DNA Y CROMOSOMASTema 03 Capítulo 05

Se inicia con la descripción de la estructura del DNA. Y se ve cómo, a pesar de su simplicidad química, la estructura y las propiedades químicas lo convierten en una materia prima ideal para la formación de genes. Luego se considera cómo los genes y otros segmentos de DNA están organizados en las largas moléculas de DNA que se encuentran en los cromosomas de las células. Por último, se comenta cómo las células eucarióticas pliegan estas largas moléculas de DNA formando cromosomas compactos que están contenidos dentro del núcleo.

DNA y cromosomasLa vida depende de la capacidad de las células para almacenar, recuperar y traducir las instrucciones genéticas necesarias para generar y mantener un organismo vivo.Esta información hereditaria se pasa de una célula a sus hijas durante la división celular, y en los organismos pluricelulares de generación en generación a través de las células germinales.Las instrucciones se almacenan dentro de toda célula viva en sus genes.

A comienzos del siglo XX, cuando surgió la genética como ciencia, los científicos estaban intrigados con la condición química de los genes.La información contenida en los genes se copia y se transmite de una célula a las células hijas millones de veces durante la vida de un organismo y sobrevive al proceso sin cambios:¿Que tipo de molécula seria capaz de una replicación tan precisa y casi ilimitada?¿Qué tipo de instrucciones contiene la información genética?¿Cómo están organizadas físicamente estas instrucciones de modo que la enorme cantidad de información necesaria para el desarrollo y el mantenimiento de hasta el organismo mas simple pueda estar contenida dentro del minúsculo espacio de una célula?

Las respuestas a algunas de estas preguntas comenzaron a aparecer en la década de 1940, cuando a partir de estudios en hongos se descubrió que la información genética consiste primariamente en instrucciones para elaborar proteínas.Otro avance decisivo (1940) fue el descubrimiento de que el DNA era el portador probable de esta información genética.Y en 1953 J. Watson y F. Crick determinaron la estructura del DNA.

LA ESTRUCTURA Y FUNCION DEL DNA

Antes de que se conociera la estructura del DNA, habían descubierto que los rasgos hereditarios y los genes que los determinan estaban asociados con los cromosomas.

Los cromosomas fueron descubiertos en el s. XIX en la forma de estructuras filamentosas en el núcleo de la célula eucariotica, que se tornan visibles conforme la célula comienza a dividirse.

Una molécula de DNA consiste en dos cadenas largas de polinucleótidos complementarios

Cada una de estas cadenas de DNA está formada por 4 tipos de subunidades (nucleótidos), y ambas cadenas se mantienen unidas por la acción de enlaces de hidrogeno entre las bases de los nucleótidos.

Los nucleotidos estan compuestos por una pentosa, a la cual se une uno o mas grupos fosfatos y una base nitrogenada.Para los nucleotidos del DNA la pentosa es desoxirribosa unida a un grupo fosfato; la base puede ser adenina, citosina, guanina o timina.

Los nucleótidos están unidos entre sí de modo covalente formando una cadena a través de las pentosas y los fosfatos ("esqueleto" de pentosa-fosfato-pentosa-fosfato). Sólo la base es la que difiere en cada uno de los tipos de subunidades o nucleótidos del DNA (bases A, C, G y T).

La forma en que están unidos entre sí los nucleótidos concede a una cadena de DNA una polaridad quimica. Si imaginamos que cada nucleótido tiene una prominencia (el fosfato) y una oquedad (el hidroxilo), cada cadena formada por prominencias insertadas en oquedades de nucleótidos vecinos, tendrá todas sus subunidades alineadas en la misma orientación.

Las dos cadenas en la doble hélice se mantienen unidas por enlaces de hidrogeno entre las bases de las cadenas diferentes. Todas las bases están en el interior de la hélice, con los esqueletos de pentosa-fosfato en el exterior.

