Biologia Celular 1

Transcripción alternativa:

se conoce como "fijismo" era predominante en el pensamiento de los naturalistas de la época. Lamarck se oponía al catastrofismo y al fijismo de Cuvier. Consideró la idea de una complejidad en continuo aumento y a cada especie como deriva de una más primitiva y menos compleja. Propuso que las formas más complejas habían surgido de las formas más simples por un proceso de trasformación progresiva. Esto depende de tres factores: ● Cambios ambientales El ambiente cambia constantemente y al modificarse plantea nuevos requerimientos a los organismos, que deben adecuarse a esos cambios. Sentimiento interior Este concepto representaba el esfuerzo inconsciente y ascendente que impulsaba a cada criatura viva hacia un grado de complejidad mayor. Ley de uso y desuso de los órganos y teoría de la herencia de los caracteres adquiridos Con dependencia de las exigencias del ambiente y debido a su uso o desuso, los órganos en los seres vivos se hacen más fuertes o débiles, más o menos importantes, y estos cambios se transfieren a su progenie. 1 La evolución de las jirafas según Lamarck LEAPARILY! Ante la falta de hojas, las jirafas estirarían su cuello y sus patas para lograr alcanzar las hojas situadas a más altura. Las jirafas viven en la sabana alimentándose de las hojas de los árboles. En época de sequía, las hojas escasean. El estiramiento de las patas y el cuello provocaria su alargamiento. Estos caracteres los heredarian los descendientes. Charles Lyell expuso la teoría "uniformista", la cual sostenía que un efecto lento, constante y acumulativo de las fuerzas naturales había producido un cambio continuo en el curso de la historia de la Tierra. Darwin no fue el primero en proponer que los organismos evolucionan, pero fue el primero en acumular una cantidad importante de evidencia en apoyo de esta idea y en proponer un mecanismo valido por el cual podría ocurrir la evolución. Llamó selección natural a un proceso análogo a la selección practicada por los mejoradores vegetales y los criadores de ganado, caballos, perros o palomas; el éxito reproductivo diferencial de los organismos es el resultado de la competencia por los recursos. En la selección artificial, los humanos elegimos especímenes individuales de plantas o animales para reproducirlos sobre la base de las características que nos parecen deseables. Según Darwin, las variaciones hereditarias que aparecen en cada población natural son una cuestión de azar. No las produce el ambiente, ni una fuerza creadora, ni el esfuerzo inconsciente del organismo: se establece en forma aleatoria. La selección natural "ordena" la variación aleatoria, a través de la interacción de los organismos individuales con su ambiente, lo cual orienta el rumbo de la evolución. Cinco premisas del proceso evolutivo según Darwin: 1. Los organismos provienen de organismos similares a ellos. Hay cierta estabilidad en el proceso de reproducción. 2. El número de descendientes que sobreviven y se reproducen en cada generación es menor que el numero inicial de descendientes. 3. En cualquier población existen variaciones entre individuos y algunas de estas variaciones son heredables. 4. El número de individuos que sobreviva y se reproduzca dependerá de la interacción entre las variaciones heredables individuales y el ambiente. Darwin llamó a estas variaciones "favorables". 5. Dado un tiempo suficiente, la selección natural, actuando sobre dos poblaciones de organismos de una misma especie, puede producir una acumulación de cambios tal que esas poblaciones terminen constituyendo dos especies diferentes. 2 Evidencias del proceso evolutivo: 1. Evidencias que provienen de la observación directa El tiempo de los seres humanos para observar estos procesos resulta demasiado corto y no pueden anticipar que rumbo ha de tomar la evolución. Darwin creía que la evolución era un proceso tan lento que nunca podría observarse de manera directa. Sin embargo, en algunos casos es posible apreciar directamente cambios evolutivos que están ocurriendo en la actualidad, como lo es la gran variación que presentan poblaciones naturales de una misma especie en relación con las características de diferentes ambientes (microevolución). 2. Evidencias que provienen de la biogeografía Es el conocimiento y la interpretación de la distribución de las plantas y de los animales en las distintas regiones del globo. Los estudios que provienen de este cambio han ocurrido respecto de los cambios espaciales que han sucedido a largo del tiempo geológico. 3. Evidencias que provienen del registro fósil Revela una sucesión de patrones morfológicos en la que las formas más simples en general preceden a las más complejas. Las pruebas que provienen del registro fósil constituyen evidencias abrumadoras de que la evolución ciertamente ha ocurrido. 4. Evidencias que provienen de la homología Proviene del estudio comparativo de las estructuras homólogas. Existen homologías entre los miembros de diferentes especies, que no están justificadas funcionalmente. Todas estas características conservadas representan homologías entre los miembros de diferentes especies que no están justificadas funcionalmente. Todas estas características conservadas representan homologías que dan cuenta del origen común de estos grupos. 5. Evidencias que provienen de la imperfección de la adaptación "Adaptación" es un término que puede referirse a la adaptación fisiológica de un organismo individual en una población durante el curso de muchas generaciones. La teoría de la evolución, tal como la formuló Darwin, tenía un punto muy débil: la falta total de un mecanismo que explicara en forma coherente el proceso de la herencia. Los avances posteriores en el campo de la genética hicieron posible dar respuesta a tres interrogantes que Darwin había dejado abiertos: Entre 1838 y 1858 se estableció la teoría celular, la idea de que todos los organismos vivos están compuestos por una o más células y que éstas pueden organizarse exclusivamente a partir de células preexistentes. La teoría celular afirma que: ● ● Cómo se transmiten los caracteres hereditarios de generación en generación. Por qué los caracteres hereditarios no se "mezclan", sino que se mantienen fijos desapareciendo en algunas ocasiones en una generación y reapareciendo en otra posterior. Cómo surge la variabilidad sobre la que actúa la selección natural. ● Todos los organismos vivos están compuestos por una o más células. Es decir, de la mínima unidad estructural y funcional considerada como materia viva. Las reacciones químicas de un organismo vivo ocurren dentro de las células. Las células se originan de otras células. 3 ● Las células contienen la información hereditaria de los organismos de los cuales son parte y esta información pasa de células progenitoras a células hijas. Oparin y Haldane postularon que la aparición de la vida fue precedida por un largo periodo que denominaron evolución química. Oparin propuso que, en esas condiciones, los gases atmosféricos acumulados en los mares y los lagos de la tierra se habrían condensado formado moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas más pequeñas habrían reaccionado entre sí formando moléculas más grandes y éstas fueron formando pequeños sistemas. Una vez constituidos estos sistemas, se habría dado lugar a una nueva etapa que Oparin denominó evolución prebiológica. En la tierra actual, las moléculas orgánicas se degradarían en presencia de oxígeno. A partir de la aparición de los organismos capaces de liberar oxígeno a la atmosfera, se fue construyendo la capa de ozono capaz de filtrar, y así disminuir, las radiaciones ultravioletas. De esta manera, los seres vivos modificaron la atmósfera primitiva. Lynn Margulis propuso la teoría endosimbiótica para explicar el origen de algunas organelas eucariontes, especialmente las mitocondrias (que contienen ADN propio y diferente del ADN nuclear) y los cloroplastos. Asimismo, muchas enzimas presentes en las membranas celulares de las bacterias también se encuentran en las membranas mitocondriales. Además, las mitocondrias solo son producidas por otras mitocondrias, que se dividen dentro de la célula hospedadora. Las células eucariontes son más eficientes desde el punto de vista metabólico, dado que debido a la presencia de membranas, las funciones se reparten en compartimientos específicos. En los orígenes de la multicelularidad, se considera que los primeros grupos multicelulares (protistas unicelulares -algas, hongos, plantas y animales-) evolucionaron a partir de diferentes eucariotas unicelulares. Organismos multicelulares y unicelulares: Semejanzas Están limitadas por una membrana idéntica y sus organelas comparten la misma estructura. Irrrrrrr Diferencias Cada tipo celular de los organismos multicelulares se especializa y lleva a cabo una función determinada. -Caracteristicas de los seres vivos. El nivel de organización más simple de la materia es el subatómico, en el que se encuentran los protones, neutrones y electrones, que constituyen los átomos. Los átomos individuales forman moléculas, las cuales, al agruparse, forman macromoléculas. 4 Las células vivas especializadas se organizan en tejidos, los que a su vez pueden constituir órganos. Éstos pueden formar parte de un sistema. Estas características conforman a un organismo individual, el cual interactúa con otros, dentro de una población. Ésta a su vez constituye una comunidad, que forma un ecosistema. El último nivel de organización, la biosfera, comprende no solo la gran diversidad de plantas, animales y microrganismos y sus interacciones mutuas, sino también las características físicas del ambiente y del propio planeta tierra. En periodos largos estas interacciones dan lugar al cambio evolutivo. En periodos cortos, determinan la organización de las comunidades de organismos vivos que encontramos a nuestro alrededor. Las características para ser considerado un ser vivo son: Todos los seres vivos están formados por células. Poseen una organización y complejidad de los elementos que los componen. Poseen metabolismo: es el conjunto de reacciones bioquímicas relacionadas con la síntesis de sus propios componentes (reacciones anabólicas) y la degradación de moléculas para alimentarse (reacciones catabólicas), que se llevan a cabo en la célula para que pueda sobrevivir. ● ● ● Son sistemas abiertos: intercambian materia y energía con el medio que las rodea. Las sustancias que ingresan en un organismo se incorporan a una red de reacciones químicas en las que se degradan o se utilizan como unidades para la construcción de compuestos más complejos. Presentan homeostasis: capacidad de mantener al medio interno estable, la cual le permite al organismo mantener su identidad bioquímica y funcional pese a las cambiantes condiciones del medio exterior. Presentan irritabilidad: capacidad de responder a un estímulo interno o externo. Se reproducen: pueden dejar descendencia de la misma especie con características morfológicas y fisiológicas similares. Crecen y se desarrollan. Se adaptan y evolucionan: van adquiriendo características nuevas que resultan favorables para los requerimientos del ambiente en el que viven. Si estas características favorables se pueden transmitir a la descendencia, evolucionan. Presentan autopoyesis: capacidad de autoproducirse, es decir de producir sus propios componentes. Existen dos tipos de células. Entre los procariontes se reconocen los dominios Bacteria y Archaea, los cuales agrupan procariontes unicelulares y coloniales. Entre los eucariontes se reconoce el dominio Eukarya. Los tres dominios derivan de un único ancestro común, al que se ha denominado "progenote". Las diferencias existentes entre bacterias, archaeas y eucariontes serian el resultado de la evolución independiente de cada uno de estos grupos. Los organismos heterótrofos incorporan moléculas orgánicas del ambiente exterior, las que degradan para obtener energía y componentes para su estructura. Estos organismos incluyen a los animales, los hongos y muchos unicelulares. 5 Los organismos autótrofos son capaces de sintetizar moléculas orgánicas ricas en energía a partir de sustancias inorgánicas simples y, por lo tanto, no requieren moléculas orgánicas del exterior. Entre los autótrofos, las plantas y varios tipos de protistas son fotosintéticos, es decir que utilizan la luz del Sol como fuente de energía para las reacciones de síntesis química. En cambio, los grupos de bacterias llamadas quimiosintéticas obtienen la energía para sintetizar moléculas orgánicas de la energía liberada por reacciones inorgánicas. Las bases genéticas de la evolución De la síntesis entre la teoría darwiniana y los principios mendelianos nació la genética de poblaciones. Una población consiste en un sistema de organismos de la misma especie que conviven en el espacio y en el tiempo y que se reproducen entre sí. La genética concibe a la población como una población de genes, más que como a una población de individuos. Una población es una unidad definida por su reservorio génico, que es el conjunto de todos los alelos de todos los genes de los individuos que la constituyen. El reservorio génico de una población se distribuye en forma temporaria en los genotipos particulares que portan los individuos de cada generación. El objetivo básico de la genética de poblaciones es caracterizar los reservorios génicos, los cambios en su composición a lo largo del tiempo y del espacio geográfico e investigar los procesos que explican estos cambios. La aptitud está dada por el número relativo de descendientes vivos que ese individuo deja, lo cual representa en qué medida sus genes están presentes en la siguiente generación. Las variaciones que surgen entre los individuos debido a la mutación constituyen la materia prima sobre la cual operan los procesos del cambio evolutivo. Las mutaciones que ocurren en los gametos -o en las células que originan gametos- se transmiten a la descendencia. Las que ocurren en las células somáticas solo se transmiten a las células hijas que se originan por mitosis. Las mutaciones son cambios que tienen lugar en el genotipo y, por definición, son heredables. Pueden ser de dos tipos, si implican la deleción, transposición, inversión o duplicación de una porción de una molécula de ADN y afectan al número o la morfología de los cromosomas, se trata de mutaciones cromosómicas; si las mutaciones ocurren puntualmente en un gen a partir de la sustitución de uno o más nucleótidos se denominan mutaciones génicas. Las mutaciones génicas pueden ocurrir tanto en genes estructurales como en regiones genómicas que regulan la expresión de otros genes. Por lo tanto, el efecto fenotípico de una mutación dependerá de la jerarquía de los genes afectados. La mayoría de las mutaciones ocurren "espontáneamente". Muchos agentes incrementan la tasa de mutación. El mecanismo más importante que promueve la variabilidad en la progenie de los organismos eucariotas es la recombinación, que tiene lugar durante la reproducción sexual. 