Biología celular

GUÍA BIOCEL SEGUNDO PARCIAL

CAPÍTULO 5: ADN Y CROMOSOMAS

La totalidad de la información contenida en el ADN se llama genoma.

Estructura y función del DNA

• Rasgos hereditarios y genes → cromosomas.
• Los cromosomas se vuelven visibles conforme la célula comienza a dividirse.
• El ADN transporta la información hereditaria de la célula y los componentes proteicos de los cromosomas compactan y controlan las moléculas de ADN de gran longitud.
• En 1940 los científicos no querían aceptar el ADN como material genético.
• En 1950 se examinó.

Una molécula de ADN consiste en dos cadenas de nucleótidos complementarias

• Una molécula de ácido desoxirribonucleico tiene dos largas cadenas de polinucleótidos.
• Cada cadena de ADN (también llamadas hebras de ADN), está compuesta por 4 tipos de subunidades (nucleótidos).
• Ambas cadenas de la doble hélice se mantienen unida por puentes de hidrógeno entre las bases de los nucleótidos (2 en A y T, y 3 en C y G).
• Los nucleótidos están compuestos por una pentosa (azúcar), un grupo fosfato y una base nitrogenada.
• Para los nucleótidos del ADN la pentosa es desoxirribosa unida a un solo grupo fosfato, la base puede ser adenina, citosina, timina o guanina.
• Los nucleótidos están unidos entre sí de modo covalente formando una cadena a través de las pentosas y los fosfatos que establecen un esqueleto de pentosa-fosfato-pentosa-fosfato alternantes.
• La forma de unión de los nucleótidos le da a la cadena una polaridad química.
• La cadena tiene una prominencia (el fosfato) y una oquedad.
• En cada caso, una base más voluminosa formada por dos anillos como una purina (A y G), se une a una base con un solo anillo, una piramidina (C y T), a cada purina-piramidina se le denomina 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.
• Las cadenas antiparalelas de pentosa fosfato se enroscan formando una doble hélice con 10 pares de bases por vuelta helicoidal.
• Cada cadena contiene una secuencia de nucleótidos exactamente complementaria, lo cual es indispensable para el copiado y reparación del ADN.

La estructura del ADN provee un mecanismo para la herencia

• Los genes transportan información biológica que debe copiarse y transmitirse en forma precisa cuando la célula se divide y genera dos células hijas.
• El ADN codifica la información en el orden o la secuencia de los nucleótidos a lo largo de la cadena.
• Los organismos son diferentes debido a su secuencia de nucleótidos diferentes, por tanto, transportan mensajes biológicos diferentes.
• Gracias a la expresión génica, la célula transcribe la secuencia de nucleótidos de un gen en la secuencia de nucleótidos de una molécula de ARN y luego traduce esa información en la secuencia de aminoácidos de una proteína.
• El conjunto completo de la información de ADN de un organismo recibe el nombre de genoma.

La estructura de los cromosomas

• Cada célula humana contiene unos 2 m de ADN, pero el núcleo celular mide de 5-8 ꭒm de diámetro.
• Las moléculas muy largas de ADN bicatenario se compactan en estructuras llamadas cromosomas que pueden repartirse con facilidad entre las células hijas durante la división celular.

ADN eucariótico se condensa en muchos cromosomas

• El ADN en el núcleo está distribuido en cromosomas diferentes.
• Cada cromosoma contiene una sola molécula lineal, asociado con proteínas que pliegan y condensan el delgado filamento de ADN en una estructura más compacta.
• El complejo de ADN y proteína → cromatina.
• Cada una de las células contiene dos copias de cada cromosoma, una heredada de papá y otra de mamá. Los cromosomas paterno y materno → cromosomas homólogos.
• El modelo de bandas de cada tipo de cromosoma es exclusivo, lo que permite identificarlos y enumerarlos.
• El conjunto total de 46 cromosomas humanos ordenados de acuerdo a ciertas pautas → cariotipo humano.

Los cromosomas contienen largas hileras de genes

• La función más importante de los cromosomas es transportar genes (unidades funcionales de la herencia).
• Un gen es un segmento de ADN que contiene las instrucciones para la elaboración de una proteína particular o un conjunto de proteínas de parentesco muy cercano.
• Los humanos tienen alrededor de 25 000 genes.
• Los cromosomas de muchos eucariontes tienen una cantidad de ADN interpuesto llamado ADN basura, que del cual aún no se conoce su función.

Los cromosomas como se encuentran en estados diferentes durante la vida de una célula.

[pic 1]Para formar una molécula funcional, el ADN solo debe transportar genes:

• Debe poder duplicarse y las copias del producto de la duplicación deben separarse para distribuirse en forma confiable entre las células hijas en cada división celular.
• La serie de estos procesos se llama ciclo celular.
• La interfase → los cromosomas se duplican.
• La mitosis → cromosomas se distribuyen en los núcleos de las células hijas.
• Los cromosomas en estado extendido se llaman cromosomas interfásicos o de interfase. La secuencia de ADN asegura que éstos cromosomas se dupliquen con eficacia.
• Una secuencia de nucleótidos actúa como origen de replicación donde comienza la duplicación del ADN.
• Otra secuencia forma los telómeros que se encuentran en cada uno de los dos extremos de un cromosoma, contienen secuencias repetidas de nucleótidos que permiten que los extremos de los cromosomas se dupliquen.
• Fase M: ADN se enrolla y adopta estructura compacta → cromosomas mitóticos (muy compactos) hacen que la célula sea fácil de dividirse.
• El centrómero permite que una copia de cada cromosoma duplicado se distribuya en cada célula hija.

