Estructura del cromosoma
Los 3 mil millones de pares de bases (pb) de ADN en cada célula humana
se extenderían alrededor de 2 metros si fueran desenrollados, una asombrosa
cantidad de material empaquetado en el pequeño núcleo de cada célula. Este ADN
se debe separar de manera uniforme cuando una célula se divide, de lo
contrario, la pérdida de ADN puede tener consecuencias devastadoras.
Afortunadamente, dichos errores en la separación del ADN son raros, en parte
porque las células pueden separar y empaquetar el ADN correctamente en
cromosomas.
Dentro del núcleo, el ADN existe en estado relativamente enmarañado.
Esto no quiere decir que el ADN esté desenrollado de su estructura de doble
hélice, sino más bien que el ADN es un poco laxo y no está plenamente
compactado en cromosomas firmemente
enrollados, aunque todo el ADN en un cromosoma permanece junto dentro del
núcleo. Cuando una célula no se divide, el ADN en el núcleo existe como una
intrincada combinación de ADN y
proteínas de unión a ADN llamadas histonas
para formar cadenas llamadas cromatina.
Durante la división celular, la cromatina se enrolla en densas fibras que con
el tiempo se enrollan alrededor la una de la otra para formar un cromosoma, un
paquete de ADN e histonas.
 |
| Organización del cromosoma. Los cromosomas son paquetes de ADN muy enrollado y condensado. En una célula que no se divide, el ADN existe en un estado llamado cromatina. Las histonas son las proteínas alrededor de las cuales el ADN se enrolla estrechamente dando una apariencia de "collar de perlas" cuando se ve al microscopio electrónico. Durante la formación de los cromosomas, que se produce cuando las células se dividen, la cromatina se compacta en fibras más apretadas, quedando una estructura superenrollada. En última instancia, estos bucles superenrollados son empaquetados con la ayuda de otras proteínas para crear un cromosoma entero, un conjunto altamente compacto de ADN. Cada cromosoma está formado por dos cromátidas hermanas unidas por un centrómero. Los brazos cromosómicos son las partes de las cromátidas que quedan a los lados del centrómero, denominados brazos p y q. Los extremos de un cromosoma se llaman telómeros. |
El tamaño y número de cromosomas varía de una especie a otra. La mayoría
de las bacterias tienen un solo cromosoma circular que contiene unos cuantos
miles de genes. Los eucariotas contienen normalmente uno o más conjuntos de
cromosomas, que tiene forma lineal. La mayoría de las células humanas contienen
dos grupos (pares) de 23 cromosomas cada uno, haciendo un total de 46
cromosomas. A través del proceso de fecundación, heredaste 23 cromosomas de tu
madre (cromosomas maternos) y 23
cromosomas de tu padre (cromosomas
paternos). Estos pares de cromosomas se llaman parejas de homólogos, u homólogos.
Los cromosomas del 1 al 22 son conocidos como los autosomas, el par 23 se denomina cromosoma sexual, y consta de los cromosomas X e Y.
Los óvulos humanos y los espermatozoides, llamados células sexuales o gametos, contienen un conjunto único de
23 cromosomas, llamado número haploide
(n) de cromosomas. Todas las demás células del cuerpo, como las células de
la piel, las células musculares y las células hepáticas se conocen como células somáticas. Las células
somáticas de muchos organismos tienen dos juegos de cromosomas, denominados número diploide (2n) de cromosomas. Las
células somáticas humanas contienen 46 cromosomas. Las células somáticas de un
hombre normal tienen 22 pares de autosomas y un cromosoma X y otro Y, y las
células de una mujer normal tienen 22 pares de autosomas y dos cromosomas X.
 |
| Cariotipo humano |
Los cromosomas sexuales se llaman así porque contienen genes que
influyen en los rasgos sexuales y el desarrollo de los órganos reproductivos,
mientras originalmente se pensó que los autosomas sobre todo contenían los
genes que afectaban a otras características del cuerpo no relacionadas con el
sexo, como el color de la piel y de los ojos. Aunque hay genes involucrados en
la determinación de los órganos sexuales en el cromosoma Y, hay otros que
participan en la determinación del sexo que están presentes en los autosomas, y
la mayoría de los genes en el cromosoma X no son necesarios para el desarrollo
de los órganos reproductivos.