Las bases no se aparean al azar:

Adenina con TiminaGuanina con Citocina

Cada par de purina-pirimidina se llama par de bases,y este apareamiento de bases complementarias permite que los pares de bases se compacten en la distribución más favorable desde el punto de vista energético en el interior de la doble hélice.

Los miembros de cada par de bases pueden encajar dentro de la doble hélice porque las dos cadenas de la hélice corren antiparalelas una con respecto de la otra.

La estructura del DNA provee un mecanismo para la herenciaLos genes transportan información biológica que debe copiarse y transmitirse en forma precisa cuando la célula se divide y genera dos células hijas.Esta situación plantea dos problemas biológicos centrales:¿cómo puede transportarse en forma química la información que especifica un organismo y cómo se la copia con precisión?

El descubrimiento de la estructura de la doble hélice del DNA fue un hecho histórico en la biología del siglo XX porque de inmediato sugirió respuestas. El DNA codifica la información en el orden o la secuencia de los nucleótidos a lo largo de cada cadena.Cada base (A, C, T o G) puede considerarse una letra en un alfabeto de 4 letras que se usa para componer mensajes biológicos en la estructura química del DNA.Los organismos difieren entre si porque sus respectivas moléculas de DNA tienen secuencias de nucleótidos diferentes y, en consecuencia, transportan mensajes biológicos diferentes.

¿Pero cómo se usa el alfabeto de nucleótidos para componer mensajes y qué significan estos mensajes? Sí los genes contienen las instrucciones para la producción de las proteínas, los mensajes en el DNA codificaran las proteínas. Si consideramos la condición química de las proteínas, la función de una proteína está determinada por su estructura tridimensional y a su vez, su estructura está determinada por la secuencia de los aminoácidos en su cadena polipeptídica. Por lo tanto, la secuencia lineal de los nucleótidos en un gen debe representar, de algún modo, la secuencia lineal de los aminoácidos en una proteína.

El conjunto completo de la informacion en el DNA de un organismo recibe el nombre de GENOMA. La cantidad total de esta información es enorme.

LA ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS EUCARIOTICOSSe necesitan grandes cantidades de DNA para codificar las instrucciones necesarias para el desarrollo de organismos unicelulares y multicelulares. Cada célula humana contiene unos 2 m de DNA; sin embargo, el núcleo celular mide sólo 5-8 mm de diámetro.

En las células, las largas moléculas de DNA se compactan en estructuras llamadas cromosomas, los cuales no sólo caben perfectamente dentro del núcleo, sino que también pueden repartirse entre las células hijas durante cada división celular. La compleja tarea de compactar el DNA es realizada por proteínas especializadas que se unen al DNA y lo pliegan, generando así una serie de espirales y asas que proveen niveles de organización cada vez más elevados e impiden que el DNA se convierta en una maraña incontrolable.

El DNA eucariótico se condensa en muchos cromosomasEl DNA en el núcleo está distribuido entre un conjunto de cromosomas diferentes. El genoma humano, v.g. contiene alrededor de 3,2 x 109 nucleótidos repartidos en 46 cromosomas. Cada cromosoma consiste en una sola molécula de DNA lineal, enormemente larga, asociada con proteínas que pliegan y condensan el delgado filamento de DNA en una estructura más compacta.

Además de ser de tamaños diferentes, los cromosomas pueden distinguirse entre sí mediante diversas técnicas: - técnica de la hibridación del DNA (colorantes fluorescentes)- técnica de teñir el cromosoma con colorantes que se unen a ciertos tipos de secuencias de DNA. (DNA con + pares de A-T y DNA con G-C). Modelo de bandas

La imagen del conjunto total de los 46 cromosomas humanos ordenados de acuerdo con ciertas pautas recibe el nombre de cariotipo humano.

