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1.2: Cromosomas y cromatina - Biología


Objetivos de aprendizaje

  • Comprender que los cromosomas contienen genes, que son secuencias de ADN que codifican productos y describen cómo las posiciones de genes individuales en un cromosoma dado están relacionadas con sus posiciones en el homólogo de ese cromosoma.
  • Analice cómo se empaqueta el ADN en los cromosomas en términos de histonas, nucleosomas y cromatina (heterocromatina y eucromatina).
  • Explica el significado de ploidía (haploide, diploide) y cómo se relaciona con el número de homólogos de cada cromosoma.
  • Compara los cromosomas procarióticos y eucarióticos.
  • Interpreta un cariotipo.

¿Qué es un cromosoma?

Los cromosomas son unidades de ADN almacenadas dentro de las células. En los procariotas, estas unidades suelen ser circulares, mientras que en los eucariotas las unidades son típicamente lineales.

Genes son secuencias dentro de los cromosomas que contienen información en la secuencia de bases de nucleótidos que codifica un producto (ARN o una proteína).

Características y compactación de los cromosomas circulares

El cromosoma bacteriano es típicamente una molécula de ADN helicoidal bicatenario. En la mayoría de las bacterias, los dos extremos del ADN de doble hebra se unen covalentemente para formar un círculo físico y genético. El cromosoma tiene generalmente alrededor de 1000 µm de largo y con frecuencia contiene hasta 3500 genes. mi. coli, una bacteria que mide 2-3 µm de longitud, tiene un cromosoma de aproximadamente 1400 µm de longitud.

Para permitir que una macromolécula de este tamaño encaje dentro de la bacteria, las proteínas se unen al ADN, segregando la molécula de ADN en alrededor de 50 dominios cromosómicos y haciéndola más compacta. Los procariotas compactan principalmente los cromosomas mediante el superenrollamiento, el proceso de torcer un trozo de ADN que hace que se "pliegue" sobre sí mismo. Piense en un cable de teléfono antiguo o en un trozo de cuerda que sigue retorciendo. El superenrollamiento no es aleatorio, sino que está controlado por enzimas (topoisomerasas) que pueden agregar o eliminar "giros" en la doble hélice para aflojar o tensar la compactación del cromosoma.

Características de los cromosomas lineales

Los cromosomas lineales contienen características estructurales como centrómeros y telómeros. En la mayoría de los casos, cada cromosoma contiene un centrómero. Estas secuencias están unidas por proteínas que unirán el centrómero a los microtúbulos que facilitan el movimiento de los cromosomas durante la división celular. Bajo el microscopio, los centrómeros de los cromosomas en metafase a veces pueden aparecer como constricciones en el cuerpo del cromosoma. Si un centrómero se encuentra cerca de la mitad de un cromosoma, es metacéntrico, mientras que un telocéntrico centrómero está en, o cerca, del final del cromosoma. Algunos organismos tampoco tienen un solo centrómero, pero son holocéntrico. Telómeros son secuencias repetitivas cerca de los extremos de los cromosomas lineales y son importantes para mantener la longitud de los cromosomas durante la replicación y proteger los extremos de los cromosomas de alteraciones.

Homólogo cromosomas son típicamente pares de cromosomas similares, pero no idénticos, en los que un miembro del par proviene del progenitor masculino y el otro proviene del progenitor femenino. Los homólogos contienen los mismos loci de genes en el mismo orden. No homólogo cromosomas contienen diferentes loci de genes y, por lo general, se pueden distinguir en función de características citológicas como la longitud, la posición del centrómero y los patrones de bandas producidos por la tinción.

¿Qué significa ser diploide?

La mayoría de los organismos eucariotas son diploide, lo que significa que tienen dos juegos de cromosomas.

Recuerde que esto significa que cada celda tiene:

  • dos homólogos de cada cromosoma
  • dos copias de cada gen

El número de no homólogo los cromosomas varían según el organismo.

Niveles de compactación en eucariotas

Si se estira en toda su longitud, la molécula de ADN del cromosoma humano más grande sería de 85 mm. Sin embargo, durante la mitosis y la meiosis, esta molécula de ADN se compacta en un cromosoma de aproximadamente 5 µm de largo (¡17.000 veces más pequeño!). Aunque esta compactación facilita el transporte de ADN dentro de una célula en división, también hace que el ADN sea menos accesible para otras funciones celulares como la síntesis y transcripción del ADN. Por lo tanto, los cromosomas varían en la forma en que se empaqueta el ADN, dependiendo de la etapa del ciclo celular y también del nivel de actividad genética requerida en cualquier región particular del cromosoma.