6 En cada generación, los alelos se distribuyen en combinaciones nuevas. En contraste, en organismos que se reproducen solo asexualmente a través de la mitosis y la citocinesis, a menos que haya ocurrido una mutación durante el proceso de duplicación, el organismo nuevo será exactamente igual a su único progenitor. Los organismos que se reproducen sexualmente se multiplican con más lentitud que los que tienen reproducción asexual. La exogamia es el patrón de apareamiento por el cual los individuos que se aparean tienen una muy baja probabilidad de estar emparentados. En un organismo haploide, las variaciones genéticas se expresan de inmediato en el fenotipo y quedan a merced de la selección natural. Sin embargo, en un organismo diploide, estas variaciones pueden almacenarse como alelos recesivos en la combinación heterocigota. Procesos que cambian las frecuencias génicas De acuerdo con la teoría sintética, la principal fuerza que modela el cambio en las frecuencias alélicas es la selección natural. La aparición de mutaciones es de importancia central en la evolución, ya que es la fuente de toda nueva variación. Sin embargo, la mutación es poco efectiva como factor de cambio en las frecuencias génicas. Aunque la incidencia de la mutación en cualquier gen es baja (debido a que ocurren "espontáneamente” y “al azar”), el número de nuevas mutaciones que se originan por generaciones en población es muy alto. El movimiento de individuos entre poblaciones se conoce como migración. Si los individuos migrantes se reproducen en su nueva población, el efecto neto es el intercambio de genes entre poblaciones, que se denomina flujo génico. El cambio aleatorio en la composición del reservorio génico que ocurre como consecuencia del tamaño reducido de las poblaciones se denomina deriva genética. Comparándola con la selección natural, se debe considerar que ambos dependen de características de las especies, como su ciclo de vida, su sistema de apareamiento, y de la estructura y el tamaño de las poblaciones. En poblaciones de gran tamaño, donde el apareamiento de los organismos es aleatorio, es probable que la incidencia de la deriva genética sea menor que la de la selección natural. Por el contrario, en poblaciones pequeñas o fragmentadas, el efecto de la deriva genética será mucho más intenso. 7 Cuando de una población grande se escinde otra más pequeña, algunos alelos raros pueden estar representados en exceso o perderse por completo en la población nueva. En consecuencia, cuando la AA POBLACIÓN INICIAL Aa Aa ● AA Aa aa AA aa Aa población pequeña aumente de tamaño, tendrá un reservorio génico diferente al del grupo que la originó. Este caso de deriva génica se conoce como efecto fundador. AA Aa AA Aa REDUCCIÓN DE LA POBLACIÓN Aa Cuando el tamaño de una población se reduce drásticamente por un acontecimiento que tiene poca o ninguna relación con las presiones habituales de la selección natural, se produce otro caso de deriva genética, llamado cuello de botella. Éste puede no solo eliminar por completo algunos alelos, sino que también puede llevar a incrementos en las frecuencias de alelos relacionados con enfermedades genéticas que, así, pueden pasar a estar representados en una proporción mayor en el reservorio génico. CUELLO DE BOTELLA aa INDIVIDUOS QUE SOBREVIVEN Aa Aa 36 NUEVA POBLACIÓN Una especie se define como un grupo de poblaciones naturales cuyos miembros pueden reproducirse entre sí, producir descendencia fértil y que al mismo tiempo esta reproductivamente aislado de otros grupos similares, es decir, sus integrantes no pueden reproducirse con los miembros de poblaciones pertenecientes a otras especies. La especiación es el proceso que genera nuevas especies. Existen dos clases: Especiación por divergencia El modelo clásico se denomina especiación alopátrica y ocurre secuencialmente en varias etapas: 1. Se establece una barrera geográfica que divide la población original en dos poblaciones. 8 2. Ante la interrupción del flujo génico, ambas poblaciones comienzan a diferenciarse genéticamente. Las diferencias se acumulan a ambos lados de la barrera y las poblaciones divergirán en forma gradual. Una alternativa podría ser que los individuos de las dos poblaciones pudieran aparearse y producir híbridos. ● 3. Luego de transcurrido suficiente tiempo, las dos poblaciones pueden ser tan diferentes que los individuos de cada una de ellas no pueden aparearse. Las dos poblaciones son dos grupos reproductivos distintos: se han constituido dos nuevas especies ● Un modelo alternativo es la especiación parapátrica. La especiación puede producirse entre poblaciones que se encuentran en territorios contiguos. Estas poblaciones son genéticamente diferentes, pero pertenecen a la misma especie. Sin embargo, si existen diferencias ecológicas pronunciadas entre los territorios adyacentes, al operar de modo diferencial a ambos lados de la zona de transición ambiental, podría aumentar la diferenciación genética y conducir a la especiación y así contrarrestar el efecto homogeneizador del flujo génico. En este caso, la zona de transición ambiental, que se llama ecotono, es el ámbito en que los individuos de las dos poblaciones pueden encontrarse y reproducirse entre sí, y dar lugar a lo que se conoce como zona hibrida. Especiación instantánea En este caso el aislamiento reproductivo aparece en forma súbita y es mucho más rápido que el de diferencia adaptativa. La especiación simpátrica es la ausencia de barreras geográficas dentro de un mismo territorio. Los individuos portadores de distintas variantes están diferencialmente adaptados a distintos comportamientos de un ambiente que es heterogéneo, con el transcurso de las generaciones las dos formas pueden acumular diferencias genéticas. El apareamiento preferencial llevará a la separación de dos poblaciones diferentes a las dos variantes que coexistían en una misma población. Cada una de las dos poblaciones pueden convertirse en nuevas especies. Especiación peripátrica: puede ocurrir cuando un pequeño número de individuos funda una nueva población. Si el grupo de fundadores es pequeño, puede tener una configuración genética particular, diferente y no representativa de la que tenía la población original. Especiación por poliploidía: cuando individuos pertenecientes a dos especies diploides diferentes se cruzan entre sí pueden producirse incompatibilidades durante la meiosis de la descendencia hibrida que llevan a la inviabilidad o a la esterilidad. Los híbridos solo pueden persistir si tienen la capacidad de reproducirse de manera asexual. 9 Población original Fase inicial de especiación Evolución de los mecanismos de aislamiento reproductivo Nuevas especies Alopátrica Peripátrica Parapátrica Simpátrica AD Formación de barreras Conquista de un nuevo nicho AD En aislamiento En un nicho aislado de un nuevo nicho Conquista Polimorfismo dentro de la población ololo o En un nicho adyacente Dentro de la población Microevolución: evolución de las poblaciones. Macroevolución: evolución de las especies y de los taxones de rango supraespecífico. Puede explicarse como el resultado de la acción continua de los procesos que actúan en el seno de las poblaciones. En el nivel macroevolutivo opera la selección de especies: ciertas características propias de cada especie producirían diferencias en las tasas de especiación y/o extinción. Evolución convergente: Los organismos que ocupan ambientes similares en algunos casos pueden parecerse entre sí, aunque tengan un parentesco muy lejano. Ocurre porque esos organismos están sujetos a presiones selectivas similares. Evolución divergente: ocurre cuando una población o un fragmento de una población se aísla del resto de la especie, y debido a presiones selectivas particulares y a factores azarosos sigue un curso evolutivo diferente. Así como en el nivel microevolutivo la selección natural puede conducir a la evolución divergente de dos poblaciones y producir la diferenciación de ecotipos adaptados a sus ambientes locales, la especiación representa el puente que vincula la microevolución y la macroevolución. El cambio gradual dentro de las poblaciones que opera de manera constante durante largos periodos produce un patrón a nivel macroevolutivo que se denomina cambio filético o anagénesis. Una especie va acumulando cambios en forma gradual y constante hasta que, finalmente, es tan diferente de sus predecesoras que puede considerarse una nueva especie. En este caso, los cambios microevolutivos son los responsables del patrón macroevolutivo resultante. La especiación es una consecuencia de la lenta diferenciación que ocurre entre las poblaciones y el cambio filético es la versión a gran escala de estos acontecimientos microevolutivos. 10 En algún momento del proceso de divergencia y como resultado de la acumulación de diferencias, las poblaciones pueden quedar aisladas reproductivamente, de manera que aún en el caso de que el contacto entre ellas se restableciera, no podrían reproducirse. Las especies formadas por cladogénesis son los descendientes contemporáneos de un antecesor común que se diversificó y originó nuevas especies. La radiación adaptativa es el patrón principal de la macroevolución, Este tipo de especiación explosiva está asociada con el éxito de un grupo que posee una nueva "característica clave" que posibilita la invasión de una nueva zona adaptativa. La extinción es un fenómeno que pone en evidencia que el destino de toda especie es la extinción. Existe una tasa de extinción constante que representa la denominada extinción de fondo. Este ritmo de extinción parece haberse interrumpido por periodos de extinción breves, en los que la tasa de extinción se intensifica de manera drástica. Estos periodos, en los que se produce una apreciable disminución de la diversidad, se conocen como extinciones masivas. 11 fotosistema. Luego, el electrón será transferido a una serie de transportadores por medio de reacciones de oxidación y reducción hasta alcanzar el P700 del Fotosistema I gracias a la Plastocianina, una vez transferido el electrón, el P680* (reducido) recibe un electrón y vuelve a su estado neutro. Al mismo tiempo, la molécula reactiva P700 del Fotosistema I atrapa un fotón de luz, lo que induce su oxidación. Un electrón del P700 es lanzado al aceptor de electrones primario del Fotosistema I (la Ferrodoxina) que, al recibir el electrón, se reduce. El electrón es entonces transferido a otra serie de transportadores de electrones hasta llegar al NADP+ gracias a la NADPH reductasa. El electrón eliminado de la molécula P700 del Fotosistema es reemplazado por un electrón proveniente del Fotosistema II. Así, en las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz hay un flujo continuo de electrones desde el agua al Fotosistema II, de éste al Fotosistema I y a través del Fotosistema I al NADP+. En diferentes etapas del transporte de electrones, se extraen protones de la estroma que son liberados en el espacio intertilacoide, el lumen, a través de los citocromos. Esto crea un gradiente de protones que no se disipa porque la membrana tilacoide es impermeable a los protones. La fuerza protón-motriz creada por el gradiente es utilizada por el complejo ATP sintetasa para sintetizar ATP a partir de ADP y P. La síntesis de ATP a partir de energía lumínica se conoce como fotofosforilación. NADPH NADP+ 1/2 0₂ +2H+ H₂O 2e P680* 2e- P680 PS II Ferredoxina plastoquinona citocromo b complejo b-f citocromo f plastocianina P700 e 2e- P700 PSI Flujo de electrones no cíclico Flujo de electrones cíclico El Fotosistema I puede trabajar en forma independiente del Fotosistema II. Cuando esto ocurre, no se forma NADPH. En este proceso, llamado flujo cíclico de electrones, los electrones son lanzados del P700 al aceptor primario de electrones del Fotosistema I, pero no alcanzan como destino final el NADP+. En cambio, son transferidos a un transportador de electrones intermediario entre los Fotosistemas I y II, desde donde nuevamente son restituidos a la molécula reactiva P700. En el transcurso de este pasaje se produce un 76 gradiente de protones cuya fuerza motriz permite la síntesis de ATP. Las bacterias fotosintéticas tienen un único fotosistema y, por lo tanto, solo se produce un flujo cíclico de electrones alrededor de ese fotosistema. Etapa bioquimica Ocurre mediante la fijación de CO2 y la síntesis de hidratos de carbono en la estroma y es independiente de manera directa de la luz. El ATP y el NADPH formados en la etapa lumínica de la fotosíntesis se utilizan en la reducción del carbono del CO₂ a un azúcar simple: la glucosa. Así, la energía química almacenada temporalmente en las moléculas de ATP y NADPH se transfiere a moléculas que transportan y almacenan energía en las células de las algas o las plantas. La incorporación inicial de CO2 en compuestos orgánicos se conoce como fijación del carbono. Las algas obtienen CO2 disuelto directamente del agua circundante. En las plantas, el CO₂ del aire llega a las células fotosintéticas a través de aberturas especializadas de las hojas y de los tallos verdes llamadas estomas. Ciclo de Calvin La reducción o fijación del carbono ocurre en la estroma, en forma cíclica. El ciclo de Calvin es análogo al ciclo de Krebs en el sentido de que en cada vuelta del ciclo se regenera el mismo compuesto inicial, el azúcar de cinco carbonos con dos fosfatos unidos, la ribulosa bifosfato (RuBP). Está formado por tres fases: 1. Fijación del carbono o carboxilación: se incorpora un átomo de carbono proveniente del CO2. 2. Reducción: se parte de un ácido y se obtiene un aldehído. 3. Regeneración de la ribulosa: se vuelve a formar la ribulosa 1,5 bifosfato y el ciclo puede comenzar una nueva vuelta. El ciclo comienza cuando el CO₂ se une a la RuBP, que luego se escinde y forma dos moléculas de fosfoglicerato o PGA. Cada molécula de PGA contiene tres átomos de carbono. La enzima que cataliza esta reacción, la RuBP carboxilasa o rubisco, es la más abundante del cloroplasto (50%) y de la naturaleza. Está constituida por dos subunidades: una que se sintetiza en el cloroplasto y otra que depende de genes del núcleo. Posee una actividad versátil: en la etapa bioquímica funciona como carboxilasa, donde fija el CO2; en cambio, en la fotorrespiración funciona como oxidasa y fija O2. Cada paso es catalizado por una enzima específica. En cada vuelta completa del ciclo ingresa una molécula de CO2, que reacciona con una molécula de RuBP, lo que da lugar a dos compuestos de tres carbonos cada uno. Luego, éstos se reducen merced a la oxidación del NADPH y, finalmente, se regenera una molécula de RuBP. Tres vueltas ciclo introducen tres moléculas de CO2, el equivalente de un azúcar de tres carbonos, y producen una molécula de gliceraldehído fosfato, que es el producto inmediato del ciclo de Calvin. Son necesarias seis vueltas del ciclo, con la introducción de seis moléculas de CO2, para 77 producir el equivalente de un azúcar de seis carbonos, como la glucosa. Las seis revoluciones del ciclo producen dos moléculas de gliceraldehído fosfato que, a continuación, pueden reaccionar produciendo una molécula de un azúcar de seis carbonos. 