efecto de radiaciones sobre bacterias

1. EFECTO DE LAS RADIACIONES SOBRE LAS BACTERIAS 1.1. CONCEPTOS GENERALES SOBRE RADIACIONES Y BIOMOLÉCULAS Se puede definir la radiación como la propagación de energía por el espacio. Los principales tipos de radiaciones que pueden tener efectos sobre los seres vivos son:

radiación elecr!"a#n$ica

%l!n#i&de' de !nda( en n")

Radiación infrarroja (IR)

!!"#!$

Radiación visible

%!"!!

<ravioleta (&')

#%$"%!

Raos *

!.#+"#%.$

Raos γ 

!.!!#"!.#+

Raos cósmicos

, !.!!#

La radiación particulada con carga  masa consiste en: • raos α (n-cleos de e) • raos / (electrones)

0omo se recordar1 la radiación electromagn2tica presenta un doble aspecto: ondulatorio  cu1ntico (3paquetes discretos de energía cuantos o quanta). 0uando una mol2cula absorbe la energía de un cuanto de radiación electromagn2tica se pueden producir una serie de cambios en los niveles energ2ticos de algunos de sus 1tomos. La energía de un cuanto (4) est1 inversamente relacionada con su longitud de onda (λ  en nm) seg-n la ecuación de 5lanc6: 4 3 78c9λ siendo 73 constante de 5lanc6 ($.$8#!"; erg8seg"#)  c3 velocidad de la lu< (.==8#!#;nm8seg"#)

>eniendo en cuenta los valores de las constantes  la equivalencia # e'3#.?=8#!"# erg la ecuación de 5lanc6 se puede e@presar como: 4 3 #+!9λ (en e') Sustituendo λ por sus valores concretos correspondientes a distintos tipos de radiaciones electromagn2ticas se calculan f1cilmente los respectivos rangos de energía: raos *: =!!!"=# e' lu< &': =#"%.% e' visible: %.%"#.? e'

F&ene' de radiaci!ne'* Las +&ene' na&rale' nos llegan desde el espacio: radiaciones de la lu< solar (visible A &')  los raos cósmicos. Sin embargo la capa de o
1.,. CLASES DE EFECTO EFECTOSS DE LAS RADIACIONES 4l n-mero de cuantos absorbidos por un sistema biológico es proporcional al producto de:d&ración de la radiació por

la inen'idad de la radiación  por el coeficiente de absorción del material. Los efectos derivados de la absorción de esa radiación dependen de: • la energía de la radiación absorbidaB • la naturale
agamos un tratamiento del tema en función de que la radiación provoque o no ioni
1) Si la ener#-a e' E1/ e0 7ablamos de radiaci!ne' i!niane': son los raos *  los raos γ  . 4l fotón de gran energía incide sobre el 1tomo provocando la e@pulsión de un electrón de gran energía (fotoelectrón)  quedando el 1tomo en forma ioni
,) Si la ener#-a e' E51/ e0( n! 'e 3r!d&cen i!niaci!ne' : los electrones del 1tomo o mol2cula pasan transitoriamente (de #!" a #!" #!  segundos) a un nivel energ2tico superior (entonces se 7abla de que el 1tomo o mol2cula est1n e6ciad!') pero enseguida dic7o electrón vuelve al estado energ2tico inicial. 4n su regreso a su nivel energ2tico previo el electrón puede dar origen a una variedad de fenómenos: • +l&!re'cencia: emisión de energía a una longitud de onda maor que la del fotón incidenteB • +!!'en'i4iliación: la energía se transfiere a otra mol2culaB

• reacci!ne' +!!2&-"ica' : se origina un cambio químicoB • e"i'ión de cal!r: la energía simplemente se disipa en colisiones entre mol2culas.

La lu< visible  &' pueden dar origen a reacciones fotoquímicas aparte de calor. 5ero la radiación infrarroja sólo conduce a disipación de calor si bien ciertas bacterias fotosint2ticas ano@ig2nicas pueden aprovec7ar el infrarrojo para la fotosíntesis.