Los cromosomas contienen largas hileras de genesLa función más importante de los cromosomas es transportar los genes, las unidades funcionales de la herencia. Un gen suele definirse como un segmento de DNA que contiene las instrucciones para la elaboración de una proteína particular o, en algunos casos, un conjunto de proteínas de parentesco muy cercano.

Existe alguna correlación entre la complejidad de un organismo y la cantidad de genes en su genoma, v.g. la cantidad total de genes oscila entre <500 para una bacteria simple y 25.000 para los seres humanos. Las bacterias y algunos eucariontes unicelulares poseen genomas compactos (las moléculas de DNA), y los cromosomas de muchos eucariontes (incluidos los seres humanos) además de los genes contienen un gran exceso de DNA interpuesto, que no parece transportar información decisiva. ("DNA basura“, parece actuar como material espaciador).

En general, cuanto más complejo es un organismo, más grande es su genoma. Pero esta relación no siempre se cumple. El genoma humano, v.g. es 200 veces más grande que el de la levadura S. cerevisiae, pero 30 veces más pequeño que él de algunos vegetales. Además, el modo en que el DNA se distribuye en cromosomas también es diferente. Los humanos tienen 46 cromosomas, una especie de cérvido sólo posee 6, y algunas especies de carpa tienen >100.

Los cromosomas se encuentran en estados diferentes durante la vida de una célulaPara formar un cromosoma funcional, una molécula de DNA, no solo debe transportar genes: tiene que ser capaz de duplicarse y las copias producto de la duplicación deben separarse y distribuirse en forma confiable entre las células hijas en cada división celular. Estos procesos ocurren mediante una serie ordenada de acontecimientos conocidos en forma colectiva como ciclo celular.

Durante la interfase los cromosomas están extendidos como filamentos de DNA largos y delgados: cromosomas de interfase o interfásicos. Las secuencias de DNA especializadas presentes, aseguran que los cromosomas interfasicos se dupliquen con eficacia. Un tipo de secuencia de nucleótidos actúa como origen de replicación, donde comienza la duplicación del DNA. Otra secuencia de DNA forma los telómeros que se encuentran en cada uno de los dos extremos de un cromosoma.

Cuando el ciclo celular alcanza la fase M, el DNA se enrolla y adopta una estructura cada vez más compacta formando finalmente los cromosomas mitoticos, muy compactados o condensados.Una vez que los cromosomas se han condensado, la presencia de la tercera secuencia especializada de DNA, el centrómero, permite que una copia de cada cromosoma duplicado se distribuya a cada célula hija.

Los cromosomas interfásicos están organizados dentro del núcleoCada cromosoma interfásico tiende a ocupar una región particular del núcleo y, así los diferentes cromosomas no se enredan entre sí. Además, regiones específicas de cromosomas están adheridas a sitios en la envoltura nuclear o en la lámina nuclear.El ejemplo de organización cromosómica en el núcleo de interfase es el nucléolo, que constituye una acumulación de partes de los cromosomas diferentes que transportan los genes para el RNA ribosómico.

El DNA en los cromosomas está muy condensadoLas células eucarióticas, estén en interfase o en mitosis, compactan densamente su DNA en cromosomas: v.g. el cromosoma 22 tiene unos 48 millones de pn; estirado, su DNA mediría 1,5 cm. Sin embargo, durante la mitosis el cromosoma 22 mide sólo unas 2 mm de longitud. Esta compresión es realizada por proteínas que enrollan y pliegan el DNA en niveles de organización cada vez más elevados.

Los nucleosomas son las unidades básicas de la estructura cromosómica eucarióticaLas proteínas que se unen al DNA formando los cromosomas eucarióticos se dividen en dos clases generales: las histonas y las no histonas. Las histonas son abundante (> 60 millones de moléculas). El complejo de ambas clases de proteínas con el DNA nuclear recibe el nombre de cromatina.