6 RuBP + glucosa + 6 RuBP + 6 Co2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ + 6 H₂O 18 Pi + 18 ADP + 12 NADP+ Las plantas poseen un mecanismo de control que evita que el ciclo de Calvin degrade inútilmente ATP y NADPH durante la noche. Algunas enzimas del ciclo, incluida la RuBP carboxilasa, están reguladas en forma indirecta por la luz, a través del pH óptimo de funcionamiento y la concentración de iones Mg²+, o son activadas por un transportador de electrones reducido en la etapa lumínica. Como consecuencia, la luz estimula en forma indirecta el ciclo de Calvin y las reacciones de fijación de carbono son inhibidas en la oscuridad. Cuando hay suficiente CO2, la RuBP carboxilasa o rubisco lo fija eficientemente, integrándolo al ciclo de Calvin. Sin embargo, cuando la concentración de CO₂ en la hoja es baja en relación con la concentración de O2, esta misma enzima cataliza la reacción de la RuBP con el O₂ y no con el CO₂. Esta reacción da comienzo a un proceso que ocurre en los peroxisomas y en las mitocondrias y que se conoce como fotorrespiración, por el que se forman compuestos intermedios que, consumiendo ATP, dan lugar a la producción de CO2 y H2O. Plantas C4 En la mayoría de las plantas, el primer paso en la fijación del carbono es la unión del CO2 a la RuBP y su entrada en el ciclo de Calvin. Sin embargo, algunas plantas unen primero el CO₂ al fosfoenolpiruvato (PEP) y se forma un compuesto de cuatro carbonos, el ácido oxalacético, que luego es convertido en malato. Esto ocurre en las células del mesófilo. El malato pasa a las células de la vaina, donde pierde un grupo carboxilo y el CO₂ liberado finalmente ingresa en el ciclo de Calvin. Las plantas que utilizan esta vía se denominan plantas Las plantas C4 han evolucionado de preferencia en los trópicos y están especialmente bien adaptadas a intensidades lumínicas y a temperaturas altas, así como a las sequias. El CO2 está poco disponible. El CO₂ entra en la hoja por los estomas. Cuando la temperatura es alta y la humedad escasa, las plantas limitan la pérdida de agua cerrando sus estomas, pero al hacerlo también limitan la entrada de CO2. Por otra parte, cuando las plantas crecen unas muy cerca de otras, la concentración de CO₂ en el aire que rodea a las hojas puede alcanzar niveles bajos. Por otra parte, las plantas C4 cuentan con la enzima PEP carboxilasa, la cual es incapaz de incorporar O2. La enzima trabaja rápidamente uniendo el CO2 al PEP. La PEP carboxilasa fija el CO2 más rápido y a niveles más bajos, en comparación con la RuBP carboxilasa. Así, cuando los estomas están abiertos, el CO2 se difunde con rapidez al interior de la hoja impulsado por el gradiente de potencial químico. 78 Plantas CAM En condiciones de extrema sequedad, ciertas plantas abren los estomas por la noche y los cierran durante el día, mecanismo que impide la pérdida excesiva de agua. Reduce la pérdida de agua por transpiración, pero impide el intercambio de gases para la fotosíntesis. En muchas plantas de ambientes secos existe una vía metabólica llamada metabolismo acido de las crasuláceas o fotosíntesis CAM. El CO2 reacciona con el PEP en una reacción catalizada por la enzima PEP carboxilasa y se forma ácido málico que se almacena en las vacuolas. Durante el día, las vacuolas liberan el ácido málico que luego es descarboxilado y el CO₂ así liberado se integra al ciclo de Calvin. Utilización de los productos de la fotosintesis. El gliceraldehído fosfato, el azúcar de tres carbonos producido por el ciclo de Calvin, a menudo se integra en glucosa o fructosa. En el citosol, las células vegetales elaboran, a partir de estos azucares de seis carbonos, almidón y celulosa, que se utiliza para sus propios fines, y sacarosa, que se exporta a otras partes del cuerpo de la planta. Las células animales los almacenan como glucógeno. Todas las células usan azucares, incluidos el gliceraldehído fosfato y la glucosa para la elaboración de otros carbohidratos, grasas y otros lípidos y, con la adición de nitrógeno, para elaborar aminoácidos y bases nitrogenadas. La oxidación del carbono fijado durante la fotosíntesis es la fuente de la energía del ATP para los organismos heterótrofos y para las células heterótrofas de las plantas. El balance entre la fotosintesis y la respiración La fotosíntesis es el punto de captura de energía de las plantas y de casi la totalidad de los seres vivos. La respiración es el sistema mediante el cual todos los seres vivos consumen la energía almacenada en los enlaces químicos. En las plantas, ambos procesos ocurren en forma simultánea. En consecuencia, para que las plantas puedan crecer, la fotosíntesis debe exceder la velocidad de la respiración. La intensidad lumínica a la cual se igualan las velocidades de fotosíntesis y de respiración se define como el punto de compensación para la luz. Las raíces u otros órganos subterráneos no realizan fotosíntesis. Por lo tanto, las plantas, para mantenerse y crecer, necesitan que la tasa de fotosíntesis exceda largamente la tasa de respiración. 79 El rendimiento de la fotosíntesis depende de: ● ● Rendimiento de la fotosintesis ● La intensidad de la luz, el color y el tiempo de iluminación. La disponibilidad de H₂O en el suelo. La concentración de CO₂ en el aire. ● La temperatura ambiental 80 Comunicación celular La comunicación celular es la capacidad de las células de intercambiar información fisicoquímica con el medio ambiente y con otras células. Es un mecanismo homeostático que funciona con el objetivo de mantener las condiciones fisicoquímicas internas adecuadas para la vida de las células frente a los cambios externos. Los organismos unicelulares reciben señales del medio, mientras que los pluricelulares comunican para coordinar el trabajo en conjunto. La comunicación celular permite realizar tareas de: diferenciación, movimiento, metabolismo, proliferación, muerte celular y supervivencia. La inducción es la acción de estimular a una célula para que produzca una respuesta y se da mediante una sustancia inductora producida por la célula emisora o ligando. Ésta interactúa con la célula diana a través de un receptor, que es una proteína o un complejo proteico localizado en el citosol o en la membrana plasmática de la célula blanco, y desencadena una serie de reacciones en el interior de la célula, proceso denominado transducción de señal. Si el receptor se halla en el citosol, la sustancia inductora debe ser pequeña e hidrofóbica, pues para alcanzarlo debe atravesar la membrana plasmática de la célula blanco. En cambio, si el receptor es membranoso no interesa el tamaño de la sustancia inductora ni que sea hidrofóbica. las etapas de la comunicación celular 1. Síntesis de la señal por la célula emisora. 2. Secreción de la señal por la célula emisora. 3. Transporte de la señal a la célula diana. La célula que produce el ligando se denomina célula inductora; la que lo recibe, célula inducida o célula blanco. 4. Reconocimiento de la señal por receptor de la célula diana. 5. Transmisión intracelular de la señal, llamado transducción de señal. 6. Respuesta que produce cambios en el status celular. 7. Terminación de la respuesta y degradación de la señal. 81 Contacto célula-célula Ocurre en el caso de las glucoproteínas de la superficie de las membranas de las células. Éstas pueden recibir señales tanto estructurales como funcionales. Señales químicas: ● La célula emisora produce y secreta una sustancia química con acción: constituye ● ● Formas de comunicación celular. ● ● Autocrina: una señal para esa misma célula. Paracrina: la diana son las células vecinas cercanas. Endocrina: la señal es al torrente recorre liberada sanguíneo y largas distancias desde la célula secretora hasta la autocrine paracrine endocrine diana. Las sustancias inductoras vehiculizadas por la sangre se denominan hormonas y son producidas por las células de las glándulas de secreción interna que integran el sistema endocrino. Sinapsis: se da en las neuronas. Se produce un punto de contacto entre una neurona y otra célula, induciendo señales eléctricas y químicas, las cuales son responsables que comunicar mensajes complejos: Eléctricas: es la transmisión de información por el paso de iones de una célula a otra a través de uniones de hendidura en células estrechamente adheridas. Químicas: es la unión producida por una sustancia (neurotransmisor) almacenada en vesículas en el citoplasma de la neurona secretora y frente a la llegada de un potencial de acción es liberada en un espacio (hendidura sináptica) en el cual puede actuar sobre receptores situados en la membrana de la célula diana. Todas actúan en forma similar: una célula produce un intermediario químico que interactúa con el receptor de otra célula, en la cual se desencadena una respuesta. A veces una misma sustancia inductora produce respuestas diferentes por parte de dos o más tipos de células blanco. Otras veces, distintas sustancias inductoras producidas por células inductoras diferentes generan una sola clase de respuesta por parte de uno o de varios tipos de células blanco. Una de las propiedades más notables de las sustancias inductoras es su especificidad. Así, cada sustancia actúa solo sobre ciertas células. El caso más llamativo es el de las hormonas en las inducciones endocrinas: luego de volcarse en la sangre llegan a todos los tejidos del organismo, pero accionan únicamente sobre un limitado número de células. La especificidad de las sustancias inductoras se corresponde con la especificidad de los receptores, que son moléculas o asociaciones moleculares (generalmente glicoproteínas). 82 Es decir, que los receptores de las células unen selectivamente un tipo de ligando en virtud de una mutua adaptación conformacional entre ligando y receptor. La sustancia inductora y el receptor integran un complejo que posee las siguientes características: 1. Adaptación inducida: la fijación de la sustancia inductora al receptor requiere una adaptación estructural recíproca entre ambas moléculas; un anclaje inducido. 2. Saturabilidad: el número de receptores existentes en cada célula es limitado. 3. Reversibilidad: la unión sustancia inductora-receptor es reversible, ya que el complejo se disocia tiempo después de su formación. La respuesta celular puede producirse segundos (en reacciones que ocurren exclusivamente en el citoplasma) u horas (cuando un producto químico de la cadena de reacciones ingresa en el núcleo o induce la activación de un gen) después de la llegada de la sustancia inductora. Las sustancias inductoras se clasifican en dos grupos: según interactúen con receptores localizados en el citosol o en la membrana plasmática de las células inducidas. Receptores citoplasmaticos o citosóficos Las hormonas esteroides, las hormonas tiroides, la vitamina D y el ácido retinoico son sustancias inductoras que se unen con receptores de las células inducidas situadas en el citosol. Las tres primeras generan inducciones endocrinas, mientras que la última da lugar a interacciones paracrinas. Son señales de naturaleza hidrofóbica capaces de atravesar la membrana plasmática por difusión y unirse a receptores citoplasmáticos. Una vez en el citosol, la sustancia inductora se une a su receptor específico y ambos forman un complejo que ingresa en el núcleo. Allí el complejo se combina con la secuencia reguladora de un gen particular, el cual se activa. Su transcripción conduce a la síntesis de una proteína cuya presencia provoca la respuesta celular. Los receptores citosólicos son proteínas que poseen cuatro dominios: uno diseñado para unirse al receptor; otro flexible, que se dobla como una bisagra; otro que se une a la secuencia reguladora del gen; y otro que activa el gen. Cuando la sustancia inductora se une al receptor, éste adquiere una forma característica que le permite ingresar en el núcleo y unirse a la secuencia reguladora del gen. En ausencia de la sustancia inductora, el receptor permanece en el citosol unido a la chaperona hsp90, lo cual lo encorva. En la célula inducida, el óxido nítrico (NO) interactúa con una enzima citosólica -con el grupo hemo de la enzima guanilato ciclasa-, cuya activación convierte al nucleótido guanosina trifosfato (GTP) en guanosina monofosfato cíclico (GMPC). 83 Receptores transmembrana Se unen a señales hidrofílicas: neurotransmisores y factores de crecimiento. La llegada de la sustancia inductora -considerada el primer mensajero de la vía de señales- produce cambios en el receptor, que se transmiten a la segunda molécula del sistema. Esta actúa sobre la tercera, y así sucesivamente hasta arribarse a la respuesta celular. Algunas de estas moléculas -llamadas segundos mensajeros- son de tamaño pequeño, por lo que difunden con rapidez y son muy efectivas para propagar las señales dentro de la célula. Estos mensajeros intracelulares son mediadores esenciales. Son moléculas que traducen señales extracelulares hasta inducir un cambio fisiológico en el efector. Tienen facilidad para variar en un rango de concentraciones amplio, dependiendo o no de señales que simulen su síntesis o su degradación. Pueden ser: Enzimas metabólicas: alteran el metabolismo. Proteínas reguladoras de genes: alteran la expresión génica. Proteínas del citoesqueleto: alteran la forma celular. Entre las moléculas que intervienen en la mayoría de las vías de señales abundan las quinasas, ya que muchas de sus reacciones son fosforilaciones catalizadas por este tipo de enzimas. Existen diversas clases de quinasas, cada una para un sustrato especifico, que puede ser otra quinasa, una enzima diferente o una proteína no enzimática. Cuando se trata de otra quinasa, a menudo se fosforila una tercera, y así sucesivamente hasta que se llega al último eslabón de la cadena. En algunos casos, la fosforilación activa al sustrato y en otros lo inactiva. Los receptores de la membrana plasmática que dan origen a vías de señales intracelulares se componen de una o más proteínas. Cada receptor posee un dominio externo, un dominio transmembranoso y un dominio citosoólico. Cuando la sustancia inductora se une al primero, el receptor se activa y su dominio citosólico experimenta uno de los siguientes cambios: 1. Adquiere actividad enzimática o activa a una enzima independiente del receptor. 