fase M (mitosis y división
celular). Las fases S y G2 son relativamente constantes en sus proporciones.
Cuando se altera la duración del ciclo total (por modificación de la velocidad de
crecimiento), lo que cambia es el tiempo de la fase G1 y, en menor medida, de
la fase M.
Hasta hace unos 20 años se pensaba que los ciclos bacterianos carecían de eventos
clave. Ello se debía a que en bacterias no existe mitosis y porque en los medios de
cultivo ricos empleados entonces la síntesis de ADN parecía continua durante todo el
ciclo.
Pero hoy sabemos que sí existen fenómenos clave, que se pueden poner mejor de
manifiesto cuando el crecimiento se estudia en medios menos ricos que permiten sólo
crecimientos lentos. Los periodos del ciclo procariótico son:
- fase C (equivalente a la S
eucariótica): replicación del ADN cromosómico;
- fase D (equivalente a G2
+ M): se distingue porque su terminación coincide con el final de división celular;
- fase innominada, equivalente a
la G1 eucariótica.
Lo característico del ciclo es que las fases C y D son relativamente constantes,
y por lo tanto, cuando disminuye el tiempo de generación (g), lo hace a expensas de la
fase "G1". Por ejemplo, en Escherichia coli, C = unos 40 min,
y D = unos 20 min.
2.1 CICLO CELULAR
EN FUNCIÓN DEL TIEMPO DE GENERACIÓN
Vamos a estudiar con el ejemplo de E. coli qué ocurre con el ciclo celular a
distintos tiempos de generación
Cuando
g>C+D |
existe fase
"G1" (intervalo que precede a la replicación). En estas condiciones
podemos observar nítidamente periodos diferenciados entre sí (de síntesis de ADN y de
división celular). |
Cuando g=C+D |
ya no existe
G1, y cada ronda de replicación comienza inmediatamente tras la precedente
división celular (es decir, cada célula hija recién nacida se embarca inmediatamente en
replicar el cromosoma, y una vez que ha terminado de replicarlo, la célula inicia la
división celular). |
Cuando
g<C+D |
las rondas de
replicación de un ciclo se inician antes de que haya terminado la división celular del
anterior (superposición parcial entre fases C y D). |
Cuando g<C |
ya no se
puede detectar fase D como tal. La síntesis de ADN es continua durante todo el ciclo.
Se inician rondas de replicación cromosómica antes de que haya terminado la anterior.
Esto se traduce en que los cromosomas muestran un típico patrón de replicación
dicotómica y en que dichos cromosomas pasan a cada célula hija ya embarcados en una
nueva ronda de replicación. |
2.2 CONTROL DE LA
REPLICACIÓN DEL ADN CROMÓSOMICO
De lo anterior se deduce que debe de existir algún tipo de acoplamiento entre las
ondas de replicación y la división celular.
Nosotros, sobre el esquema que hemos comentado, podemos inferir cuándo se debe de
iniciar una nueva ronda siempre que sepamos los valores de g, C y D:
Contamos C+D minutos a partir de g, y entonces podemos prever que la ronda de
replicación tendrá lugar g--(C+D) minutos antes de la próxima división celular (o
bien, G1-g minutos si existe periodo G1).
Pero, por supuesto, la célula no es tan "lista" (no sabe contar hacia atrás
en el tiempo) ni tiene el don de la predicción (los humanos tampoco, para la mayor parte
de las cosas importantes). La bacteria tampoco sabe "contar hacia adelante", ya
que el tiempo de inicio de una ronda de replicación no guarda una relación sencilla con
la división celular previa.
Entonces, )cómo se acoplan división celular
y replicación cromosómica? Una clave hacia la respuesta a esta pregunta es que la razón
(proporción) entre orígenes de replicación y masa celular en el inicio (inmediatamente
antes de la replicación) es igual para todas las tasas de crecimiento. Hé aquí un
modelo hipotético sobre el mecanismo de coordinación entre ambos eventos del ciclo
celular:
El sistema de coordinación detecta la concentración de orígenes de replicación;
conforme la bacteria crece, esta concentración va descendiendo, hasta que se alcanza un
valor umbral crítico que desencadena una nueva onda de replicación. Ello hace que se
doble el número de orígenes. Una ulterior ronda no se pone en marcha hasta que el
crecimiento haga de nuevo descender la concentración de orígenes.
Se trataría, pues, de una especie de reloj biológico y "oscilador"
que usaría como medida del tiempo el pararámetro de masa celular, volumen, u otro
equivalente, de tal modo que la concentración crítica de un factor iniciador o la
dilución de un represor servirían para disparar la replicación a una concentración
determinada.
2.3 RELACIONES
ENTRE VELOCIDAD DE CRECIMIENTO Y TAMAÑO CELULAR
Es fácil comprobar en los cultivos bacterianos que cuanto más rico es un medio, y por
lo tanto menor es el tiempo de generación (g), mayor es el tamaño medio de las células.