Hay varios niveles diferentes de organización estructural en los cromosomas eucariotas, y cada nivel sucesivo contribuye a una mayor compactación del ADN. La compactación del ADN requiere proteínas y la combinación de proteínas y ADN es cromatina. Para ADN más compactado, solo se pueden aplicar los primeros niveles de organización. Cada nivel involucra un conjunto específico de proteínas que se asocian con el ADN para compactarlo. Primero, las proteínas llamadas centro histonas actuar como un carrete alrededor del cual el ADN se enrolla dos veces para formar una estructura llamada nucleosoma, que se compone de ocho polipéptidos, dos copias de las proteínas histonas H2A, H2B, H3 y H4. Los nucleosomas se forman a intervalos regulares a lo largo de la cadena de ADN, lo que le da a la molécula la apariencia de "cuentas en una cuerda".

En el siguiente nivel de organización, histona H1 ayuda a compactar la cadena de ADN y sus nucleosomas en una Fibra de 30nm. Los niveles posteriores de organización implican la adición de proteínas de andamio que enrollan la fibra de 30 nm en bobinas, que a su vez se enrollan alrededor de otras proteínas de andamio.

El empaquetado de la cromatina varía dentro de un cromosoma: eucromatina y heterocromatina

Clásicamente, hay dos tipos principales de cromatina, pero estos son más los extremos de un espectro continuo y variado. Eucromatina está más suelto y tiende a contener genes que se transcriben (o que la célula los utiliza activamente). Por ejemplo, podría haber nucleosomas muy espaciados dentro de una región de eucromatina, dejando más ADN accesible para las proteínas que interactúan con esa región. A diferencia de, heterocromatina generalmente contiene nucleosomas densamente empaquetados, a menudo es rico en secuencias repetitivas y tiende a no contener genes que se estén transcribiendo activamente. Dentro de estas regiones, los nucleosomas pueden estar muy juntos, lo que restringe el acceso de las proteínas al ADN. Tanto los centrómeros como los telómeros suelen ser heterocromatina, mientras que otras regiones de los cromosomas pueden cambiarse de heterocromatina a eucromatina o viceversa, a menudo mediante proteínas que modifican histonas y nucleosomas.

Mantener los cromosomas organizados en núcleos.

Durante la interfase, los cromosomas descondensados ​​a menudo tienen ubicaciones específicas dentro del núcleo y entre sí, lo que se ha estudiado utilizando una técnica llamada FISH, hibridación in situ fluorescente. En FISH, las sondas marcadas con fluorescencia (fragmentos de ADN monocatenario) reconocen secuencias complementarias específicas de cada cromosoma y permiten la visualización de ubicaciones cromosómicas específicas dentro de un núcleo lleno de ADN.

Desglose de términos para entender FISH:

F = fluorescente porque una pequeña molécula que es excitada por una cierta longitud de onda de luz está unida a la sonda

IS = in situ es un término latino que significa en el lugar original porque el experimento examina algo dentro de una celda

H = hibridación porque la sonda y el ADN celular son complementarios y, por lo tanto, se unen (o hibridan)

Ejercicio ( PageIndex {1} )

¿Cómo las sondas de ADN reconocen secuencias de ADN en las células en este experimento?

Respuesta

¡Las reglas del emparejamiento de bases A-T y G-C y la orientación antiparalela! Las sondas son complementarias a las secuencias de ADN específicas de cada cromosoma.

Cariotipos

Los cromosomas se tiñen con algunos tipos de tintes, que es la razón por la que recibieron su nombre (cromosoma significa "cuerpo coloreado"). Ciertos tintes tiñen algunas regiones a lo largo de un cromosoma más intensamente que otras, dando a algunos cromosomas una apariencia de bandas cuando se tiñen. Un cariotipo es una representación de un conjunto completo de cromosomas. Los cariotipos generalmente se determinan aislando los cromosomas mitóticos para verlos como un cariograma. Se utilizan sustancias químicas que detienen las células en metafase y luego los cromosomas se liberan de los núcleos, generalmente en un portaobjetos. Los cromosomas en esta etapa están en el estado más compacto. Las imágenes de estos cromosomas se pueden capturar digitalmente y organizarse en pares para examinar el conjunto completo de cromosomas en la célula.