1.7. EFECTOS DE LAS RADIACIONES IONI8ANTES Y SUS APLICACIONES Los efectos de las radiaciones ioniambi2n se emplea el Fra (#F equivale a #!! rads). 4n general los microorganismos son m1s resistentes a las radiaciones ioni
Los e+ec!' de las radiaciones ioni
Las principales a3licaci!ne' de las radiaciones ioni
• material m2dico"quir-rgico (guantes de cirujano suturas de nlon jeringas desec7ables agujas bisturíes cat2teres prótesis etc)B • alimentos envasados (aunque en algunos países a-n sigue abierta la pol2mica po r parte de ciertos grupos sobre la seguridad de este tratamiento).

La dosis de esterili
1.: EFECTOS DE LAS RADIACIONES ULTRA0IOLETA La radiación &' tiene un efecto letal  mutag2nico que depende de su longitud de onda. 4llo se debe a la absorción selectiva de longitudes de onda por parte de ciertas mol2culas biológicas: • Las proteínas tienen dos picos (es decir m1@imos) de absorción: uno a ! nm debido a los amino1cidos arom1ticos (>rp >r 57e)  otro a %! nm debido a los enlaces peptídicos. • 4l CGJ  el CRJ absorben a $! nm debido al enlace doble entre las posiciones +  ? de las bases p-ricas  pirimidínicas.

Los raos &' no tienen actividad ioni
tanto el e'3ecr! de acción 4i!ló#ica de la l& U0 e2&i;ale al de a4'!rción del U0 3!r el ADN ($! nm).

1.:.1. FOTOPRODUCTOS DEL ADN OCASIONADOS POR LA LU8 U0 Los fotoproductos generados por la lu< &' en el CGJ derivan principalmente de alteraciones en las bases pirimidínicas (citosina timina): a. dímeros de pirimidina (anillo ciclobutano) b. fotoproducto de la endospora (?"timinil"?$"di7idrotimina) c. 7idratos de pirimidina Los d-"er!' de 3iri"idina  son los fotoproductos m1s importantes en las c2lulas vegetativas bacterianas. 4l principal es el dímero de timina (>">) aunque tambi2n se producen >"0  0"0. Se trata de aductos (uniones) entre dos pirimidinas adacentes en la misma 7ebra de CGJ mediante la creación de un anillo de ciclobutano. Su efecto principal es la distorsión local de la configuración de la doble 72lice que interfiere en el normal emparejamiento de bases complementariasB ello a su ve< provoca una interferencia en los procesos de replicación  transcripción  secundariamente en el crecimiento  la respiración. C dosis mu altas de raos &' se forman tambi2n dímeros entre pirimidinas de las dos cadenas es decir se provocan entrecruienen efecto mutag2nico (no letal) favoreciendo la aparición de transiciones >3C a 0=F.

1.:.,. MECANISMOS DE REPARACION DE LOS FOTOPRODUCTOS Gebido al car1cter esencial del CGJ como mol2cula central informativa de los seres vivos la evolución 7a desarrollado una serie de mecanismos capacitados para enfrentarse con los posibles daKos ocasionados por la lu< ultravioleta. Los principales mecanismos 7allados en bacterias se pueden agrupar así: #. Eecanismos prerreplicativos: a. reparación fotoen
 A) Reparación fotoenzimática Se debe a la actuación de una en// n" de longitud de onda (lu< a
Mecanismo