- bacterias creciendo en un medio relativamente pobre (supongamos que en este medio g=60
min, C+D=g);
- si transplantamos una célula recién dividida procedente del cultivo anterior a un
medio más rico (por ejemplo, que permite un tiempo de generación g=35 min) podemos
observar que:
- la primera división ocurre C+D (60 minutos) después; es decir, con un tiempo idéntico
al que tenía en el medio anterior;
- pero como en este medio g=35 min, la iniciación de una nueva ronda de replicación
ocurre antes de dicha replicación celular (es decir, C y D se superponen);
- se observa que se alcanza un nuevo equilibrio, con un tamaño celular mayor que en el
medio pobre, y una masa de inicio (tras la división celular) mayor, alterándose
igualmente el tiempo de inicio.
2.4
SEGREGACIÓN DE CROMOSOMAS Y PLÁSMIDOS
Existe un mecanismo eficiente que asegura la segregación de los cromosomas bacterianos
a las células hijas. Como se recordará, el cromosoma se encuentra unido a la membrana
citoplásmica, al parecer a través de un mesosoma. Existen indicios de que durante la
replicación, el vértice de la horquilla de replicación va pasando por ese punto de
anclaje.
La replicación cromosómica se inicia en una región especial denominada oriC,
a partir de la cual se efectúa una replicación bidireccional, hasta que ambas horquillas
se encuentran en un punto situado a 180o respecto de oriC. Cuando el
mesosoma llega a ese término de replicación se escinde en dos mesosomas, cada uno de los
cuales constituye el punto de anclaje de cada copia del cromosoma. Cuando se forme el
septo transversal, cada mesosoma va a parar a cada célula hija, de modo que las copias de
los cromosomas quedan segregadas. Parece ser que algunos plásmidos se segregan por este
mismo mecanismo.
Así pues, el mesosoma parece actuar como un análogo primitivo del aparato mitótico.
2.5 PRODUCTOS
ANÓMALOS DE LA DIVISIÓN CELULAR
Existen diversos tipos de mutantes cuyos fenotipos implican serias alteraciones del
proceso de división celular y de replicación o segregación del material genético a las
células hijas. Algunos de estos mutantes han encontrado útiles aplicaciones en estudios
genéticos y moleculares.
Células sin cuerpos nucleares (= maxicélulas)
Determinados mutantes termosensibles son incapaces de iniciar la replicación a
temperaturas elevadas, de modo que siguen creciendo en tamaño y se dividen mucho después
de que se haya completado la última replicación cromosómica (iniciada a una temperatura
más baja, permisiva). El resultado de la división celular a la temperatura no permisiva
es que se producen células de tamaño normal, pero sin cromosoma, aunque poseen
los demás componentes celulares, incluyendo copias de plásmidos.
Por estos mutantes se puede deducir que no existe una relación directa entre la
septación (o sea, la fase D de división celular) y la replicación cromosómica anterior
(fase C).
Minicélulas
Se producen en ciertos mutantes que forman septos anómalos acéntricos
(asimétricos, cerca de un extremo y no en el centro). En las minicélulas tampoco se
segrega cromosoma, pero pueden "heredar" copias de plásmidos.
De estos mutantes se deduce otro rasgo del ciclo celular: el lugar habitual donde se
produce la septación está programado genéticamente, y esta programación se puede
alterar por mutaciones.
Uso de maxicélulas y minicélulas en estudios moleculares y genéticos:
Un empleo habitual de estas "células" anómalas en el laboratorio se deriva
del hecho de que durante cierto tiempo pueden sintetizar proteínas codificadas por los
únicos genes que poseen: los del plásmido o plásmidos que alberguen. Por marcaje
radiactivo y electroforesis en gel de proteínas, se detectan unas pocas bandas,
correspondientes sólo a las proteínas de los pocos genes existentes, con la ventaja de
que no hay interferencia de los cientos o miles de proteínas de la célula normal.
3. MÉTODOS PARA EL
ESTUDIO Y MEDICIÓN DEL CRECIMIENTO A ESCALA INDIVIDUAL
3.1 Por microscopía
Se basan en la observación microscópica de microcultivos a temperatura constante.
- seguimiento de células
individuales por microfotografía secuencial
- por inmunofluorescencia:
se observa en microscopio de fluorescencia la incorporación de materiales de P.C. o de
membrana marcados con algún colorante fluorescente.
3.2 Por obtención de cultivos sincrónicos
Como veremos en el próximo capítulo, en un cultivo bacteriano habitual, las distintas
células se encuentran en fases distintas del ciclo celular, es decir, no están
sincronizadas. Por lo tanto, del estudio de la población no es posible sacar conclusiones
sobre eventos del ciclo celular. Sin embargo, por una serie de procedimientos, es factible
producir cultivos sincrónicos, en los que durante cierto tiempo (casi) todas las
células están en la misma fase, de modo que tienen la misma edad, el mismo tamaño, y se
dividen y replican el cromosoma al mismo tiempo. Entonces, el comportamiento de la
población (más fácil de estudiar que el de un solo individuo) es una "imagen
ampliada" del individual.