Las histonas son responsables del primer nivel, y el más fundamental, de compactación cromatínica, el nucleosoma (1974). Cuando núcleos en interfase se fragmentan y se examina su contenido en el ME, la mayoría de la cromatina se encuentra en la forma de fibras (30 nm). Si se somete esta cromatina a tratamientos que la hacen desenrollar, entonces, bajo el ME puede verse como una serie de "perlas de collar, enhebradas en un hilo". El hilo es el DNA y cada una de las perlas es una partícula central de nucléosoma que consiste en DNA enrollado alrededor de un centro de proteínas histonas.

La estructura de la partícula central de nucléosoma se determinó luego de haber aislado primero nucleosomas de la cromatina desplegada por digestión con enzimas (nucleasas) que degradan el DNA. (Sólo se degrada el DNA expuesto entre las partículas centrales, el DNA ligador o espaciador). Una partícula central de nucléosoma individual consiste en un complejo de ocho proteínas histonas -dos moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4- y el DNA bicatenario, de una longitud de 147 pares de nucleótidos, que se enrosca alrededor del octámero histónico.

La longitud del DNA espaciador entre cada partícula central de nucléosoma puede variar desde unos pocos pares de nucleótidos hasta cerca de 80. Técnicamente, el término nucléosoma se refiere a una partícula central de nucléosoma más uno de sus DNA espaciadores contiguos, pero con frecuencia se usa para designar sólo la partícula central de nucléosoma.

Las cuatro histonas que componen el centro del nucléosoma son proteínas relativamente pequeñas con una gran proporción de aminoácidos con carga positiva (lisina y arginina). Las cargas positivas contribuyen a que las histonas se unan con firmeza al esqueleto de pentosa-fosfato del DNA, de cargas negativas.

La condensación cromosómica ocurre en muchos nivelesLos nucleosomas se condensan adicionalmente generando una estructura más compacta, la fibra de 30 nm. Ésta condensación depende de una quinta histona llamada H1.La fibra cromatínica de 30 nm puede condensarse aun más. Se pliega en una serie de bucles, y estos bucles se condensan aun más. Por ultimo, esta serie compacta de bucles sufre por lo menos, un nivel de condensación adicional que forma el cromosoma mitótico.

LA REGULACION DE LA ESTRUCTURA CROMOSOMICAEl DNA de las células transporta cantidades enormes de información codificada y las células tienen que ser capaces de obtener esta información de acuerdo con las necesidades.Una célula puede alterar la estructura de su cromatina y exponer regiones localizadas del DNA permitiendo el acceso de proteínas específicas, en particular las que participan en la expresión génica y en la duplicación y la reparación del DNA.

Los cambios en la estructura del nucléosoma permiten el acceso al DNALas células tienen formas de ajustar la estructura local de su cromatina. Una forma aprovecha complejos de remodelación de la cromatina, maquinas proteicas que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para cambiar la posición del DNA enrollado alrededor de los nucleosomas.Otra forma de alterar la estructura cromatínica consiste en la modificación química reversible de las histonas. Las colas de las histonas centrales están sujetas, en particular, a estas modificaciones covalentes. v.g., enzimas residentes en el núcleo pueden añadir grupos acetilo, fosfato y metilo al nucléosoma armado o extraerlos de él.

Los cromosomas interfásicos contienen formas de cromatina tanto condensada como más extendidaLa forma de mayor grado de condensación de la cromatina interfásica se llama heterocromatina. La heterocromatina constituye alrededor del 10% de un cromosoma interfásico y en los cromosomas está concentrada alrededor de la región del centróméro y en los telómeros.La mayor parte del DNA plegado en heterocromatina no contiene genes, debido a que la heterocromatina es tan compacta, los genes que por accidente se condensan en heterocromatina no suelen expresarse.