#. La primera fase del mecanismo es independiente de la lu<. La fotoliasa rec!n!ce el d-"er! de 3iri"idina  se une a 2l formando un complejo en
ciclobutano del dímero de pirimidina rompi2ndolo  regenerando las dos pirimidinas sin alterar. Cunque se sabe que el segundo cromóforo (la pterina) favorece la reparación no est1 claro cu1l es su papel e@acto. Jo todas las bacterias tienen en
B) Reparación por escisión-resíntesis La distorsión en la doble 72lice provocada por el dímero es reconocida por un complejo proteico con actividad de end!n&clea'a c!rrec!ra conocido como c!rrend!n&clea'a ! e'cin&clea'a . 4l daKo se repara indirectamente (es decir no se act-a sobre el propio fotoproducto) sino que las bases daKadas se eliminan (se escinden) formando parte de un oligonucleótido  el 7ueco resultante se rellena por resíntesis reparadora de CGJ. Mecanismo:

#. &n complejo formado por dos subunidades de la proteína &vrC  una de la &vrD (U;r?A,B@) se une cerca del dímero de pirimidina usando la energía de la 7idrólisis del C>5  merced a su aci;idad
?Q"""%Q) tomando como molde la cadena intacta  usando como cebador ("primer" ) el e@tremo %Q"H que se 7abía generado en la fase anterior. ?. Minalmente la actuación de la ADN=li#a'a  sella la cadena (regeneración del enlace fosfodi2ster del lado ?Q).

C) Reparación por recombinación 0uando la CGJ"polimerasa"III bacteriana (que es la en
#. Jumerosas unidades de proteína RecC recubren la
$. Resolución de los dos sobrecru
D) Reparación de emergencia (SOS) propensa a error  0uando la bacteria se somete a dosis elevadas de lu< &' o a determinados agentes químicos que daKan severamente el CGJ o que interfieren seriamente con la replicación puede ocurrir que los sistemas de reparación que 7emos visto 7asta a7ora no sean suficientes para reparar todos los daKosB en estas circunstancias se pone en marc7a un nuevo mecanismo que es ind&ci4le  que calificamos como de e"er#encia a que tiende a salvaguardar la viabilidad de la c2lula a costa de acumular mutaciones con frecuencia elevada ( por eso lo llamamos tambi2n 3r!3en'! a err!r). 4l sistema SHS en realidad consiste en una serie de funciones de emergencia ante estr2s una de las cuales es este tipo de reparación de CGJ propenso a error. Htras funciones del sistema SHS son:

o

o

Inducción de varios profagos (lo veremos en la sección de 'irología al tratar el fago l).

Retraso en la formación del tabique transversal por lo que las c2lulas se alargan anormalmente. (4l significado adaptativo de esta respuesta de in7ibición de la septación parece ser el impedir la segregación de CGJ sin

reparar a la c2lula 7ija lo que podría ocasionarle la muerte).

o

Gescone@ión de la respiración.

o

Incremento de la degradación de proteínas.

Descripción del sistema en una clula normal (no sometida a da#os al $D%):

4l gen le&$ posee un nivel basal de e@presión de modo que codifica la proteína Le@C que act-a como represor sobre su propio gen (represión autógena) así como sobre los genes rec$' uvr$' ' C' umuDC. La represión no es total sino que se da un nivel basal de producción de los polip2ptidos correspondientes a estos genes. Csí por ejemplo el nivel de proteína RecC es suficiente para efectuar los procesos normales de recombinación  los niveles de &vrCD0 son suficientes para reparar pequeKos daKos en el CGJ. Descripción del sistema en una clula severamente da#ada:

&na c2lula seriamente afectada por un agente que daKa el CGJ o interfiere con su replicación poseer1
• Se e@presan los genes umuDC lo que se traduce en un aumento de la mutag2nesis. 5ero )por qu2 aumenta la mutag2nesisT 4l mecanismo e@acto no est1 claro. Se sabe que en esta situación de emergencia algunos dímeros de pirimidina son procesados con la intervención de los productos de rec$  de umuD  umuC de modo que 7a una '-ne'i' de e"er#encia

de ADN 2&e acarrea la +rec&ene inr!d&cción de 4a'e' inc!rreca' (es decir es un proceso de reparación propenso a error).

a dos 7ipótesis principales sobre este respecto: #. Los genes umuD'C codificarían una nueva polimerasa de emergencia con menor fiabilidad de copia que las polimerasas 7abitualesB . H bien los productos de umuDC modificarían alguna polimerasa normal (como la CGJ"pol"III) de manera que 2sta relajaría su capacidad correctora de pruebas (e@onucleasa %Q  ?Q) de modo que ante ausencia de molde o ante un molde afectado por el daKo colocaría nucleótidos al a
a pruebas que favorecen a esta segunda 7ipótesis.