2. Activa a una proteína localizada en la membrana plasmática, llamada proteína G, la cual activa a una enzima. Receptores constrópicos o acoplados a no canal Contienen un canal iónico que se abre cuando se une un neurotransmisor o ligando. Son traductores rápidos de la señal y receptores de moléculas que actúan como neurotransmisores. Receptores que adquieren actividad enzimática o que activan enzimas Los receptores membranosos que adquieren actividad enzimática pueden ser de: 84 Guanilato ciclasa. El receptor especifico de las células renales que reabsorben Na+ y las células musculares lisas de los vasos arteriales, se ponen en contacto con una hormona llamada ANP (sustancia inductora), y su dominio citosólico adquiere actividad de guanilato ciclasa, ya que interactúa con moléculas de guanosina trifosfato (GTP) presentes en el citosol y las convierte en guanosina monofosfato cíclico (GMPC). Los GMPC activan la enzima quinasa G, que a su vez fosforila a una proteína citosólica especifica. Con ella se pone en marcha la respuesta celular. Serina-treonina quinasa. Las sustancias inductoras que interactúan con los receptores que poseen actividad serina-treonina quinasa pertenece a una familia de moléculas llamadas TGF-B. La llegada de la sustancia inductora a la membrana plasmática de la célula inducida reúne a las cuatro subunidades proteicas que integran el receptor, las cuales se hallan agrupadas de a dos y serian diferentes entre sí. A continuación, mediante fosfatos tomados de moléculas de ATP, los dominios citosólicos de dos de las cuatro subunidades fosforilan a serinas y treoninas de los dominios citosólicos de las otras dos subunidades, que se activan y fosforilan a serinas específicas de la proteína citosólica Smad. Luego la Smad se une a otra proteína de su misma familia y ambas ingresan en el núcleo, donde se combinan con factores de transcripción que activan a genes cuyos productos inhiben el crecimiento celular, controlan la diferenciación o funcionan como sustancias inductoras durante el desarrollo embrionario temprano. Tirosina quinasa. Las sustancias inductoras que interactúan con los receptores que poseen propiedades de tirosina quinasa pertenecen a una familia de las moléculas llamadas factores de crecimiento. Estos factores suelen ser secretados por células inductoras cercanas a las células inducidas (secreción paracrina). La llegada de las sustancias inductoras reúne a las dos subunidades que integran el receptor, lo cual posibilita la fosforilación cruzada de sus dominios citosólicos mediante la incorporación de fosfatos procedentes de moléculas de ATP. Esta autofosforilación activa el dominio citosólico del receptor, que origina tres tipos de vías de transmisión de señales: Proteínas Ras: está anclada en el lado citosólico de la membrana plasmática mediante dos ácidos grasos. La Ras es miembro de la familia de GTPasas que actúan asociadas a las proteínas reguladoras GEF y GAP. Cuando es influida por la GEF, la Ras reemplaza al GDP presente en su molécula por un GTP. En cambio, cuando es influida por la GAP, la Ras hidroliza el GTP a GDP y P. El GTP activa a la Ras y el GDP la inactiva. La Ras-GTP activa a la quinasa Raf, la cual fosforila a la quinasa MEK y ésta a la quinasa ERK. Finalmente, la ERK fosforila y activa a otras quinasas citosólicas o ingresa en el núcleo y fosforila a proteínas que activan a genes cuyos productos regulan el crecimiento y la diferenciación celular. • Fosfolipasa C-y: se une a receptores con actividad de tirosina quinasa. Fosfatidilinositol 3-quinasa: en la célula existen varias clases de fosfatidilinositol 3-quinasa, entre ellas una que se activa mediante receptores con actividad de tirosina quinasa y otras que lo hacen por medio de receptores acoplados a proteínas G. 85 Existen receptores que cuando son inducidos activan a una tirosina quinasa independiente de sus moléculas, localizada en el citosol. Las sustancias inductoras más conocidas que se unen a estos receptores son la hormona del crecimiento, la prolactina, la eritropoyetina, algunas citoquinas y los antígenos. La vía de señales que nace en estos receptores comienza cuando la sustancia inductora interactúa con las dos o tres subunidades que integran el receptor. La llegada de la sustancia inductora reúne a las subunidades, lo cual activa al receptor y origina una vía de señales que llega al núcleo muy rápidamente. Mientras que los receptores membranosos que activan una enzima independiente es siempre de tirosina quinasa. Receptores acoplados a Proteinas G Existen receptores localizados en la membrana plasmática que al ser inducidos activan a Proteínas G. Las proteínas G activan a varias clases de enzimas a partir de las cuales nacen importantes vías de señales intracelulares o abren o cierran canales iónicos. Son una gran familia presente solo en eucariotas. Los receptores que se acoplan a las proteínas G son proteínas integrales multipaso que cruzan siete veces la bicapa lipídica de la membrana plasmática. Las proteínas G también pertenecen a la membrana plasmática, pero son heterotriméricas y se hallan adosadas a la cara citosólica de la membrana. Sus tres subunidades se identifican con las letras griegas a, ß y y. Las unidades a y y se unen a la membrana por medio de ácidos grasos. En cambio, la subunidad ß se une a la membrana por medio de la subunidad y, con la que forma un complejo. La subunidad a se comporta como una GTPasa que posee un GDP o un GTP, lo que la asemeja a la proteína Ras. Cuando la subunidad a posee un GDP, la proteína G completa se inactiva. En cambio, la proteína G se activa cuando el GDP es reemplazado por un GTP. La activación de la proteína G se produce cuando la sustancia inductora se une al receptor, pues éste se pone en contacto con la subunidad a y hace que su GDP sea reemplazado por un GTP. Cuando la sustancia inductora se desliga del receptor, la proteína G se inactiva y la subunidad a se une con el complejo By. Cuando el receptor activa a la proteína G, la subunidad a y el complejo By se separa. Luego la subunidad a o el complejo By entran en contacto con una enzima, la cual en algunos casos se activan y en otros se inhiben. Habitualmente las proteínas G amplifican las señales. Lo logran porque una sola suele activar a muchas unidades de enzima. 86 ● ● Ligando Receptor (a) ● ye GDP 0 GTP NH₂ COOH www В Proteína G Efector Tipos de proteinas G Existen varias clases de proteínas G, las cuales dan origen a vías de señales intracelulares después de interactuar con las siguientes enzimas: Segundos mensajeros intracelulares Fosfolipasa C-ß (PLC-B), que cataliza la escisión del fosfatidilinositol 4,5-difosfato (PIP₂) localizado en la monocapa citosólica de la membrana plasmática y forma inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG). Fosfatidilinositol 3-quinasa (PI 3-K), que le añade un fosfato al PIP2 y lo convierte en fosfatidilinositol-3,4,5-trifosfato (PIP3). Receptores acoplados a proteinas Gr El fosfato del nucleótido adenosina monofosfato cíclico (AMPc) compone un anillo al unirse simultáneamente con el C3' y el C5' de la ribosa. El AMPc se forma a partir de ATP mediante la adenilato ciclasa, una enzima situada en la membrana plasmática que requiere Mg²+ para funcionar. La adenilato ciclasa es activada por la subunidad a de una proteína G específica, llamada proteína Gs. El aumento del AMPc en el citosol activa a la quinasa A. Para que la quinasa A se active deben conectarse los AMPC con cada subunidad reguladora, de modo que se le unen cuatro AMPc. La unión de AMPC separa a las subunidades reguladoras de las catalíticas, las cuales se activan. A continuación, parte de las subunidades catalíticas activadas transfieren fosfatos tomados de moléculas de ATP a serinas y treoninas de diversas proteínas citosólicas, que se activan y dan lugar a respuestas celulares casi inmediatas. Debido a que el AMPC es un segundo Adenilato ciclasa (AC), que a partir de adenosina trifosfato (ATP) genera adenosina monofosfato cíclico (AMPC) 87 mensajero muy potente, las células poseen dos mecanismos alternativos para regular su concentración. El más importante depende de la enzima fosfodiesterasa, que hidroliza la unión entre el fosfato y el hidroxilo del carbono 3' en la ribosa del AMPc. Ello convierte al AMPC en AMP, que es un nucleótido inactivo. Receptores acoplados a proteinas Gi El segundo mecanismo es más lento que el anterior, ya que depende de la unión de una sustancia inductora a su receptor y de una proteína G que produce efectos contrarios a los de la proteína Gs, la proteína Gi. Su subunidad a inhibe a la adenilato ciclasa y hace caer la concentración de AMPC. A su vez, la caída del AMPC inactiva a la quinasa A y la respuesta celular se detiene. -Receptores acoplados a proteinas Gy En la membrana plasmática de diversos tipos de células la unión de algunas sustancias inductoras con sus receptores activa a la subunidad a de la proteína Gq, que debido a ello reemplaza su GDP por un GTP. A su vez, la proteína Gq activa a la Fosfolipasa C-B, una enzima que se halla en el citosol cerca de la membrana. Esta enzima degrada fosfolípidos de membrana y libera dos mensajeros intracelulares: ● IP3: produce la liberación de Ca²+ al RE aumentando la concentración intracelular. El Ca²+ actúa como segundo mensajero para que la respuesta celular ocurra. DAG: puede activar a la proteína Cinasa C, la cual es capaz de fosforilar proteínas y llevar a una respuesta celular. Enfermedades La tos ferina actúa en las células musculares lisas de los bronquios, donde impide que el GTP se acople a la subunidad a de la proteína Gi. Ello imposibilita la acción inhibitoria de la proteína Gi sobre la adenilato ciclasa, por lo que los niveles de AMPC se mantienen altos y la quinasa A permanece activa. Como consecuencia, los canales de K+ se cierran y la excitabilidad del músculo liso bronquial aumenta, por lo que el músculo se contrae en forma sostenida y causa la tos que caracteriza la enfermedad. El cólera se caracterizada por trastornos que se deben al aumento de los niveles de AMPC en las células de la mucosa intestinal. La toxina bloquea a la GTPasa de la subunidad a de la proteína Gs, lo que impide que el GTP se hidrolice a GDP y P, por consecuencia, la proteína Gs y la adenilato ciclasa se mantienen activas y la enzima produce AMPc en forma sostenida. 88 la muerte celular La muerte de las células es un fenómeno común durante el desarrollo embrionario necesario pare remover tejidos provisorios, eliminar células superfluas, generar conductos, formar orificios, etc. También se producen muertes celulares durante la vida posnatal, cuando el organismo necesita remodelar tejidos o remover células dañadas, innecesarias, redundantes, envejecidas o peligrosas para la salud, como lo son las células infectadas, las tumorales o las autorreactivas. Cuando la célula recibe un estímulo nocivo que no permite adaptarse o fallan los mecanismos de adaptación se produce una lesión celular, la cual puede ser reversible y las organelas dañadas son eliminadas por autofagia, o irreversible, donde se produce la muerte celular por apoptosis o necrosis. Apoptosis Es un mecanismo intrínseco regulado por caminos de señalización intracelular, lo cuales dan una inducción de inflamación local. Los cambios que experimentan las células cuando mueren por apoptosis se deben a que se activan unas proteasas citosólicas especiales llamadas caspasas. Se puede producir por dos vías: Intrinseca El daño celular es detectado por la familia de proteínas BCL-2. Luego se produce la permealizacion de la membrana mitocondrial y la liberación de proteínas apoptóticas que activan a una Caspasa Iniciadora (Caspasa 9), la cual activa a una Caspasa Ejecutora (Caspasa 3): 1. El citoesqueleto se desarma debido a la ruptura de sus filamentos. Como conse cia, la célula pierde contacto con sus vecinas (o con la matriz extracelular) y se vuelve esférica. 2. La célula se encoge porque el citosol y los organoides se condensan. La condensación se debe a que se altera la permeabilidad de las membranas celulares. 3. Los laminofilamentos se disocian, con la consiguiente degradación de la envoltura nuclear. 4. La cromatina se compacta y las moléculas de ADN se seccionan por acción de una endonucleasa, lo cual divide al núcleo en pequeños fragmentos que se distribuyen en el citoplasma. 5. De la superficie de la célula emergen numerosas protrusiones, casi todas con fragmentos nucleares en su interior. 6. Luego las protrusiones se desprenden, convertidas en fracciones celulares llamadas cuerpos apoptóticos. 7. Las fosfatidilserinas de las membranas que envuelven a los cuerpos apoptóticos - previamente localizados en la monocapa citosólica de la membrana plasmática- se trasladan a la monocapa externa. 89 8. Finalmente, atraídos por estas fosfatidilserinas, numerosos macrófagos acuden al lugar de la apoptosis y fagocitan a los cuerpos apoptóticos. Extringsen Miembros de la familia del TNF se unen a un receptor (llamado receptor de muerte). Luego se activa una Caspasa Iniciadora (Caspasa 8) que a su vez activa a una Caspasa Ejecutora (Caspasa 3). Esta última activa enzimas proteasas y nucleasas que se encargan de la degradación del citoesqueleto y del material genético. Por último, se conforman pequeñas vesículas que contienen organelas y fragmentos de material genético, que son reconocidos y degradados por el sistema inmune del organismo. A diferencia de la necrosis, la remoción de las células muertas por apoptosis preserva la arquitectura original de los tejidos. La mayor parte de las muertes celulares por apoptosis se producen cuando: 1) Se suprimen los factores tróficos que mantienen vivas a las células. Cada célula es mantenida viva por una sustancia inductora específica llamada factor trófico o factor de supervivencia, que le llega desde células vecinas. La mayoría de las muertes celulares por apoptosis tienen lugar cuando se suprimen estas sustancias. Los factores tróficos más estudiados son las glicoproteínas CSF y el grupo de sustancias llamadas neurotrofinas. Las CSF estimulan la supervivencia, el crecimiento y la diferenciación de las células sanguíneas. En cambio, las neurotrofinas tienen por función mantener vivas a las neuronas y estimular el crecimiento de sus axones. 2) Sustancias que inducen la muerte celular se unen a receptores específicos. En la membrana plasmática de ciertas células infectadas y cancerosas aparecen receptores especiales cuya activación conduce a la apoptosis de una manera mucho más rápida. Las TNF-R y Fas se componen de tres subunidades proteicas iguales entre sí. Las sustancias inductoras que interactúan con esos receptores se llaman TNF y FasL. EI TNF es secretado desde células situadas en la vecindad a causa de diversas infecciones. El punto de partida de la vía de señales inducida por el TNF es la unión de sus tres subunidades con los dominios externos de las tres subunidades del receptor TNF-R. Ello reúne a estas últimas y hace que sus dominios citosólicos se conecten con la proteína adaptadora TRADD, la que a su vez se une con otras tres proteínas adaptadoras, denominadas FADD, RIP y TRAF. El FasL es elaborado por linfocitos T citosólicos y linfocitos asesinos naturales a causa de algunos cánceres e infecciones. Debido a que el FasL no se secreta, sino que se sitúa en la membrana plasmática, para que pueda interactuar con el receptor Fas es necesario que los linfocitos mencionados entablen contacto con las células cancerosas e infectadas. La vía de señales inducida por el FasL se diferencia de la impulsada por el TNF porque es más corta, ya que los dominios citosólicos del receptor Fas se conectan con la proteína FADD. 90 3) El ADN nuclear es afectado por mutaciones capaces de poner en peligro al organismo: envejecimiento celular, a la replicación, a la acción de agentes ambientales o a la acumulación en la célula de peróxido de hidrogeno o de aniones superóxido. Ante la presencia de esas alteraciones suele intervenir la proteína P53, derivada del gen supresor de tumores p53. La proteína P53 estabiliza el ciclo celular en la fase G1 y controla la presencia de alteraciones en el ADN para procurar su reparación. Cuando no logra repararlas y son peligrosas para el organismo, la propia proteína P53 induce la muerte de la célula a fin de impedir el traspaso del ADN dañado a las células hijas. Para ello la P53 inactiva a la Bcl-2, lo cual pone en marcha el mecanismo que conduce a la apoptosis. A menudo se halla alterado el mismo gen p53, por lo que genera una proteína P53 defectuosa, incapaz de controlar el estado del ADN y de conducir a la célula al "suicidio". Necrosis Es un estado de lesión irreversible. Se produce la pérdida total de ATP, lo que impide a la célula mantener el correcto funcionamiento de las bombas e intercambiadores de iones de su membrana plasmática. La incapacidad de mantener la integridad de su membrana plasmática produce la ruptura y escapamiento de los elementos citoplasmáticos y un proceso de inflamación local. Se activan los lisosomas, por lo que se produce su ruptura y la liberación de las enzimas (según el tipo de degradación) que se encuentran contenidas en estos: ● Degradación del material genético: activación de nucleasas. Degradación de las membranas plasmáticas: activación de lipasas. Degradación de proteínas: activación de proteasas. Autofagia Las células generan energía y metabolitos mediante la digestión de sus propias organelas y macromoléculas. Es un mecanismo de degradación de componentes celulares que se basa en la eliminación de organelas dañadas para la supervivencia ante la falta de nutrientes. Si se prolonga, la célula consume todos los sustratos y muere. Para que se lleve a cabo se forman los autofagosomas, que se encargan de degradar el contenido que se encuentra dentro de una doble membrana. Luego, el autofagosoma se fusiona con un lisosoma y forma un autolisosoma, el cual se encarga de degradar a las organelas y las macromoléculas. 