Los cromosomas interfásicos están organizados dentro el núcleo

• El núcleo está delimitado por una envoltura nuclear formada por dos membranas concéntricas, ésta está perforada a intervalos por los poros nucleares, los cuales transportan moléculas hacia y desde el citosol.
• La envoltura nuclear está sustentada por la lámina nuclear que es una red de filamentos proteicos que forman una capa delgada debajo de la membrana nuclear interna.
• El cromosoma interfásico ocupa una región particular del núcleo, así estos no se enredan mucho entre sí.
• El nucléolo viene de la organización cromosómica del núcleo, constituye la acumulación de las partes de los cromosomas que transportan genes para el ARN ribosomal.
• En el nucléolo se sintetizan el ARN ribosomal y se combina creando ribosomas, que son máquinas sintetizadoras de proteínas.

ADN en los cromosomas está muy condensado

• Las células eucariotas compactan densamente su ADN en cromosomas.
• La compresión es realizada por proteínas que enrollan y pliegan el ADN.
• Los cromosomas nos solo se condensan, sino que también deben de descondensarse para poder tener acceso a la información genética para la duplicación, reparación o expresión génica.

Los nucleosomas son las unidades básicas de la estructura cromosómica eucariótica.

• Las proteínas que se unen al ADN y forman cromosomas eucarióticos se dividen en dos:

• Histonas (más de 60 millones de moléculas en cada célula)
• No histonas

• Ambas clases de proteínas con el ADN nuclear → cromatina.
• La partícula central de nucleosoma consiste en ADN enrollado alrededor de un centro de proteínas histonas.
• Las nucleasas degradan el ADN cortando nucleótidos. Después de la digestión solo se degrada el ADN expuesto entre las partículas centrales, el ADN ligador o espaciador.
• Una partícula central o nucleosoma individual → complejo de 8 proteínas histona (dos moléculas de cada una de las histonas H2A, H2B, H3 y H4) + ADN ligador que se enrosca alrededor del octámero histona.
• El nucleosoma es una partícula central de nucleosoma + uno de sus ADN espaciadores contiguos.
• La formación de nucleosomas convierte una molécula de ADN en un filamento de cromatina y provee el 1er nivel de condensación del ADN.
• Las 4 histonas tienen aminoácidos con cargas positivas: Lisina y arginina
• Las cargas positivas contribuyen a que las histonas se unan con firmeza al esqueleto del ADN, de cargas negativas. Cualquier secuencia puede unirse a un centro de histonas,
• Las histonas centrales poseen “cola” de aminoácidos N-terminal. Estas colas están sometidas a modificaciones químicas covalentes que controlan aspectos de la estructura cromatínica.

La condensación cromosómica ocurre en muchos niveles.

• Los nucleosomas se condensan uno contra otro formando una estructura más compacta: la fibra de 30 nm.
• La condensación de los nucleosomas en la fibra de 30 nm depende de una quinta histona (H1), la cual cerca los nucleosomas formando una agrupación repetitiva regula.
• La histona ligadora (H1) cambia la dirección del ADN al abandonar el centro del nucleosoma, lo cual permite formar una estructura más compacta.
• Se cree que la fibra se pliega en una serie de bucles y que éstos se condensan aún más.
• Se cree que esta serie de bucles sufre un nivel de condensación adicional que forma el cromosoma mitótico.

La regulación de la estructura cromosómica

[pic 2]Los cambios en la estructura del nucleosoma permiten el acceso al ADN

• Las células eucarióticas tiene varias formas de ajustar su la estructura de su cromatina.

• Una forma aprovecha los complejos de remodelación de la cromatina que son máquinas proteicas que utilizan la energía de la hidrólisis del ATP para cambiar la posición del ADN enrollado alrededor de sus nucleosomas.
• Otra forma consiste en la modificación química reversible de las histonas. Las colas de las cuatro histonas están sujetas a modificaciones covalente.

• Diferentes modificaciones de las colas atraen proteínas diferentes, algunas causan modificación adicional d la cromatina, otras facilitan el acceso al ADN mediante la condensación de la cromatina.
• Las enzimas modificadoras de histonas funcionan en concordancia con los complejos de remodelación cromatínica condensando o descondensando segmentos de cromatina, esto permite que la estructura cambie con rapidez.

Los cromosomas interfásicos contienen formas de cromatina tanto condensada como más extendida

• La cromatina de los cromosomas interfásicos no está condensada de modo uniforme.
• Las regiones que contienen los genes que se están expresando tienen la cromatina más desplegada, en cambio, las que tienen gen latente son más compactas.
• La heterocromatina es la forma mayor de condensación de la cromatina interfásica.
• La heterocromatina constituye alrededor del 10% del cromosoma interfásico, en los mamíferos está concentrado en los centrómeros y telómeros.
• Un conjunto de modificaciones de colas histónicas, incluida la metilación del residuo de lisina 9 en H3, induce la producción de heterocromatina.
• La mayor parte del ADN plegado en la heterocromatina no tiene genes, debido a que es tan compacta, que no suelen expresarse.
• La compactación inadecuada de genes en HetCrom suele causar enfermedades.
• El resto de la cromatina interfásica recibe el nombre de eucromatina, es más extendida.

Los cambios en la estructura cromatínica pueden heredarse

• Cuando un célula duplica su genoma cada hélice de ADN hija recibe la mitad de las proteínas histona de su progenitora.
• Cada cromosoma hijo contendrá dos tipos de nucleosoma:

• Los que contienen histonas modificadas heredadas de su cromosoma progenitor
• Los que contienen histonas neosintetizadas que no se han modificado.

• Herencia epigenética: se superpone a la herencia con fundamento en el ADN.

CAPITULO 6: REPLICACIÓN, REPARACIÓN Y RECOMBINACIÓN DE ADN

El proceso de replicación debe ocurrir antes de que la célula se divida y produzca dos células hijas  genéticamente idénticas.

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