Ge esta manera la c2lula salvaría su integridad en esta situación límite pero a costa de adquirir frecuentes mutaciones.

1.:.7. APLICACIONES PRACTICAS DE LA LU8 U0 La lu< &' se puede producir artificialmente en l1mparas de vapor de mercurio de baja presión que emiten el =!U de su radiación a ?+ nm. La unidad de energía de radiación se mide en Vatts9(seg8cm). 5or ejemplo una l1mpara de #? Vatios emite una energía de %m Vatts8cm"8seg"# a una muestra situada a # metro de la l1mpara. La lu< &' es efectiva sobre bacterias Fram"positivas  Fram" negativas. La dosis letal para c2lulas vegetativas suele estar entre #!!  $?!! µ Vatt8cm" pero las endosporas requieren #! veces m1s dosis.

4l uso pr1ctico de la lu< &' como agente esterili
1.>. EFECTOS DE LA LU8 0ISIBLE C diferencia de la &' la lu< visible es de baja energía  adem1s sus cuantos no tienen efectos selectivos sobre el CGJ por lo que no sería de esperar en principio que este tipo de radiación tuviera efectos negativos sobre las bacterias. Sin embargo la lu< visible puede ejercer un efecto negativo indirecto en el fenómeno de 'en'i4iliación +!!din"ica .

1.>.1. Sen'i4iliación +!!din"ica na&ral La lu< visible de fuerte intensidad (p. ej. e@posición a pleno sol) es capa< de matar las bacterias debido a que ciertas mol2culas de 2stas (riboflavinas porfirinas citocromos) absorben la energía de los cuantos  se e@citan durante #!"$"#!" seg tras lo cual reemiten la energía a otras mol2culas originando +!!!6idaci!ne' en residuos is  >rp de las proteínas  en las bases de los 1cidos nucleicos. >ambi2n se puede generar o@ígeno singlete (#H) que es un radical mu reactivo o@idante que puede destruir la c2lula con rapide<. Csí pues en la pr1ctica de laboratorio 7abitual no es conveniente e@poner las bacterias en cultivo a la lu< sino que 7abr1n de cultivarse en oscuridad (salvo el cultivo de las bacterias fototrofas). 0iertas bacterias (entre ellas las fotosint2ticas  las que se propagan vía a2rea) poseen abundantes pigmentos de tipo carotenoide que las protegen de estos efectos fotosensibili
1.>.,. Sen'i4iliación +!!din"ica ari+icial*

Si a una suspensión de bacterias aKadimos ciertos pigmentos artificiales fluorescentes (colorantes) como el rosa de Dengala el a