91 El núcleo Las células procariotas carecen de núcleo definido y poseen el material genético disperso en el citoplasma, mientras que las eucariotas lo poseen. Este ocupa un 10% del volumen de la célula y tiene una forma más o menos esférica. Su función es contener y proteger el material genético, el cual se haya en su interior, exceptuando el ADN de las mitocondrias y de lo cloroplastos (en el caso de una célula vegetal). Una excepción son los glóbulos rojos (células eucariotas de la sangre): tenían un núcleo definido, pero lo pierden en algún momento de su diferenciación. Existen células uninucleadas, como los enterocitos (células del intestino) o los glóbulos blancos, y polinucleadas, como las células musculares. En el compartimento nuclear se localizan: 1. 46 cromosomas, cada uno formado por una sola molécula de ADN combinada con numerosas proteínas. 2. Varias clases de ARN, que se sintetizan en el núcleo al ser Membrana externa Membrana interna Nucléolo Nucleoplasma Heterocromatina Eurocromatina Ribosomas transcriptos sus genes. Salen del núcleo Poro nuclear por los poros de la envoltura nuclear O O O O 0° O O 0 O O 0 O O O U O O después de su procesamiento. 3. El nucléolo, donde se localizan los genes de los ARNr y los ARNr recién sintetizados. 4. Diversas proteínas fabricadas en el citosol e ingresan en el núcleo por los poros de la envoltura nuclear. 5. Estos elementos se hayan dispersos en la matriz nuclear o nucleoplasma, un medio gelatinoso que contiene moléculas disueltas. Envoltura nuclear La envoltura nuclear o carioteca está compuesta por dos membranas concéntricas (bicapas lipídicas) que se unen a nivel de los poros, los cuales se hallan distribuidos más o menos regularmente por toda la envoltura. Se encarga de delimitar al núcleo. El espacio entre la membrana externa y la interna (espacio o cisterna perinuclear) se comunica con la cavidad del RE. La membrana externa se continúa con la membrana del RER, tachonada de ribosomas. Las proteínas que se sintetizan en estos ribosomas se incorporan a las membranas de la envoltura o se vuelcan en el espacio perinuclear. La membrana nuclear interna esta sostenida por la lámina nuclear, que es una delgada malla de laminofilamentos entrecruzados que se interrumpe solo a la altura de los poros. Algunas proteínas integrales de la membrana nuclear interna sirven como puntos de anclaje para los laminofilamentos. 92 9 O O La lámina nuclear le otorga resistencia a la carioteca y establece su forma generalmente esférica. En los 3000 a 4000 poros que posee la envoltura nuclear existe un conjunto de proteínas (nucleoporinas) que componen el complejo del poro, el cual consta de: 1. Ocho columnas proteicas que forman una pared cilíndrica en torno a la cual la membrana externa de la carioteca se continúa de la membrana interna. En el lado citosólico los extremos de las columnas proteicas componen un anillo. En el lado externo ocurre algo similar. 2. Proteínas de anclaje que amarran las columnas proteicas a la envoltura nuclear. Cada proteína se liga a una de las columnas, atraviesa la membrana de la envoltura y su extremo sobresale en el espacio perinuclear. 3. Proteínas radiales que surgen de las columnas y se orientan hacia el centro del poro. Dado que se acortan y se alargan, convierten al complejo del poro en un diafragma. 4. Fibrillas proteicas que nacen de las bocas interna y externa del complejo y se proyectan hacia el nucleoplasma y el citosol, respectivamente. Además, una fibra circular une entre sí extremos distales de las fibrillas que parten de la boca interna. Las fibrillas proteicas intervienen en el pasaje de las proteínas a través del poro. El complejo del poro mide alrededor de 30 nm de altura y 100 nm de diámetro. Sin embargo, las proteínas radiales reducen su orificio. Es el encargado de regular el transporte de sustancias entre el núcleo y el citoplasma. A través de él pasan iones y moléculas pequeñas (en forma pasiva, sin gasto de energía) y grandes en ambas direcciones. Las macromoléculas (proteínas y moléculas de ARN), antes de pasar fuerzan el acortamiento de las proteínas radiales, por lo que el complejo del poro se comporta como un diafragma que adapta su abertura a las dimensiones de las moléculas que deben atravesarlo. Las macromoléculas que salen del núcleo son proteínas envejecidas o que dejaron de funcionar -deben dirigirse al citosol a fin de ser destruidas por proteasomas- y diversos tipos de ARN combinados con proteínas. Entrada de proteinas al núcleo Ingresan estando plegadas, ya que adquieren sus estructuras terciarias y cuaternarias en el citosol, apenas terminan de sintetizarse. La entrada se realiza mediante un mecanismo selectivo que permite el ingreso solo de las apropiadas, las cuales poseen un péptido señal específico que abre el camino para que puedan pasar por el complejo del poro. Los péptidos señal más estudiados se llaman NSL. No interactúan directamente con el complejo del poro sino mediante una proteína heterodimérica (importina). Debido a que existen distintos tipos de NSL, cada tipo requiere una importina especial. El pasaje de una proteína desde el citosol al núcleo se produce en varias etapas: 1. La proteína se una a la importina por medio del NSL y ambas moléculas se colocan cerca del complejo del poro. Lo atraviesan previo agrandamiento de su diafragma. 2. El pasaje requiere que la importina sea guiada por las fibrillas proteicas. 93 3. Durante el pasaje se gasta un GTP, cuya hidrolisis está a cargo de una proteína Ran (transporte activo). 4. La Ran pertenece a la familia de las GTPasas que actúan asociadas a las proteínas reguladoras GEF y GAP, las cuales se localizan en el núcleo y en el citosol, respectivamente. Cuando el complejo importina-proteína ingresa en el núcleo lo hace también la Ran- GDP. 5. 6. En el núcleo la GEF promueve el reemplazo del GDP de la Ran por un GTP, tras lo cual la Ran-GTP se une al complejo importina-proteína. 7. Esta unión hace que la importina se independice de la proteína, que queda retenida en el núcleo. 8. En cambio, la importina y la Ran-GTP permanecen unidas, atraviesan el complejo del poro y retornan al citosol. 9. En el citosol la GAP induce a la Ran a que hidrolice el GTP a GDP y P (se gasta el GTP), de lo que resulta una Ran-GDP y su separación de la importina. 10. Finalmente, la Ran-GDP y la importina libres pueden ser reutilizadas para hacer ingresar nuevas proteínas en el núcleo. Ciertas proteínas destinadas al núcleo -en particular los receptores de las hormonas esteroideas-, después de sintetizarse permanecen en el citosol hasta la llegada de esas hormonas. Los receptores son retenidos porque se les unen chaperonas hsp90 y adquieren formas que les impiden ingresar en el núcleo. Cuando llegan las hormonas esteroides se separan las chaperonas y cambian de forma los receptores, lo que permite atravesar los poros de la envoltura nuclear. Salida de proteinas y de moléculas de ARN- Las proteínas que salen del núcleo dependen también de la Ran y de señales específicas para poder atravesar los poros de la envoltura nuclear. Los péptidos señal NES son reconocidos por proteínas exportinas. 1. La proteína se une a la exportina por medio del NES. Simultáneamente, la GEF remueve el GDP de una Ran-GDP y lo reemplaza por un GTP, de modo que se forma una Ran-GTP. 2. La Ran-GTP se une a la proteína por medio de la exportina. 3. Unidas entre sí, la RanGTP, la proteína y la exportina se acercan al poro nuclear y lo atraviesan previo agrandamiento de su diafragma. La exportina es guiada por las fibrillas proteicas del complejo del poro. 4. Al cabo del pasaje, inducida por la GAP, la Ran-GTP hidroliza el GTP a GDP y P, de lo que resulta una Ran-GDP. 5. Ello hace que la Ran-GDP se independice de la exportina, la cual se independiza de la proteína. 6. La proteína queda retenida en el citosol. En cambio, la Ran-GDP y la exportina retornan al núcleo separadamente. 7. Finalmente, la Ran-GDP y la exportina libres pueden ser reutilizadas para transferir nuevas proteínas hacia el citosol. 94 Respecto de las moléculas de ARN, salen del núcleo combinadas con proteínas, aunque están impedidas de hacerlo si no completaron sus procesamientos. Su pasaje a través de los poros nucleares depende de la Ran y de transportinas que reconocen señales específicas de las proteínas. El nucléolo se encuentra dentro del núcleo. Contiene los genes de los ARNr y los ARNr sintetizados. Es la estructura del núcleo donde ocurren los procesos de transcripción y procesamiento del ARNr, y el ensamblado de las subunidades ribosomales con proteínas. Este no se encuentra rodeado de membrana y está formado por ADN, es decir que tiene información para sintetizar los distintos tipos de ARNr. Está compuesto de tres regiones, las cuales reflejan la progresión en las etapas de elaboración de las subunidades ribosomales: el centro fibrilar, el componente fibrilar denso y el componente granular. Su cantidad es variable: un núcleo puede llegar a tener entre 1 y 3 nucleolos. El nucleoide es la región que en las procariotas contiene el ADN. Cromosomas Cada cromosoma está constituido por una larga molécula de ADN asociado con diversas proteínas, las cuales se pueden clasificar en: histonas y no histonas. Las células eucariotas tienen múltiples cromosomas, y cada uno tiene una molécula lineal de ADN, por lo que se dice que son lineales. La cromatina es el complejo formado por el ADN, las histonas y las proteínas no histónicas. Es la materia de la que están conformados los cromosomas. Contiene la información genética de la célula y se encuentra dispersa en el nucleoplasma. Las células procariontes no tienen. En su lugar contienen un ADN no asociado a histonas: una molécula libre, única y circular. Las células eucariontes contienen varias moléculas de ADN unidas a proteínas (histonas) en forma lineal. El ADN es un ácido nucleico formado por la polimerización de muchos monómeros (nucleótidos). Cada nucleótido está formado por un azúcar 5C (pentosa), un grupo fosfato y una base nitrogenada. Está compuesto por dos cadenas de polinucleótidos, antiparalelas (una en sentido 3' →→ 5' y otra 5'→ 3'), unidas por bases complementarias (Adenina y Timina; Citosina y Guanina) mediante puentes de hidrogeno. Componen una doble hélice que se enrolla sobre sí misma. En los cromosomas existen: DOOT 95 1. El centrómero o constricción primaria, que participa en el reparto a las células hijas de las dos copias cromosómicas que se generan a consecuencia de la replicación del ADN. 2. Los telómeros, que corresponden a los extremos de los cromosomas, cuyo ADN se replica de un modo distinto al resto del ADN. El ADN telomérico contiene una secuencia de nucleótidos especial que se repite muchas veces. Además, debido a su ubicación (ADN más expuesto), puede fusionarse con el ADN de otros telómeros o puede ser degradado por una nucleasa. Normalmente esto no ocurre porque el ADN telomérico se dobla sobre sí mismo y es protegido por un capuchón de proteínas TRF. 3. La enorme longitud del ADN exige que su replicación se inicie en muchos puntos a la vez a fin de que su duración sea relativamente breve. Estos puntos se llaman orígenes de replicación y en ellos el ADN posee secuencias de nucleótidos especiales. Estos se reparten a lo largo del cromosoma. Cuando el ADN se duplica, el cromosoma pasa a estar formado por dos unidades longitudinales idénticas, cada una de las cuales se llama cromátide. Las cromátidas de un cromosoma duplicado se llaman cromátidas hermanas, ya que tienen la misma información genética y están unidas por el centrómero. En las moléculas de ADN se halla depositada la información genética de la célula. La totalidad de la información genética depositada en el ADN se denomina genoma. La capacidad o incapacidad funcional del ADN para generar moléculas de ARN (transcripción del ADN) se basa en la secuencia de sus nucleótidos. El 75% del ADN se halla representado por secuencias de nucleótidos no repetidas (copias únicas) o que se repiten unas pocas veces. En esta parte se ubican los genes, los cuales abarcan alrededor del 10% del ADN. El 25% restante corresponde a secuencias de nucleótidos que se repiten muchas veces, denominado ADN repetitivo. Existen dos clases: el dispuesto en tandas (el inicio de una repetición se halla inmediatamente después del final de la otra) y el disperso (las copias no se encuentran agrupadas sino dispersas en distintos puntos de los cromosomas): ● ADN repetitivo dispuesto en tandas. Pertenecen los ADN satélites, los microsatélites y los minisatélites. O ADN satélites. El largo de la secuencia repetida, el número de veces que se repite en cada tanda y el número de tandas varía. O Microsatélites. Contienen secuencias de ADN repetidas, mucho más cortas que las de los ADN satélites. O Minisatélites. Contienen secuencias de ADN cortas. ADN repetitivo disperso. Existen dos clases: el SINE y el LINE. Las células somáticas humanas poseen 46 cromosomas divididos en 22 pares de autosomas más un par sexual. En la mujer, los dos miembros del par sexual son iguales (XX), pero no en el varón (XY). Excepto el par sexual del varón, puede decirse que en cada célula existen dos juegos idénticos de 23 cromosomas, uno aportado por el espermatozoide y el otro por el ovocito en el momento de la fecundación. Esto define a las células somáticas como células diploides y a los espermatozoides y los ovocitos como células haploides. 