El resto de la cromatina interfásica recibe el nombre de eucromatina. Aunque usamos el término eucromatina para referirnos a la cromatina que existe en un estado más extendido o desplegado que la heterocromatina, en la actualidad se sabe que tanto la eucromatina como la heterocromatina están compuestas por mezclas de estructuras cromatínicás diferentes, cada una establecida y mantenida por conjuntos diferentes de modificaciones de colas histónicas que atraen conjuntos distintos de proteínas no histonas.

Los cambios de la estructura cromatinica pueden heredarseCiertos tipos de estructura cromatínica pueden transmitirse de una célula a sus descendientes: v.g. la progenie de una célula en la cual la copia materna del cromosoma X está condensada e inactivada, también condensará e inactivará su cromosoma X. ¿Cómo es posible esta herencia de la estructura cromatínica? Cuando una célula duplica su genoma cada hélice de DNA hija recibe la mitad de las proteínas histona de su progenitora. Con esas proteínas histonas vienen las modificaciones covalentes asociadas con el tipo de estructura cromatínica que había en cada región particular de ese cromosoma progenitor.

Los cambios de la estructura cromatinica pueden heredarseEste tipo de herencia no comprende la transmisión de secuencias de DNA específicas de una generación celular a la siguiente, sino que en cambió depende del traspaso de proteínas histonas modificadas en forma específica. Es un ejemplo de herencia epigenética, porque se superpone a la herencia genética con fundamento en el DNA.

CONCEPTOS ESENCIALES

• La vida depende del almacenamiento estable y compacto de la información genética.

• La información genética es transportada por moléculas de DNA muy largas y codificada en la secuencia lineal de nucleótidos A, T, G y C.

• Cada molécula de DNA es una doble hélice compuesta por un par de cadenas de nucleótidos complementarias mantenidas juntas por enlaces de hidrógeno entre los pares de bases G-C y A-T.

• Una cadena de DNA tiene una polaridad química debido al enlace alternante de pentosas y fosfatos en su esqueleto. Las dos cadenas de la doble hélice del DNA son antiparalelas, es decir que tienen orientaciones opuestas.

• El material genético de una célula eucariótica está contenido en un conjunto de cromosomas, cada uno formado por una sola molécula de DNA enormemente larga que contiene muchos genes.

• Cuando se expresa un gen codificador de proteína, una parte de su secuencia de nucleótidos se copia en RNA, el cual luego dirige la síntesis de una proteína específica.

• El DNA que forma cada cromosoma eucariótico contiene, además de genes, muchos orígenes de replicación, un centrómero y dos telómeros. Estas secuencias aseguran que el cromosoma pueda duplicarse en forma eficaz y transmitirse a las células hijas.

• Los cromosomas de las células eucarióticas consisten en DNA unido con firmeza a una masa de proteínas especializadas. Estas proteínas pliegan el DNA en una forma compacta. El complejo de DNA y proteínas en los cromosomas recibe el nombre de cromatina.

• Las proteínas cromosómicas más abundantes son las histonas que compactan el DNA en una colección repetitiva de partículas de DNA-proteina llamadas nucleosomas.

• Los nucleosomas se aproximan entre sí, con la ayuda de moléculas de histona H1, formando una fibra de 30 nm. Esta fibra por lo general se enrolla y se pliega produciendo estructuras cromatínicas más compactas.

• Las estructura cromatínica es dinámica: medíante la descondensacion temporal de su estructura con complejos de remodelación de la cromatina y enzimas que producen modificaciones covalentes de las colas de las histonas la célula puede asegurar que las proteínas que participan en la expresión génica, la duplicación y la reparación tengan un acceso localizado y rápido a las secuencias de DNA necesarias.

• Algunas formas de cromatina exhiben un modelo de modificación de las colas histónicas que hace que el DNA sufra una condensación tan grande que los genes compactados no pueden expresarse para producir RNA y proteínas.

• La estructura cromatínica puede transmitirse de una generación celular a la siguiente, lo cual produce una forma de herencia epigenética que contribuye a que una célula recuerde el estado de la expresión génica en su célula progenitora.