,. EFECTOS DE LAS ONDAS SONORAS Las ondas sonoras audibles para los 7umanos poseen un rango de frecuencias entre los = 6ilociclos  los ! 6ilociclos9segundo. 5or encima de ! Wc se sit-an las ondas supersónicas (7asta los !! Wc9seg)  las ultrasónicas (desde !! 7asta !!! Wc9seg). 4stos tipos de ondas de frecuencias superiores a las audibles (sobre todo las ultrasónicas) tienen el efecto de de'ine#rar la' c$l&la' . 4l +&nda"en! de esta acción es el siguiente: el paso del sonido a trav2s de un líquido produce cambios de presión alternantes (por los sucesivos frentes de ondas) que a grandes frecuencias originan cavidades (burbujas de gases disueltos) de unos #! µ m de di1metro (fenómeno de ca;iación). Gic7as cavidades van aumentando de tamaKo  terminan colapsando violentamente dando lugar a en!r"e' 3re'i!ne' l!cale' (de 7asta #!!! atmósferas o #! >m9cm). Las consecuencias del colapso son: • la c2lula se desintegraB • si e@iste o@ígeno en el líquido de suspensión se forman peró@idos (como el H)B • despolimeri
Las bacterias son variables en cuanto a su susceptibilidad a las vibraciones sonoras. 4n general son m1s sensibles las Fram"negativas  m1s resistentes las Fram"positivas. Sin embargo ante un tratamiento por ultrasonidos siempre cabe la posibilidad de que

sobrevivan algunos individuos por lo que este m2todo no tiene utilidad para la esterili
7. EFECTO DE LA PRESION IDROSTATICA La maor parte de las especies bacterianas de 71bitats continentales no pueden crecer (e incluso mueren) cuando son sometidas a altas presiones (unos $!! Wg9cm ). 4llo se debe a los siguientes efectos adversos: • aumento de la viscosidad del citoplasmaB • disminución de la capacidad de las en
Sin embargo e@isten bacterias (sobre todo marinas) que toleran o requieren altas presiones (barotolerantes  barófilas respectivamente):

Baceria' 4ar!!lerane': 0recen a la presión atmosf2rica pero aguantan 7asta unas ?!! atmósferas. Su 71bitat son las aguas oce1nicas entre los !!!  los +!!! metros de profundidad.

Baceria' 4aró+ila' : 0recen óptimamente a m1s de +!! atmósferas. 5odemos distinguir entre barófilas moderadas (facultativas)  barófilas e@tremas (obligadas): Las barófilas moderadas son aquellas bacterias que 3&eden crecer a 3re'ión a"!'+$rica  aunque su óptimo est1 a unas +!! atmósferas. abitan profundidades entre los ?!!!  ;!!! metros. Las barófilas e@tremas presentan óptimos de crecimiento a mu altas presiones (por encima de $!!";!! atmósferas)  son inca3ace' de crecer a 3re'ión a"!'+$rica . Se 7an llegado a aislar a m1s de #!!!! metros de profundidad. Gebido a que a esas profundidades la temperatura del agua es de sólo "% o0 suelen ser simult1neamente criófilas. 4ste tipo de bacterias est1 empe
La llamada prensa de Mrenc7 (que frecuentemente se denomina incorrectamente como prensa francesa) es un aparato de laboratorio que permite aplicar grandes presiones  brusca descompresiones lo que logra la rotura mec1nica de las bacterias con objeto (al igual que la sonicación) de obtener e@tractos libres de c2lulas.

:..EFECTOS DE LA PRESIN OSMTICA (epasar en el capítulo #$' el concepto de potencial de aua o actividad de aua' a* )

4@ceptuando los micoplasmas que carecen de pared celular las bacterias pueden vivir en medios tanto 7ipotónicos como 7ipertónicos debido a la protección de una pared celular rígida  a la membrana citopl1smica semipermeable. Jormalmente el citoplasma de las bacterias poseen una osmolaridad ligeramente superior a la del entorno lo que garanti
porque la membrana citopl1smica se topa con la rigide< de la pared celular. 4sta presión de turgor permite que la bacteria aguante cambios bruscos de concentración de solutos en su entorno (dentro de ciertos límites). 5ero esto plantea una pregunta (que intentaremos responder a continuación): Xcómo logra la bacteria ajustar su osmolaridad interna a esos cambios e@terioresT

A) En "edi!'
4n un medio con baja osmolaridad (p. ej. aguas fecales) aumenta la concentración del EGH lo cual supone un aumento de la osmolaridad del periplasma que presiona contra el peptidoglucano. Ge esta manera la presión de turgor del protoplasto se transmite al periplasma  de 2l al peptidoglucano que es la estructura m1s resistente.