96 La molécula de ADN se enrolla sobre sí misma y el grado de enrollamiento varía según el momento del ciclo en el que se halla la célula: es mínimo durante la interfase y máximo cuando la célula se apresta a dividirse. Las histonas son proteínas básicas que poseen una alta proporción de lisinas y argininas, es decir, aminoácidos cargados positivamente. Existen cinco clases de histonas: H1, H2A, H2B, H3 y H4. El ADN extendido completamente mide más de 2 metros. Para entrar en el núcleo celular, el cual mide entre 5 y 10 µm, debe compactarse a través de un proceso llamado compactación o condensación de la cromatina. El ADN se enrolla dando 2 vueltas alrededor de un núcleo de 8 proteínas histonas (2 de cada tipo excepto H1), llamado octámero de histonas, formando un nucleosoma, el cual es la unidad básica de compactación de la cromatina. Estos se empaquetan luego juntos alrededor de otra histona, formando disposiciones regulares que forman asas, las cuales se unen para formar fibras y quedando al final los cromosomas en las células en división. El complejo formado por el nucleosoma más la histona H1 se denomina cromatosoma. En la cromatina existen dos proteínas accesorias que asisten a las histonas para que se liguen entre sí, la proteína N1 y la nucleoplasmina. La primera asocia a la H3 con la H4 y la segunda a la H2A con la H2B. Los nucleosomas se hallan separados por tramos de ADN espaciadores de longitud variable. La cromatina de cada cromosoma experimenta nuevos enrollamientos, los cuales son inducidos por un complejo de proteínas nucleares llamadas condensinas. Primero, los cromatosomas se enrollan sobre sí mismos y dan lugar a una estructura helicoidal llamada solenoide. Este enrollamiento depende de las histonas H1 y cada vuelta del solenoide contiene seis nucleosomas. Luego, el solenoide se pliega sobre sí mismo formando lazos. Estos se pliegan muchas veces para componer la forma más condensada del ADN, el cromosoma, que aparece solamente cuando la célula se está dividiendo. A intervalos más o menos regulares el enrollamiento se interrumpe, de modo que se observan tramos de cromatina más delgada. En ellos el ADN se encuentra asociado a proteínas no histónicas, en su mayoría reguladoras de la actividad génica. La mayoría de la información que utiliza la célula durante su vida se encuentra en la zona central del núcleo en un estado físico laxo (más desenrollada posible). En algunos sectores la cromatina experimenta un grado de enrollamiento aún Acido Deoxirribonucleico (ADN) Cromosoma & 97 mayor. Durante la interfase, la cromatina así condensada se denomina heterocromatina y eucromatina la menos compactada. ● La eucromatina es la que posee el ADN transcripcionalmente activo, es decir, el ADN que sintetiza moléculas de ARN. El ADN que corresponde a la heterocromatina es inactivo desde el punto de vista transcripcional. Se ubica en la zona periférica del núcleo en un estado condensado. Durante la interfase, recibe el nombre de heterocromatina constitutiva la cromatina altamente condensada que se encuentra de manera constante en todos los tipos celulares, como un componente estable del genoma, no convertible en eucromatina. Pertenece la cromatina de los sectores cromosómicos que poseen ADN repetitivo satélite y la mayor parte de la cromatina que forma los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos. Se denomina heterocromatina facultativa a la que se detecta en localizaciones que varían en los distintos tipos celulares, por lo que sectores que aparecen como heterocromatina en un tipo celular o en una atapa de su diferenciación, en otros tipos celulares y en otras etapas se presentan como eucromatina. O O Durante el ciclo celular, según la célula este atravesando la interfase o se esté dividiendo, los cromosomas pasan de estados de menor a mayor compactación. El grado más alto de enrollamiento se alcanza en la metafase, donde la cromatina de los cromosomas muestra un estado de condensación similar al de la heterocromatina interfásica. El conjunto de cromosomas ordenados según un criterio preestablecido se denomina cariotipo. Es un esquema o foto de cromosomas de la célula metafásica ordenados según morfología y tamaño. Todos los individuos de una especie presentan el mismo cariotipo a menos que ocurra alguna anormalidad o aberración cromosómica. Los cromosomas metafásicos están integrados por dos componentes filamentosos -las cromátidas- unidos por el centrómero, el cual desempeña un papel fundamental en la separación de las cromátidas hermanas en la anafase. A consecuencia de tal separación, una vez segregadas en las respectivas células hijas, cada una de las cromátidas se convierte en un cromosoma. Cromátidas La presencia del centrómero divide a las cromátidas del cromosoma metafásico en dos brazos, uno más largo que el otro (brazo largo q y brazo corto p). Los extremos de los brazos se denominan telómeros. De acuerdo con la posición del centrómero, los cromosomas se clasifican en tres grupos: JD 1. Metacéntricos. Poseen el centrómero en una posición más o menos central. 2. Submetacéntricos. El centrómero se encuentra alejado del punto central. Brazo corto Cinetocoros 98 Centrómero Brazo largo Telómero 3. Acrocéntricos. El centrómero se halla cerca de uno de los extremos del cromosoma. Los genes El gen es la secuencia de ADN que contiene la información genética requerida para fabricar una molécula de ARN funcional, y si ésta corresponde a un ARNm, a partir de él construir una proteína (flujo de información genética). Cada gen se localiza en un sitio particular del cromosoma llamado locus. Antes de que las células somáticas se dividan, los genes se replican con el fin de autoperpetuarse. Ya que la información genética depositada en las moléculas de ADN se localiza en el núcleo y la síntesis proteica tiene lugar en el citoplasma, se requiere de la intervención de una molécula intermediaria, el ARNm, que copia la información contenida en el ADN y sale al citosol, donde dirige la síntesis de la proteína. Así, en el núcleo, el ADN determina la secuencia de los nucleótidos del ARNm y en el citoplasma el ARNm establece el orden de los aminoácidos de la proteína. La síntesis de ARN, que usa como molde al ADN, se denomina transcripción del ADN, mientras que la síntesis de la proteína, cuyo molde es el ARN, se llama traducción del ARNm. La replicación del ADN significa "copia que reproduce con exactitud el original". Se sugiere que cada gen da lugar a una sola clase de proteínas, pero algunos dan origen a poliproteínas (productos transitorios que se escinden en varias proteínas). Los ARNm recogen la información de los genes y dirigen la síntesis de las proteínas. Los ARNr son fundamentalmente estructurales. Los ARNt actúan como adaptadores. La síntesis proteica tiene lugar en el interior de los ribosomas, que son estructuras citosólicas que cuentan con cuatro ARNr diferentes entre sí y numerosas proteínas. Bajo la dirección de un ARNm, en los ribosomas se producen las reacciones químicas que ligan a los aminoácidos de cada proteína. La traducción necesita de la participación de los ARNt, de los que existen varios tipos, todos de tamaño pequeño. Se encargan de trasladar a los aminoácidos hacia el ribosoma siguiendo el orden que marca la información genética del ARNm. Las moléculas de ARN surgidas de la transcripción del ADN se llaman transcriptos primarios. Se convierten en ARN funcionales antes de salir del núcleo, al cabo de varias modificaciones (procesamiento del ARN). El procesamiento más conocido es el de los transcriptos primarios de los ARNm, los cuales contienen segmentos no funcionales (intrones) intercalados con los segmentos que contienen la información genética que codifica la proteína (exones). El procesamiento remueve los intrones y empalma los exones entre sí, dando lugar a un ARNm con información genética continua, apto para dirigir la síntesis de la proteína. Debido a que un gen es un tramo de ADN que contiene la información necesaria para generar un ARN o una proteína, se dice que codifica para estas dos moléculas. Se emplea 99 el término "codifica" porque las instrucciones son transmitidas en forma de códigos. El sistema de códigos se basa en la disposición ordenada de los nucleótidos en el ADN, los cuales determinan el ordenamiento de los nucleótidos en el ARN. Los nucleótidos del ARNm determinan el ordenamiento de los aminoácidos de la proteína utilizando grupos de tres nucleótidos (tripletes) en distintas combinaciones, para codificar a cada aminoácido. Estos tripletes se denominan codones. Dado que hay 4 tipos de nucleótidos, el número de codones posible es de 64. El conjunto de 64 codones se denomina código genético. Sus características son: ● ● ● Universal. Es el mismo para todos los seres vivos. Degenerado. Hay muchos codones diferentes que informan para el mismo aminoácido. No es ambiguo. Cada codón informa para un solo aminoácido. No es solapado. Cada nucleótido pertenece a un codón, por lo que no hay superposición. Dado que se utilizan 61 de los 64 codones para codificar a los 20 tipos de aminoácidos, la mayor parte de ellos pueden ser codificados por más de un codón, por lo que se dice que existe una "degeneración" en el código genético. Los codones que codifican a un mismo aminoácido se llaman sinónimos. Solamente la metionina y el triptófano, que son los aminoácidos menos comunes en las proteínas, son especificados por un solo codón. Los tres codones que no codifican aminoácidos, los codones STOP (UAA, UGA y UAG), tienen por mandato señalar la conclusión de la síntesis de la molécula proteica y se llaman codones de terminación. En cada serie ADN →ARN → proteína las unidades que integran estas moléculas son colineales, ya que los codones del ADN se corresponden con los del ARN y éstos con los aminoácidos de la proteína. El gen posee otros complementos: 1. El promotor, que inicia la transcripción y señala a partir de qué nucleótido debe transcribirse el gen. Suele localizarse cerca del extremo 5' del segmento codificador, donde inicia la síntesis. Suele poseer dos elementos. La combinación más común incluye a las secuencias TATA y CAAT, situadas cerca del codificador. Muchos promotores contienen la secuencia TATA pero no la CAAT. A veces están ausentes las dos, por lo que el promotor suele presentar secuencias con una concentración inusualmente alta de citocinas y guaninas, llamadas regiones CG. 2. Secuencias reguladoras, que determinan cuando debe transcribirse el gen y cuantas veces debe hacerlo. Se unen proteínas activadoras o inhibidoras formando dos tipos de reguladores, los amplificadores (más numerosos) y los inhibidores. Cuando se elimina una secuencia amplificadora de un gen, la velocidad de transcripción disminuye. Cuando se elimina una secuencia inhibidora, la velocidad aumenta. 3. Cerca del extremo 3', el gen posee un tramo de ADN llamado secuencia de terminación que marca la conclusión de la síntesis del ARN. En el segmento codificador se alternan tramos de ADN utilizables con tramos no funcionales, es decir exones e intrones. Los genes que codifican ARNm están representados por copias únicas. Una de las 100 excepciones corresponde a los genes que codifican a las cinco histonas. Los cinco genes se encuentran en el cromosoma alineados uno tras otro, separados entre sí por tramos de ADN que no se trascriben, llamados espaciadores. El genoma es el conjunto de genes contenidos en los cromosomas. Contiene la totalidad de la información genética del organismo. El estudio de todos esos genes y cómo funcionan en conjunto se denomina genómica. Según el número de cromosomas, se pueden clasificar en: ● ● Haploides: O O O O O O Diploides O O Un set cromosómico dentro de la célula. Un cromosoma de cada tipo. Los gametos poseen 23 cromosomas. Se dice que contiene un numero N de cromosomas. O Dos sets cromosómicos dentro de la célula. Dos cromosomas de cada tipo, es decir, dos pares de cromosomas homólogos. Éstos poseen los mismos genes, sin embargo, no implica que la información sea idéntica. Un alelo es la variante informativa de cada gen. Son las células somáticas, las cuales poseen 46 cromosomas. Se dice que tiene un número 2N de cromosomas. Poliploides Son más de dos conjuntos de cromosomas homólogos. 101 La replicación del ADN Proceso por el cual, a partir de una molécula de ADN, se obtienen 2 moléculas de ADN idénticas entre sí y a la molécula original. Su objetivo es generar una copia de ADN para cada una de las células hijas. La vida de las células que se dividen transita por dos etapas que se alternan cíclicamente: interfase y mitosis. La interfase se subdivide en tres periodos: G1, S y G2. En la fase G1 tienen lugar las distintas actividades de la célula (secreción, conducción, contracción, endocitosis, etc.). Le sigue la fase S, en cuyo transcurso se produce la replicación del ADN. Luego tiene lugar la fase G2, que se extiende hasta el inicio de la fase M, donde las moléculas de ADN duplicadas se segregan en las células hijas. La síntesis de ADN (replicación) presenta algunas similitudes con la síntesis de ARN (transcripción del ADN). EI ADN se sintetiza en dirección 5' → 3' y utiliza como molde una cadena de ADN preexistente. Enzimas equivalentes a las ARN polimerasas, las ADN polimerasas, agregan los sucesivos nucleótidos en el extremo 3' de la cadena en crecimiento. Las ADN polimerasas catalizan las uniones fosfodiéster que se producen entre el OH del C3' de la desoxirribosa de un nucleótido y el fosfato ligado al C5' del nucleótido recién arribado. Las diferencias se deben en parte a que el ADN es una molécula doble y no simple como el ARN. En la síntesis del ARN, el ADN se transcribe solo en los sectores que corresponden a los genes inactivos, mientras que en la replicación no queda ningún sector de ADN sin duplicar. Para la síntesis del ARN las dos cadenas del ADN se separan transitoriamente en la zona donde se produce la transcripción, por lo cual se forma una especie de "burbuja" que se desplaza en dirección 5' → 3'. El ARN copia una sola de las dos cadenas del ADN y, conforme progresa la transcripción, se despega de la cadena que le sirve de molde. Contrariamente, en la replicación las dos cadenas del ADN se utilizan como moldes y una vez separadas no vuelven a juntarse. Finalmente, la replicación exige un numero considerablemente mayor de enzimas que la transcripción. En síntesis, a partir de una molécula doble de ADN se originan dos moléculas dobles de ADN, cada una compuesta por una cadena heredada del ADN progenitor y una cadena recién sintetizada. Dado que las moléculas de ADN recibidas por las células hijas contiene una cadena original (preexistente) y una cadena nueva (recién sintetizada), se dice que el mecanismo de replicación del ADN es semiconservador. El ADN integra los nucleosomas de 10 nm y se enrolla hasta generar una estructura helicoidal de 30 nm de diámetro (solenoide), que al volver a enrollarse forma lazos de diferente longitud, los cuales emanan de un eje que está constituido por proteínas no histónicas. Los dos extremos de cada lazo se sujetan a ese eje por secuencias de ADN SAR. Además de proteger al ADN de eventuales enredos, nudos o roturas, lo organiza sectorialmente ya que cada lazo representa una unidad de replicación. 102 El ADN no se sintetiza globalmente sino a partir de múltiples sectores a lo largo de su molécula, cada uno de los cuales corresponde a un lazo. La duración de la fase S es de 7 horas aproximadamente debido que a lo largo de cada cromosoma aparecen en el ADN múltiples orígenes de replicación (entre 20 y 80 por cada lazo), que contienen secuencias específicas ARS. Estas secuencias se asocian a un complejo de proteínas ORC, que a su vez recluta a otras proteínas para catalizar el inicio de la replicación. Los orígenes de replicación se gestan al separarse localmente las dos cadenas del ADN. Su aparición más temprana o tardía depende del grado de enrollamiento y de otras características de la cromatina en los lugares donde se forman. 