1. DNA Y CROMOSOMAS
Tema 03 Capítulo 05

2. 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.

3. DNA y cromosomas
La 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.

4. 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?

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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).

10. 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.

11. 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.

12. Las bases no se aparean al azar:
Adenina con Timina
Guanina 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.

13. 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.

14. La estructura del DNA 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.
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?

15. 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.

16. ¿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.

17. 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.

18. LA ESTRUCTURA DE LOS CROMOSOMAS EUCARIOTICOS
Se 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.

19. 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.

20. El DNA eucariótico se condensa en muchos cromosomas
El 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.

21. 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.

22. Los cromosomas contienen largas hileras de genes
La 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.

23. 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).

24. 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.

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

26. 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.

27. 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.

28. Los cromosomas interfásicos están organizados dentro del núcleo
Cada 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.

29. El DNA en los cromosomas está muy condensado
Las 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.

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

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. La condensación cromosómica ocurre en muchos niveles
Los 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.

36. LA REGULACION DE LA ESTRUCTURA CROMOSOMICA
El 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.

37. Los cambios en la estructura del nucléosoma permiten el acceso al DNA
Las 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.

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

39. 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.

40. Los cambios de la estructura cromatinica pueden heredarse
Ciertos 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.

41. Los cambios de la estructura cromatinica pueden heredarse
Este 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.

42. 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.

43. • 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.

44. • 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.

45. • 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.