Para obtener información adicional sobre el cariotipo: https://www.nature.com/scitable/topicpage/karyotyping-for-chromosomal-abnormalities-298/

Referencias

Bolzer A, Kreth G, Solovei I, Koehler D, Saracoglu K, Fauth C, et al. (2005) Mapas tridimensionales de todos los cromosomas en núcleos de fibroblastos masculinos humanos y rosetas de prometafase. PLoS Biol 3 (5): e157. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.0030157

Duan J, Jiang W, Cheng Z, Heikkila JJ, Glick BR ​​(2013) La secuencia completa del genoma de la bacteria promotora del crecimiento vegetal Pseudomonas sp. UW4. PLoS ONE 8 (3): e58640. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0058640

Qing L, Xia Y, Zheng Y, Zeng X (2012) Un caso de novo de polimorfismos cromosómicos flotantes por translocación en Quasipaa boulengeri (Anura, Dicroglossidae). PLoS ONE 7 (10): e46163. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0046163


Mitosis: ADN cromosómico empaquetado en capas apiladas

Un nuevo estudio basado en técnicas de microscopía electrónica a bajas temperaturas demuestra que, durante la mitosis, el ADN del cromosoma se empaqueta en capas apiladas de cromatina. La investigación, publicada en Revista EMBO, confirma una sorprendente estructura propuesta por investigadores de la UAB hace más de una década, pero criticada por las limitaciones de la técnica utilizada.

En los núcleos celulares, el ADN se une a las proteínas histonas y forma largas cadenas de nucleosomas que se denominan fibras de cromatina. En el Laboratorio de Cromatina del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la UAB, dirigido por el profesor Joan-Ramon Daban, se descubrió en 2005 que la cromatina de los cromosomas mitóticos forma placas multilaminares. Este fue un resultado sorprendente, que ha sido criticado porque no se esperaba que las fibras lineales de cromatina pudieran dar lugar a estructuras planas, y porque se basa en técnicas convencionales de microscopía electrónica y microscopía de fuerza atómica que requieren adsorber la muestra, respectivamente, en superficies planas de carbono y mica. Además, en el caso de la microscopía electrónica, la muestra debe fijarse con reticulantes químicos, tratarse con agentes de contraste y deshidratarse.

Un nuevo estudio basado en microscopía electrónica en condiciones criogénicas y dispersión de rayos X sincrotrón, publicado en Revista EMBO, ha demostrado que en los cromosomas mitóticos el ADN está densamente empaquetado formando láminas apiladas de cromatina, que se estabilizan mediante interacciones entre nucleosomas.

La ventaja de las técnicas de microscopía crioelectrónica, utilizadas en este nuevo estudio, es que la muestra (sin reticular y sin tratar con agentes de contraste) se suspende en una solución acuosa que se mantiene congelada a -180 ° C, incluso durante la obtención de imágenes. Dado que las estructuras a estudiar son grandes y complejas, en este trabajo se utilizó la tomografía crioelectrónica porque esta técnica permite capturar muchas imágenes con diferentes ángulos de inclinación y, al final, se obtiene una reconstrucción tridimensional de las estructuras analizadas.

Las reconstrucciones tridimensionales mostraron que la cromatina que emana de los cromosomas humanos mantenidos en condiciones iónicas fisiológicas es plana y forma placas multilaminares. Las medidas de espesor obtenidas (capa única 7,5 nm dos capas en contacto 13 nm) sugieren que las placas están formadas por capas de mononucleosomas, que se interdigitan entre ellas. Los experimentos complementarios de dispersión de rayos X mostraron un pico dominante a 6 nm, que puede correlacionarse con la distancia entre capas y entre nucleosomas asociados a través de sus caras laterales.

Hay placas multilaminares que tienen las dimensiones correspondientes al diámetro de un cromosoma humano (600 nm). Esto sugiere que los cromosomas están formados por capas apiladas de cromatina que están orientadas perpendicularmente al eje del cromosoma. Esta estructura es muy compacta y probablemente tiene la función de proteger la integridad del ADN genómico durante la división celular.


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Cariotipo:

Conjunto completo de cromosomas en una especie o en un organismo individual.