5' Comienza cuando la enzima helicasa separa las dos hebras de la molécula de ADN, rompiendo las uniones puentes de hidrogeno entre las bases complementarias. Cuando en un origen de replicación se abre la doble hélice del ADN se forma la burbuja de replicación, cuyo tamaño aumenta a medida que avanza la separación de las cadenas en los dos extremos de la burbuja. Por cada burbuja existen dos enzimas helicasa: una que rompe puentes de hidrogeno dirigiéndose a la derecha y otra haciéndolo hacia la izquierda. Sobre las burbujas se ubican unas proteínas SSPBS, las cuales mantienen a las hebras de ADN separadas, evitando que se vuelvan a unir por puentes de hidrogeno. Esto muchos fragmentos del ADN, por lo que se forman múltiples burbujas de replicación. Cada mitad de la burbuja da lugar a una estructura con forma de Y, la horquilla de replicación. Sus ramas representan a las cadenas del ADN separadas y el tronco, a la doble hélice en vías de separación. horquillas de replicación ocurre en 5' burbuja de replicación 5' 5' Las dos horquillas que nacen en cada origen avanzan en direcciones opuestas. Desaparecen cuando colisionan con sus similares de las burbujas contiguas. El segmento de ADN que se sintetiza a partir de un origen de replicación se llama replicón. La replicación concluye cuando se conectan entre si todos los replicones. Las dos cadenas de la doble hélice son antiparalelas, dado que en cada horquilla los nucleótidos de una de las cadenas corren en dirección 5' → 3' y los de la otra lo hacen en dirección 3' → 5'. La primera, al copiarse, tendría que gestar una cadena hija en dirección 3' →→ 5', algo que ninguna ADN polimerasa puede realizar. El tramo de cadena hija que crece en dirección 5' 3' -cuyo molde es la cadena progenitora 5' →→ 3'- se construye mediante el agregado continuo de nucleótidos en su extremo 3' a medida que se desplaza la horquilla. En cambio, la otra cadena hija -que usa como molde la cadena progenitora que corre en dirección 3' → 5'- se sintetiza de un modo singular, ya que para poder crecer debe hacerlo en dirección contraria al avance de la horquilla. Lo logra porque se fabrica de manera discontinua: se construyen pequeños 103 tramos de ADN (los fragmentos de Okazaki) que se ligan entre si conforme se van formando. EI segmento de ADN progenitor más cercano a la horquilla permanece sin copiar, aunque la otra cadena progenitora ya fue copiada por la cadena continua, por lo que se la llama adelantada o hebra conductora, y a la discontinua, retrasada O hebra rezagada. 5 3 es un Se dice que la replicación del ADN proceso bidireccional no solo porque las dos cadenas se sintetizan en direcciones opuestas sino también porque las dos horquillas avanzan en direcciones divergentes. Horquilla de replicación ARN-polimerasa III (alarga las cadenas a partir del cebador) ARN-polimerasa I (escinde el cebador y lo reemplaza por desoxirribonucleótidos) ori 3'1 cebador cadena adelantada +cebador fragmento de Okazaki ADN-ligasa (une los fragmentos sintetizados) cadena rezagada Además, es semidiscontinua y asimétrica, ya que una misma cadena se replica en forma continua de un lado de la burbuja y en forma discontinua del otro lado. Para iniciar la síntesis de la cadena continua de ADN, la ADN polimerasa necesita, además de una cadena de ADN 3'5' molde, un extremo 3' para poder colocar su primer desoxiribonucleótido. Ese extremo lo provee una pequeña pieza de ARN llamado cebador o primer. La formación del cebador es catalizada por una ARN polimerasa específica, la ADN primasa, que se diferencia de la ARN polimerasa porque genera un ARN corto que queda unido al ADN copiado. Una vez formado el cebador, la síntesis del ADN se produce por la acción de la ADN polimerasa y la provisión de desoxiribonucleótidos, los cuales se encuentran en el núcleo como desoxiribonucleótidos trifosfato. Al iniciarse la síntesis continua del ADN, en cada origen se forman dos cebadores diferentes, uno en cada cadena de la doble hélice abierta. Seguidamente, la ADN polimerasa ō, que es la enzima que cataliza la síntesis de la cadena continua, agrega un desoxiribonucleótido en el extremo 3' del cebador y luego los sucesivos nucleótidos en el extremo 3' de la cadena en crecimiento. Cuando la horquilla arriba al extremo del replicón, la cadena continua toma contacto con la cadena discontinua del replicón vecino -que avanza en dirección contraria- y otra enzima, la ADN ligasa, une el extremo 3' de la primera con el extremo 5' de la segunda. Donde se inicia la síntesis de la cadena continua, el cebador es removido por una nucleasa reparadora y reemplazado por una pieza equivalente de ADN generada con la ayuda de la enzima ADN polimerasa ß. Finalmente, esta pieza de ADN se conecta con el resto de la cadena continua mediante la ADN ligasa. Una característica de las ADN polimerasas es su tendencia a desprenderse del ADN de la cadena molde. Mientras hacen su trabajo permanecen unidas a él debido que son sostenidas por una abrazadera deslizante. Ésta se une a la polimerasa y rodea al ADN, 104 impidiendo el desprendimiento de la enzima, pero no su deslizamiento. Se libera de las ADN polimerasas 3 y o apenas se detienen, cuando la ß completa el tramo de ADN que reemplaza el cebador y la o alcanza el extremo del replicón. La cadena discontinua requiere que la ADN primasa fabrique múltiples cebadores, uno para cada fragmento de Okazaki. La enzima responsable de la síntesis de estos fragmentos es la ADN polimerasa a, que se haya unida a la ADN polimerasa o y por ello se localiza cerca de la horquilla de replicación. La ADN polimerasa a coloca el primer desoxiribonucleótido junto al extremo 3' del cebador del fragmento de Okazaki, lo liga a él y agrega los sucesivos desoxiribonucleótidos en el extremo 3' del fragmento en crecimiento. A medida que avanza la horquilla de replicación, se acorta el ADN molde y se alarga la doble hélice que resulta de la síntesis del fragmento de Okazaki. Además, se crea un segundo ADN molde, el del fragmento de Okazaki que se sintetiza en el próximo ciclo. La doble hélice y el segundo ADN molde forman un bucle que crece entre la ADN polimersa a y el ángulo de la horquilla de replicación. Éste se forma porque la ADN polimerasa a no puede deslizarse activamente sobre el ADN molde debido a que se halla en el ángulo de la horquilla de replicación, por lo que el ADN molde debe deslizarse en relación a la enzima, lo cual genera un bucle de longitud creciente que hace posible que el ADN molde se convierta en una doble hélice sin que la ADN polimerasa a se mueva de su lugar. Los dos ADN moldes están asociados a múltiples unidades de proteína SSB, cuya función es mantener relativamente rectos a esos ADN simples para evitar que se apareen las bases complementarias de sus propias cadenas. Una vez que son fabricadas las SSB necesarias, se reutilizan mientras dure la replicación, ya que sus unidades se transfieren de los ADN molde que se acortan a los ADN molde que se alargan. La ADN polimerasa a no se desprende del ADN molde debido a que se le asocia una abrazadera deslizante, cuyas partes se separan apenas el fragmento de Okazaki termina de sintetizarse. Ésta interrumpe su actividad después de agregar el último nucleótido del fragmento de Okazaki, cuyo extremo 3' queda junto al extremo 5' del cebador formado precedentemente. Los cebadores de la cadena discontinua son removidos por una nucleasa reparadora y reemplazados con piezas de ADN construidas por la ADN polimerasa ß. Luego la ADN ligasa suelda el extremo 3' de esas piezas con el extremo 5' de los fragmentos de Okazaki precedentes. El ADN de los telómeros, a pesar de que por su ubicación puede fusionarse con el ADN de otros telómeros o degradarse mediante una nucleasa, en condiciones normales no corre esos riesgos porque se dobla sobre sí mismo y las proteínas TRF le forman un capuchón protector. Durante la síntesis de la cadena discontinua del ADN telomérico, la ADN polimerasa ß no puede construir el tramo de ADN que debe reemplazar al último cebador porque carece de un extremo 3'. En cada una de las sucesivas divisiones celulares, con la eliminación del ultimo cebador se pierde un tramo del ADN telomérico, lo que provoca su progresivo acortamiento. Después de alrededor de 50 divisiones el acortamiento telomérico llega a un nivel que les impide una nueva división. Estas células envejecen y mueren debido a que desde sus telómeros agotados surgen señales que activan el gen de la proteína P53, la cual bloquea la división y determina la muerte de las células. 105 En algunas células pertenecientes a las líneas germinativas del testículo y el ovario esto no ocurre debido a que contienen un complejo enzimático ribonucleoproteico, la telomerasa, diseñado para recuperar el ADN telomérico que pierden durante las divisiones: una secuencia de ARN de la telomerasa se une al extremo 3' de la cadena 5'→ 3', colocándose en el lado de la cadena 3' →→ 5'. A partir de ese momento la cadena 5' →→ 3' reúne los requisitos que le permiten crecer: tiene su propio extremo 3' libre y una secuencia de nucleótidos que le sirve de molde, la ARN de la telomerasa. Puesto que a medida que crece provoca el corrimiento de la telomerasa, este proceso se reitera varias veces. Concluye cuando la cadena 5'→ 3' recupera su longitud y el telómero se libera de la telomerasa. La telomerasa es una ADN polimerasa que copia una secuencia de ARN, por lo que se comporta como una transcriptasa inversa. Las ADN polimerasas copian los nucleótidos del ADN después que las dos cadenas de la doble hélice se separan. Esta separación es producida por una enzima helicasa, que se sitúa en el ángulo de la horquilla por delante de las ADN polimerasas y corta los puentes de hidrogeno entre las bases complementarias de las dos cadenas de la doble hélice. Esto requiere energía, que es tomada del ATP. Conforme avanza la horquilla de replicación, la helicasa deja tras de sí tramos de las dos cadenas del ADN con sus nucleótidos expuestos. A medida que las cadenas del ADN se separan a nivel de la horquilla, se va acumulando delante de ésta una torsión cada vez mayor, la cual haría inviable la separación de las cadenas por la helicasa. Para que la acción de la enzima no sea frenada es necesario evitar el superenrollamiento con un desenrollamiento, el cual es producido por dos enzimas específicas: la topoisomerasa I y la girasa (o topoisomerasa II). Ambas utilizan energía y evitan las vueltas en exceso mediante un proceso que conlleva tres pasos. ADN Polimerasa 1. La topoisomerasa I corta una de las cadenas de la doble hélice cadena cortada gira en torno de su 2. La propio eje. 3. Los extremos cortados vuelven a unir. se cadena adelantada Lagging-strand template Helicasa cebador vin ADN Polimerasa fragmentos de Okazaki Topoisomerasa va En cambio, la girasa corta ambas cadenas de ADN, las cuales restablecen sus uniones después de haber girado. Ambas enzimas se comportan como nucleasas y ADN ligasas. El desenrollamiento que produce la topoisomerasa I es de corto alcance y el de la girasa abarca una extensión de ADN mucho mayor. Durante la transcripción del ADN, cuando la ARN polimerasa avanza y abre el lado frontal de la burbuja, se forma un superenrollamiento en la doble hélice similar al de la replicación. Este superenrollamiento es aliviado únicamente por la topoisomerasa I. 106 La compactación del ADN afecta la replicación, ya que la heterocromatina se replica muy tardíamente en la fase S. Respecto de los nucleosomas, se sabe cómo se segregan sus histonas. Al cabo de la replicación se reparten -aparentemente al azar- entre ambas cromátidas hijas, por lo que éstas deben proveerse de histonas de reciente formación. Los nucleosomas nuevos se forman con histonas preexistentes e histonas nuevas. Los nucleosomas se construyen en dos pasos: 1. Las histonas H3 y H4 se ligan entre sí mediante la proteína N1 y "son entregadas" al ADN por un complejo proteico CAF-I. 2. Las histonas H2A y H2B, asistidas por la nucleoplasmina, se unen a las histonas H3 y H4 y completan el octámero. La mayor parte de las histonas nuevas se sintetizan en la fase S y se incorporan a los nucleosomas apenas el ADN es duplicado. Durante la fase S, casi todas las copias de los genes de las cinco histonas se transcriben simultáneamente, por lo que la concentración de los ARNm de las histonas es muy alta. La pequeña cantidad de histonas que se sintetiza fuera de la fase S serviría para reemplazar a las que envejecen. Al concluir la replicación, los cromosomas contienen una doble dotación de ADN y las moléculas gemelas quedan unidas por el centrómero hasta la anafase. Mutación del ADN El material genético puede ser alterado por la acción de agentes ambientales o por errores que ocurren durante la replicación. Cuando las alteraciones del genoma involucran a uno o a unos pocos nucleótidos, se denominan mutaciones génicas. Cuando son de gran magnitud, por lo que afectan al cariotipo, se llaman aberraciones cromosómicas. 1. En las aberraciones estructurales se hallan afectadas partes extensas de un cromosoma, que pueden perderse, invertirse, duplicarse o translocarse. 2. En las numéricas, el cariotipo exhibe un número de cromosomas menor o mayor que el normal. Las mutaciones génicas más comunes consisten en la sustitución de un nucleótido por otro (sustituciones), en la perdida de uno o varios nucleótidos (deleciones), o en la intercalación de uno o varios nucleótidos en una molécula de ADN (inserciones). Cualquiera lleva a la producción de una proteína distinta de la esperada o a la ausencia de su producción. El cambio de un nucleótido en un gen da lugar a un codón diferente y, por consecuencia, a la presencia en la proteína de un aminoácido que no corresponde. Muchas veces el cambio de un solo aminoácido produce alteraciones sustanciales en las funciones de la proteína. La pérdida o intercalación de un nucleótido en un gen cambia el encuadre de los codones en el ARNm desde el sitio de la mutación hasta el codón terminal. Ello suele traducirse en la interrupción de síntesis de la proteína, al aparecer un codón de terminación antes del lugar que corresponde. 107 Las mutaciones pueden producirse en las células somáticas o en las germinativas. En el primer caso, si bien son capaces de afectar al fenotipo de los individuos, no pasan a la descendencia. En cambio, cuando se instalan en las células germinativas pueden transmitirse a la descendencia y heredarse de generación en generación. Las mutaciones también pueden afectar a genes necesarios para la supervivencia de las células o a genes involucrados en el control de la multiplicación celular. Las mutaciones génicas tienen un lado positivo, ya que a veces su acumulación en el genoma forja las condiciones para la aparición de individuos mejor adaptados al medio ambiente. La mayor parte de las mutaciones génicas que afectan a las células se producen espontáneamente, durante la replicación del ADN. Ello se debe a que cuando se sintetizan las cadenas hijas pueden insertarse nucleótidos incorrectos, o nucleótidos de menos o de más. También existen mutaciones génicas espontaneas ajenas a la replicación. Algunas aparecen como consecuencia de la desaminación de las bases de los nucleótidos, dada la facilidad con que pierden sus grupos amino. Otras a raíz de la apurinización, es decir, cuando una base (purina) se desprende de la desoxirribosa del nucleótido. En esos puntos sitios AP- los genes carecen de información. Existen tres grupos de agentes ambientales que al actuar sobre las células inducen la aparición de mutaciones: 1. Los químicos 2. Las radiaciones ionizantes 3. Ciertos virus capaces de introducir segmentos de ADN foráneo a los genes. Reparación del ADN Para cada tipo de alteración del ADN existe un mecanismo de reparación especial, dirigido por una combinación de enzimas específicas. En la mayoría de los casos se basan en la información genética complementaria existente entre las dos cadenas de la doble hélice. Si la ADN polimerasa inserta en forma accidental un nucleótido incorrecto, "percibe" el error y no agrega nuevos nucleótidos, de modo que el crecimiento de la cadena se detiene transitoriamente. El error es resuelto por la propia enzima mediante el ejercicio de una función adicional conocido como "lectura de pruebas". Así, la ADN polimerasa, retrocede y lo elimina. Para ello utiliza la actividad exonucleasa 3'5' de una de sus subunidades. Si falla esa "lectura de pruebas" se pone en marcha un segundo sistema de reparación que consta de tres etapas: 1. El o los nucleótidos erróneos son removidos por una nucleasa reparadora que corta la unión fosfodiéster que conecta al nucleótido incorrecto con el nucleótido contiguo, originando un hueco en la secuencia. 