Varias características son comunes a la mayoría de los cromosomas
eucariotas. Los procariotas suelen contener un cromosoma circular con
estructuras ligeramente diferentes. En eucariotas cada cromosoma está formado
por dos estructuras en forma de finas varillas de ADN llamadas cromátidas
hermanas. Las cromátidas hermanas son réplicas exactas la una de la otra,
copiadas durante la síntesis del ADN, que se produce justo antes de la
formación del cromosoma. Durante la división celular, cada una de las
cromátidas hermanas se separa de manera que las células de nueva formación
reciben la misma cantidad de ADN que la célula original de la que provienen.
Cada uno de los cromosomas eucariotas tiene un solo centrómero, una región
estrecha del cromosoma formada por ADN y proteínas entrelazadas que mantienen
las dos cromátidas hermanas unidas entre sí. Esta región del cromosoma también
contiene proteínas que unen los cromosomas a unos organelos llamados
microtúbulos, que desempeñan un papel esencial en el movimiento y la separación
de las cromátidas hermanas durante la división celular.
El centrómero delimita cada una de las cromátidas hermanas en dos
brazos: el brazo corto llamado brazo p,
y el brazo largo, o brazo q. Cada
brazo de un cromosoma termina con un segmento llamado telómero. Los telómeros
son secuencias repetitivas de nucleótidos altamente conservadas que son
importantes para fijas los cromosomas a la envuelta nuclear. Los telómeros son objeto de una intensa investigación. Se cree
que los cambios en la longitud de los telómeros desempeñan un papel importante
en el proceso de envejecimiento y en el desarrollo de determinados tipos de
cáncer.
El análisis del cariotipo para el estudio de los
cromosomas
Una de las maneras más comunes para estudiar el número de cromosomas y
los aspectos básicos de la estructura de los mismos es preparar un cariotipo. En
el análisis del cariotipo, las células se extienden sobre un portaobjetos y después
se tratan con productos químicos para liberar y teñir los cromosomas. Por ejemplo,
bandas G, donde los cromosomas son tratados con un colorante que se fija al ADN,
llamado Giemsa, creando una serie de bandas claras y oscuras en los cromosomas
teñidos. Cada cromosoma teñido muestra un patrón de bandas único y reproducible
que se puede utilizar para identificar los diferentes cromosomas. Los cromosomas
pueden será alineados y apareados basándose en su patrón de coloración y su tamaño.
En los seres humanos, el cromosoma 1 es el cromosoma más grande y el cromosoma
21 es el más pequeño. Los cariotipos son muy valiosos para el estudio y comparación
de ciertas estructuras cromosómicas. El análisis del cariotipo se utiliza para
identificar patologías genéticas humanas asociadas con alteraciones en la
estructura y número de los cromosomas.
Replicación del ADN
Cuando una célula se divide, es esencial que las nuevas células creadas
contengan copias iguales del ADN replicado. Las células somáticas se dividen en
un proceso llamado mitosis en el que
una célula se divide para producir células hijas cada una de las cuales contiene
una copia idéntica del ADN de la célula original (parental). Por ejemplo, una
célula de piel humana se divide para producir dos células hijas, cada una con
23 pares de cromosomas. Los gametos se forman por un proceso llamado meiosis, en el que una célula madre se
divide para crear hasta cuatro células hijas, que pueden ser los
espermatozoides o los óvulos. Durante la meiosis, el número de cromosomas de
las células hijas se reduce a la mitad al número haploide. El espermatozoide y
el óvulo contienen un único conjunto de 23 cromosomas. A través de la
reproducción sexual, se origina un óvulo fecundado llamado cigoto. El cigoto, que se divide por mitosis para formar un embrión
y, finalmente, un ser humano completo, contiene 46 cromosomas: 23 cromosomas
paternos y 23 maternos.
Antes de la división celular, ya sea por mitosis o meiosis, el ADN debe
replicarse en la célula. La replicación de ADN se produce por un proceso
llamado replicación semiconservativa.
Antes que comience la replicación, las dos hebras complementarias de la doble
hélice deben ser separadas en hebras simples. Una vez separadas, las dos
cadenas sirven como molde para copiar dos nuevas cadenas de ADN. Al final de
este proceso, se habrán formado dos nuevas dobles hélices. Cada hélice contiene
una hebra de ADN original (parental) y una cadena de nueva síntesis, de ahí el
término “semiconservativa”.
 |
| Resumen de la replicación del ADN. Primero las cadenas de nucleótidos de una molécula de ADN deben separarse (a). Cada hebra sirve como molde oara la síntesis de una nueva hebra, produciendo dos moléculas de ADN, cada una con una cadena original y otra cadena de nueva síntesis (b). |
La replicación del ADN se produce en una serie de etapas en las que
actúan diferentes proteínas. Debido a que los procariotas contienen cromosomas
circulares, la replicación del ADN en procariotas es ligeramente diferente de
la de los eucariotas.