  • Los cariotipos describen el número de cromosomas en un organismo y cómo se ven estos cromosomas bajo un microscopio óptico.
  • Se consideran la longitud de un cromosoma, la posición del centrómero, su patrón de bandas, las diferencias entre los cromosomas sexuales y los autosomas y cualquier otra característica física.

Idiogramaes una representación esquemática de un cariotipo de una especie.

Genoma: es el conjunto completo de cromosomas / genes de un organismo.

Autosomas: Cromosomas distintos de los cromosomas sexuales (X & amp Y)son autosomas.

Cromosomas homólogos son cromosomas que tienen el mismo número, tipo y disposición de genes. Pero uno es paterno y el otro es materno.


Eucromatina y heterocromatina

La cromatina dentro de una célula puede compactarse en diversos grados según la etapa de la célula en el ciclo celular.

En el núcleo, la cromatina existe como eucromatina o heterocromatina. Durante la interfase del ciclo, la célula no se divide sino que experimenta un período de crecimiento.

La mayor parte de la cromatina se encuentra en una forma menos compacta conocida como eucromatina. Una mayor parte del ADN se expone en eucromatina, lo que permite que tenga lugar la replicación y la transcripción del ADN.

Durante la transcripción, la doble hélice de ADN se desenrolla y se abre para permitir que se copien los genes que codifican las proteínas. La replicación y transcripción del ADN son necesarias para que la célula sintetice ADN, proteínas y orgánulos en preparación para la división celular (mitosis o meiosis).

Un pequeño porcentaje de cromatina existe como heterocromatina durante la interfase. Esta cromatina está compactada, lo que no permite la transcripción de genes. La heterocromatina se tiñe de manera más oscura con tintes que la eucromatina.


El descubrimiento de los biólogos puede forzar la revisión de los libros de texto de biología: una nueva partícula de cromatina a medio camino entre el ADN y un nucleosoma

Es posible que los libros de texto de biología básica necesiten un poco de revisión ahora que los biólogos de UC San Diego han descubierto un componente nunca antes observado de nuestro material genético básico.

Según los libros de texto, la cromatina, el estado natural del ADN en la célula, está formada por nucleosomas. Y los nucleosomas son la unidad básica repetitiva de la cromatina.

Cuando se ven con un microscopio de alta potencia, los nucleosomas se ven como cuentas en una cuerda. Pero en la edición del 19 de agosto de la revista Célula molecular Los biólogos de UC San Diego informan sobre el descubrimiento de una nueva partícula de cromatina a medio camino entre el ADN y un nucleosoma. Si bien parece un nucleosoma, dicen, de hecho es una partícula distinta en sí misma.

"Esta nueva partícula se encontró como un precursor de un nucleosoma", dijo James Kadonaga, profesor de biología en UC San Diego, quien encabezó el equipo de investigación y llama a la partícula un "pre-nucleosoma". "Estos hallazgos sugieren que es necesario reconsiderar qué es la cromatina. Es probable que el pre-nucleosoma sea un actor importante en cómo se duplica y utiliza nuestro material genético".

Los biólogos dicen que si bien el pre-nucleosoma puede parecerse a un nucleosoma bajo el microscopio, las pruebas bioquímicas han demostrado que en realidad está a medio camino entre el ADN y un nucleosoma.

Estos pre-nucleosomas, dicen los investigadores, se convierten en nucleosomas por una proteína motora que utiliza la molécula de energía ATP.

"El descubrimiento de los pre-nucleosomas sugiere que gran parte de la cromatina, que generalmente se presume que consiste sólo en nucleosomas, puede ser una mezcla de nucleosomas y pre-nucleosomas", dijo Kadonaga. "Entonces, este descubrimiento puede ser el comienzo de una revolución en nuestra comprensión de lo que es la cromatina".

"El empaquetado de ADN con proteínas histonas para formar cromatina ayuda a estabilizar los cromosomas y juega un papel importante en la regulación de las actividades de los genes y la replicación del ADN", dijo Anthony Carter, que supervisa las subvenciones de cromatina en el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud. , que financió la investigación. "El descubrimiento de un nuevo complejo intermedio de ADN-histona ofrece información intrigante sobre la naturaleza de la cromatina y puede ayudarnos a comprender mejor cómo afecta estos procesos celulares clave".


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Ver el vídeo: Cromosomas y cromatina (Enero 2022).