B) En "edi!'
#. 4n el caso de los iones el ión bombeado suele ser el 3!a'i! % ) por un sistema de antiporte W A9A. C7ora bien para que no se desequilibre la fuer
• 4n Fram"positivas se produce una 3la'"!li'i' a&$nica (retracción de la membrana citopl1smica respecto de la pared rígida supraacente) • 4n Fram"negativas no e@iste aut2ntica plasmolisis a que la pared celular  la membrana citopl1smica se retraen al mismo tiempo. Las bacteria ent2ricas crecen lentamente por encima de !.$?E de Ja0l.

%. Sin embargo las bacterias pueden crecer a osmolaridades superiores a la m1@ima teórica si en el medio e@isten determinados compuestos llamados osmoprotectores. La bacteria bombea esos compuestos a su interior us1ndolos como solutos compatibles. 4jemplos de osmoprotectores: • 5rolina (p. ej. en +almonella t,p-imurium  +tap-ilococcus aureus) • Detaína (glicínbetaína) un derivado trimetilado de la glicocola (en cianobacterias  en algunas Fram"positivas). • 0olina (en sc-eric-ia coli). • 4ctoína en enterobacterias.

5or ejemplo +. t,p-imurium crece mu lentamente en #E de 0lJa pero mejora si al medio se aKade #mE de prolina. &n m2todo normal de aislar+.aureus es comprobar el crecimiento en medio con ;.?U de 0lJa en presencia de prolina. Clgunas bacterias 7an desarrollado evolutivamente sistemas inducibles de transporte de estas sustancias mu eficaces para garanti
Htro mecanismo de control ante variaciones de presión osmótica presente en algunas bacterias Fram"negativas es la variación en la proporción de porinas de membrana e@terna (repasar cap. /' apartado 2.0.1). 4@isten ciertos microorganismos especiali
aló+il!' "!derad!': suelen ser bacterias marinas que viven en %.?U de Ja0l  que ven in7ibido su crecimiento a concentraciones maores o menores de sales. Los 7alófilos moderados tienen requerimientos concretos de una aV equivalente a la de agua de mar así como concentraciones determinadas de iones JaA. 4l papel jugado por este JaA es: • mantenimiento de los sistemas de membrana citopl1smica  transporteB • estabili
aló+il!' e6re"!' %
maoría de los procariotas viven a valores de actividad de agua de !.=. 5or ello un m2todo que a se conocía empíricamente en la antigYedad para conservar ciertos alimentos era el desecarlos o salarlos o aKadirles grandes cantidades de a<-car (como en las mermeladas).

>. EFECTO DEL 3 La maoría de las bacterias pueden crecer dentro de un margen de p de su medio manteniendo al mismo tiempo su p interno óptimo pr1cticamente constante. 5or ejemplo sc-eric-ia coli puede crecer bien entre p $  p  pero su p interno es siempre ;.$ o mu cercano a ese valor. Respecto del margen normal de p a los que crecen las bacterias 2stas se pueden clasificar en: • Jeutrófilas si crecen de modo óptimo en torno a la neutralidad (entre p ?.?  . • Ccidófilas si crecen normalmente entre p !  p ?. • Clcalófilas si crecen entre p .?  p ##.?.

La maor parte de las bacterias son neutrófilas. Euc7as bacterias neutrófilas modifican el p del medio  resisten entornos relativamente 1cidos o alcalinos. 5or ejemplo algunas bacterias fermentativas e@cretan 1cidos mientras otras alcalini
interior celular puede quedar en principio m1s alcalino que el e@terior. 4ste sistema introduce protones en el interior  saca iones potasio. Ge esta manera neutrali5asas translocadoras de protones (e@pulsan protones al e@terior)  c7aperonas (proteínas celadoras) para corregir las proteínas desnaturali