Los principales métodos de obtención de cultivos sincrónicos se basan en
seleccionar, a partir de un cultivo estándar no sincrónico, aquellas células que o bien
son del mismo tamaño, o bien son de la misma edad. Las técnicas principales son:
- selección por tamaños:
se suele recurrir a gradientes de densidad, sobre todo los formados por mezclas de
agua normal y agua deuterada (H2O/D2O).
- selección por edades:
el método más empleado es la selección por filtración (técnica de
Helmstetter-Cummings), aunque sólo se puede aplicar a ciertas cepas (en E. coli
funciona con la cepa B/r, pero no con la K12).
- Se filtra un cultivo asincrónico que esté en fase exponencial a
través de una membrana de nitrocelulosa: las células se adhieren al filtro.
-
Se invierte el filtro.
-
Se va pasando medio fresco (=nuevo) precalentado. Cada célula unida al filtro se nutre
y crece, y finalmente se divide: una de las células hijas queda unida al filtro y la otra
pasa al eluato, que se recoge. En cada momento concreto de esta operación, las células
hijas eluidas y recogidas corresponden a células "recién nacidas". Las
células eluidas en cada momento concreto (y por lo tanto, de la misma edad) sirven como
"fundadoras" de un cultivo sincrónico.
-
Obsérvese la cinética de un cultivo "sincrónico" expresada como número de
individuos en función del tiempo:
-
durante unas pocas generaciones el cultivo es más o menos sincrónico;
-
las mesetas indican las fases en que el número de células no varía, porque todas
están creciendo en tamaño antes de dividirse;
-
las subidas bruscas (casi verticales) en el número de individuos nos indican que todas
las células del cultivo se están dividiendo a (casi) el mismo tiempo.
pero la sincronía se va perdiendo paulatinamente, de modo que al cabo de unas
generaciones la gráfica se convierte en una recta con pendiente. La explicación estriba
en que el tiempo exacto de división, o más concretamente C y D no duran exactamente lo
mismo en los distintos individuos. Estas pequeñas variaciones estadísticas se van
acumulando, generando desfases cada vez mayores entre células, hasta que la sincronía se
pierde irreversiblemente.
BIBLIOGRAFIA
LIBROS
EDWARDS, C. (1981): The microbial cell cycle. ASM, Washington, D.C.
INGRAHAM, J.L., O. MAALOE, F.C. NEIDHART (1983): Growth ot the bacterial cell. Sinauer
Associates, Sunderland, Mass.
NEIDHART, F.C., J.L. INGRAHAM, M. SCHAEFTER (1990): Physiology of the bacterial cell: a
molecular approach. Sinauer Associates, Sunderland, Massachusetts. Se recomienda sobre
todo el capítulo 14.
ARTICULOS DE DIVULGACIÓN
VICENTE, M. (1986): Regulación del crecimiento y división celular en bacterias. En:
Bioquímica y Biología molecular (coordinador: L. Cornudella). Salvat, Barcelona, págs.
457-462.
ARTICULOS DE REVISIÓN
BI, E., J. LUTKENHAUS (1992): Genetics of bacterial cell division. En S. Mohan, C. Dow,
J.A. Cole (eds.): "Prokaryotic structure and function: a new perspective",
pp. 123-152. Cambridge University Press, Cambridge.
COOPER, S. (1996): Segregation of cell structures. En: "Escherichia coli
and Salmonella typhimurium. Cellular and molecular biology", 2ª edición
(F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology Press. Washington, D.C., págs.
1652-1661.
HELMSTETTER, CH.E. (1996): Timing of synthetic activities in the cell cycle. En: "Escherichia
coli and Salmonella typhimurium. Cellular and molecular biology", 2ª
edición (F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology Press. Washington, D.C.,
págs. 1627-1639.
JACK, A., B. HOLLAND (1991): Control of the bacterial cell cycle. Current Opin. Cell
Biol. 3: 237-241.
NÖRDSTROM, K., R. BERNARDER, S. DASGUPTA (1991): The Escherichia coli cell
cycle: one cycle or multiple independent processes that are coordinated? Molec. Microbiol.
5: 769-774.
SCHMID, M.B., U. VON FREIESLEBEN (1996): Nucleoid segregation. En: "Escherichia
coli and Salmonella typhimurium. Cellular and molecular biology", 2ª
edición (F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology Press. Washington, D.C.,
págs. 1662-1671.
WHEALS, A.E. (1992): Comparison of the prokaryotic and eukaryotic cell cycles. En S.
Mohan, C. Dow, J.A. Cole (eds.): "Prokaryotic structure and function: a new
perspective", pp. 153-183. Cambridge University Press, Cambridge.
actualizado el 17 de agosto de 1998
Ó 1998 ENRIQUE IAÑEZ PAREJA. Prohibida su reproducción, salvo con fines
educativos.
Se agradecen los comentarios y sugerencias. Escríbame a eianez@goliat.ugr.es
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