La replicación es iniciada por la ADN
helicasa, una enzima que separa las dos cadenas de nucleótidos, literalmente,
“descomprime” el ADN rompiendo los puentes de hidrogeno entre pares de bases
complementarias. Las cadenas separadas forman una horquilla de replicación. Conforme
la helicasa desenrolla el ADN, las proteínas
de unión a cadena sencilla se unen a cada hebra y evitan que las bases se
vuelvan a aparear y se forme de nuevo una doble hélice. Este paso es
importante, porque las hebras de ADN deben permanecer separadas durante la
replicación del ADN. La separación de las cadenas complementarias se produce en
las regiones del ADN llamadas orígenes de
replicación. Los cromosomas bacterianos tienen un solo origen. Debido a su
gran tamaño, los cromosomas eucariotas tienen múltiples orígenes. Iniciar la
replicación del ADN en múltiples orígenes permite a los cromosomas eucariotas
ser copiados rápidamente.
 |
| Complejo de replicación del ADN |
El siguiente paso en la replicación del ADN requiere de la presencia de
pequeños segmentos de ARN de aproximadamente 10 a 15 nucleótidos de largo. Estas
secuencias, llamadas cebadores, oligonucleótidos o “primers”, son sintetizados
por una enzima llamada primasa (en
eucariotas, una forma de la ADN polimerasa llamada (alfa) actúa como la
primasa). Los primers inician el proceso de replicación del ADN porque sirven
como sitios de unión para las ADN
polimerasas, las enzimas clave que sintetizan las nuevas hebras de ADN. Existen
diferentes formas de ADN polimerasa involucradas en la copia del ADN. En bacterias,
la enzima ADN polimerasa III
(llamada ADN polimerasa en eucariotas) se une a cada cadena simple, moviéndose a
lo largo de la cadena y usándola como molde para copiar una nueva cadena de
ADN. Durante este proceso, la ADN polimerasa utiliza nucleótidos presentes en
la célula para sintetizar cadenas complementarias de ADN. La ADN polimerasa
siempre trabaja en una dirección, sintetizando las nuevas cadenas con orientación
5’ a 3’ y añadiendo nucleótidos al extremo 3’ de una cadena de nueva síntesis mediante
la formación de enlaces fosfodiéster entre el fosfato de un nucleótido y el
azúcar del nucleótido anterior.
Debido a la que ADN polimerasa sólo actúa en sentido 5’ a 3’, la replicación
a lo largo de una cadena, la cadena
líder, se produce de forma continua. La síntesis de la cadena opuesta, la cadena retrasada, se produce de forma
discontinua debido a que la ADN polimerasa debe esperar a que la horquilla de replicación
se abra. Sobre la cadena retrasada, se sintetizan segmentos cortos de ADN llamados
fragmentos de Okazaki (llamados así
por Reiji y Tsuneko Okazaki, los científicos que descubrieron estos fragmentos)
conforme la ADN polimerasa trabaja hacia fuera de la horquilla de replicación. La
ADN ligasa cataliza los enlaces
covalentes entre los fragmentos de Okazaki en la cadena retrasada para
garantizar que no hay huecos en el esqueleto
fosfodiéster. Por último, se retiran los primers y estos huecos son
rellenados por la ADN polimerasa.
¿Qué es un genoma?
El ADN contiene las instrucciones para la vida: los genes. Todo el ADN
de las células de un organismo se denomina genoma. Existen aproximadamente
20000 genes repartidos entre 3 mil millones de pares de bases de ADN contenidos
en el genoma humano. El estudio de los genomas, una disciplina llamada genómica,
es actualmente una de las áreas más activas y de rápido avance de la biología.
Desde 1990 a 2001, se ejecuto el Proyecto Genoma Humano, que buscaba leer y
mapear todos los genes que forman parte del genoma humano, abriendo con ello,
nuevos campos a la medicina y la evolución.
Fuente: Introducción a la biotecnología.
2010. William J. Thieman, Michael A. Palladino. Editorial
Pearson.
Añadir un comentario