108 2. La ADN polimerasa ß se une al extremo 3' de la cadena cortada y sintetiza la pieza faltante en base a la secuencia de la cadena molde 3. La ADN ligasa une el nuevo fragmento sintetizado a la cadena original. Debe existir una señal que le permita a la nucleasa reparadora distinguir en cuál de las dos cadenas del ADN se encuentra el nucleótido incorrecto. En los procariotas se basaría en la existencia de una diferencia transitoria en la metilación de ciertas adeninas entre las dos canales después de la replicación. La aparición en el ADN de uracilos en lugar de citocinas -como consecuencia de desaminaciones espontaneas- da lugar a un mecanismo de reparación que utiliza una ADN glicosidasa específica. Ésta reconoce y corta la conexión entre la base errónea y la desoxirribosa, de modo que deja al nucleótido sin su base. En forma similar, otra ADN glicosidasa especifica remueve la hipoxantina que se produce al desaminarse la adenina. En los sitios AP que se generan, la desoxirribosa sin base es removida por la AP endonucleasa y una fosfodiesterasa, que cortan, respectivamente al extremo 5' y el extremo 3' del sitio AP y remueven el azúcar. Luego la ADN polimerasa ß coloca el nucleótido correcto en el lugar vacío y la ADN ligasa pone fin a su reparación. Estos tres últimos pasos se utilizan también para reparar los sitios AP que se producen como consecuencia de las apurinizaciones espontaneas. Transposición de secuencias de ADN Segmentos de ADN transponibles -o transposones- son capaces de codificar una proteína transposasa y en sus extremos poseen secuencias de nucleótidos iguales si se las lee en direcciones opuestas. El número de nucleótidos en estas repeticiones invertidas es fijo para cada transposón. Las secuencias repetidas presentes en los flancos del transposón son causa y consecuencia del mecanismo por el cual los transposones son extraídos de un lugar del genoma e insertados en otro. Durante este proceso la transposasa efectúa cortes espaciados, inserta el transposón y realiza las reparaciones necesarias en el ADN. Los transposones tienen gran similitud con el ARN de los retrovirus. Muchos de los genes duplicados no se convierten en genes nuevos sino en seudogenes, que son incapaces de generar ARN. Éstos acumulan mutaciones, lo que puede convertirlos en genes funcionales. El genoma contiene también seudogenes que no surgen por duplicación genética sino a partir de ARN que fueron copiados a ADN por la transcriptasa inversa e insertados en el genoma. Estos segmentos de ADN -seudogenes procesados- están flanqueados por secuencias repetidas de ADN similares a las descritas en los transposones y podrían ser "marcas" dejadas en el genoma por algunos virus portadores de ARN (retrovirus). La inactividad funcional de los seudogenes se debe a que carecen de secuencias reguladoras. 109 Duplicación en procariotas Tienen un único sitio de origen de la replicación. También cuentan con enzimas polimerasas diferentes de las eucariotas y ausencia de la enzima telomerasa. Esta no es necesaria ya que el ADN es circular (no asociado a proteínas, llamado ADN "desnudo" y disperso en el citoplasma) y no hay peligro en el acortamiento de los telómeros durante la duplicación del ADN. Resumen Se divide en tres etapas: Iniciación Formación de las burbujas de replicación por acción de enzimas helicasa. Formación de los cebadores/primers por acción de enzima ARN polimerasa. Alargamiento/Elongación ADN polimerasa sintetiza las cadenas de ADN nuevas partiendo de primers: una cadena se sintetiza de manera continua y otra de manera discontinua. Terminación Los primers son removidos y sustituidos por fragmentos de ADN que son unidos por la ADN ligasa. Esto da lugar a cadenas completas de ADN. 110 Transcripción del ADN Proceso de síntesis de moléculas de ARN sobre la base de moldes de ADN. Se lleva a cabo en el núcleo y se produce por la unión entre sí de los nucleótidos A, C, G y U, los cuales se alinean siguiendo el orden marcado por los nucleótidos complementarios del ADN. El apareamiento se logra mediante el establecimiento de uniones transitorias (no covalentes) de las bases de ADN con las bases del ARN en formación - uniones fosfodiéster-. Estas son dirigidas y catalizadas por un conjunto de enzimas específicas, las ARN polimerasas. Existen tres tipos en células eucariotas: ARN polimerasa II, que sintetiza ARNm ARN polimerasa I, que sintetiza ARNr 45S ARN polimerasa III, que sintetiza ARNr 5S, ARNt Y ARN nucleares. Hay un solo tipo en células procariotas que sintetiza todos los tipos de ARN. Los ribonucleótidos se agregan de a uno por vez, lo que hace innecesaria la separación de las dos cadenas del ADN en toda su extensión. ● ● Se dice que la transcripción avanza en dirección 5' 3' porque el ARN sintetizado se corresponde con la cadena no transcripta del ADN. Esta cadena es antiparalela y complementaria a la hebra de ADN. Tendrá la misma secuencia de nucleótidos que la secuencia codificante de ADN, con el reemplazo de los nucleótidos de timina por los de uracilo. Etapas La transcripción se divide en tres etapas: Iniciación Los monómeros con los cuales se construyen las moléculas de ADN se presentan en el nucleoplasma como ribonucleósidos trifosfatos (ATP, UTP, CTP y GTP). El comienzo de la transcripción tiene lugar cuando, a través de su base, uno de esos ribonucleósidos establece una unión transitoria con la base complementaria del primer nucleótido del gen. En este proceso interviene el promotor del gen, luego de ser activado. El promotor (o secuencia de iniciación) se une a la ARN polimerasa y hace que esta interactúe con el ADN en el sitio que debe iniciarse la transcripción. Allí la ARN polimerasa forma una burbuja de transcripción, pues determina la separación localizada de las dos cadenas del ADN y deja expuesto al primer desoxirribonucleótido que va a ser leído. Frente a este ribonucleótido se acomoda un ribonucleósido trifosfato complementario -el primer nucleótido de la molécula de ARN- y su base establece una unión no covalente con 111 la base del desoxirribonucleótido. Luego se arrima un segundo ribonucleósido trifosfato - complementario del segundo desoxiribonucleótido expuesto en el ADN- y sus bases se unen. Los dos ribonucleósidos que concurrieron a la burbuja quedan juntos, lo cual permite que entre ellos se produzca una unión fosfodiéster y se genere un dinucleótido. Con él se inicia la síntesis de ARN. En las células eucariotas, la ARN polimerasa requiere factores proteicos denominados factores de transcripción, que ayudan a localizar los promotores e iniciar la transcripción: Factores de transcripción específicos. Actúan antes que los basales. Se unen a una secuencia reguladora y se dividen en activadores y represores. ● Factores de transcripción basales. Se unen a una secuencia TATA porque poseen nucleótidos de timina y adenina presente dentro del promotor para comenzar la síntesis de ARN. La ARN polimerasa unida al promotor y a los factores de transcripción forma un Complejo de iniciación de la transcripción. Elongación DOOOOOL El alargamiento progresivo del ARN es conducido por la misma ARN polimerasa, la cual se desliza sobre el ADN en dirección 5' →→ 3' y hace avanzar la burbuja. Lo logra porque separa a los nucleótidos en el lado frontal de la burbuja. El ADN se desliga de los ribonucleótidos, mientras que el ARN sigue unido a la cadena molde de ADN por medio de los últimos ribonucleótidos incorporados, formándose un Complejo de elongación de la transcripción constituido por la ARN polimerasa, el ADN molde y la hebra naciente de ADN. Terminación Iniciación Promotor ARN polimerasa Elongación ARN ARN Terminación Hélice de ADN La transcripción concluye cuando la ARN polimerasa alcanza la secuencia de terminación en el extremo 3' del gen. En ese punto la enzima se libera. También lo hace el ARN, que adquiere el nombre de transcripto primario. En el extremo 5', el primer ribonucleótido del ARN retiene los tres fosfatos, mientras que en el extremo 3' el último nucleótido presenta un grupo OH libre. DI Secuencia de terminación En las células procariotas esto tiene lugar en el citoplasma, donde se ubica el cromosoma bacteriano. Además, no requiere factores de transcripción para el inicio de la transcripción. 112 El ARNm sintetizado no madura ni se procesa, sino que su secuencia puede traducirse directamente para la síntesis de proteínas. Transcripción de los genes de los ARNon- El conjunto de transcriptos primarios de los ARNm se conoce como ARN heterogéneo nuclear. Estos no se encuentran libres en el nucleoplasma sino combinados con diversas proteínas básicas, las cuales se unen a los ARNm a medida que se sintetizan. El conjunto de transcriptos primarios y las proteínas asociadas lleva el nombre de ribonucleoproteína heterogénea nuclear. Las proteínas actúan como chaperonas que mantienen a los ARN plegados. Ello evita que se formen apareamientos entre secuencias de nucleótidos complementarios. Los factores de transcripción basales son los mismos para casi todos los genes, se dice que son constitutivos. Los factores de transcripción específicos, al ser particulares para cada gen, se califican como facultativos. Los factores de transcripción específicos son mucho menos numerosos que las secuencias reguladoras que tiene que controlar. Cada clase de célula elabora solo una selección de esos factores, nada más que los imprescindibles para crear las combinaciones capaces de regular sus propios genes. Debido a que cada gen suele tener varios amplificadores y varios inhibidores, dos o más genes distintos pueden poseer algunos reguladores comunes, aunque nunca la misma combinación. Los factores de transcripción específicos desencadenan o frenan la transcripción del ADN. El inicio de la transcripción por parte de la ARN polimerasa depende de su activación por los factores de transcripción basales unidos al promotor; esto depende de la activación previa de otras secuencias reguladoras por parte de los factores de transcripción específicos: Activadores. Al unirse a las regiones reguladoras en el ADN provocan que el gen se curve y forme una horquilla. Cuentan con dos dominios, uno que se conecta con el ADN regulador y otro que lo hace con los factores basales, que a su vez están unidos a la región promotora del gen. Cuando el complejo queda integrado, los factores de transcripción basales activan a la ARN polimerasa Il y ésta inicia la transcripción del gen. Represores. Frenan la transcripción ya que impiden la formación de la horquilla, por lo tanto, del complejo con los factores de transcripción basales, y no se activa la ARN polimerasa II. Los factores de transcripción reconocen el ADN de los promotores y de los reguladores por sus bases: identifican a grupos químicos localizados en la parte exterior de la doble hélice, a nivel de los surcos mayor y menor. Allí los aminoácidos de los factores de transcripción interactúan con las bases y se unen a ellas. Visto desde el surco mayor del ADN, cada par de nucleótidos muestra un átomo de oxígeno, uno de hidrogeno y uno de nitrógeno, que son capaces de establecer uniones no covalentes con átomos de los aminoácidos de los factores de transcripción. En cada par de bases esos 113 tres átomos se presentan combinados de manera diferente. La información cifrada en el surco menor del ADN es menos amplia que la del surco mayor. Además, entre los factores de transcripción y el ADN se producen uniones inespecíficas. Las proteínas de los factores de transcripción contienen estructuras diméricas simétricas, las cuales se encastran en los surcos de la doble hélice con el ADN. Los dímeros ocupan dos vueltas de la doble hélice, con un monómero cada vuelta. En ese par de vueltas el ADN también presenta simetría, ya que sus dos mitades muestran secuencias de nucleótidos repetidas en palíndromo. La dimerización de los factores de trascripción y la simetría del ADN son condiciones necesarias para que los aminoácidos de los primeros puedan interactuar con las bases del regulador y del promotor. Los sectores diméricos de sus moléculas forman estructuras secundarias y terciarias con diseños comunes diseñadas para ingresar en los surcos de la doble hélice a nivel del regulador y del promotor del gen. La denominación de las estructuras se basa en la forma que tienen: ● ● ● Hélice-vuelta-hélice. Consta de dos cadenas de aminoácidos con forma de hélice, separadas por una "vuelta" o cadena más corta. Una de las hélices "lee" la secuencia de nucleótidos en el sector regulador del gen y la otra mantiene la hélice lectora en la posición adecuada. Cuando está acompañada por otra simétrica, entre ambas componen un dímero. Las respectivas hélices de reconocimiento se encajan en sendos surcos del ADN. Cremallera de leucina. Consta de dos cadenas polipeptídicas dispuestas en paralelo, ambas con forma de hélice. Cada cadena posee dos sectores, uno que se une al ADN y otro que lo hace con su homólogo, con lo cual se forma un dímero. Los sectores unidos entre si presentan, cada siete aminoácidos, una leucina que da al interior del dímero. Estas leucinas se encastrarían, de ahí el nombre de cremallera. Dedos de cinc. Cada dominio del factor de transcripción está compuesto por una secuencia de unos pocos aminoácidos y un átomo de cinc, el cual se liga tetraédricamente a cuatro cisteínas o dos cisteínas y dos histidinas. Estos dominios se proyectan como dedos, cuyo número y secuencia de aminoácidos varían en los distintos factores de transcripción. Hélice-bucle-hélice. Esta estructura tiene una configuración dimérica muy parecida a la cremallera de leucina, pues posee dos cadenas polipeptídicas con dos sectores funcionales en cada una: el específico -reservado para la unión del factor de transcripción con el ADN- y el responsable de la dimerización. El primero es rico en aminoácidos básicos. Este diseño se diferencia de la cremallera porque sus partes dimerizadas no se encastran. Transcripción del gen del ARN~ 455- Las 200 copias del gen del ARNr 45S se localizan en el nucléolo. La iniciación de la síntesis por la ARN polimerasa I requiere dos factores de transcripción: SL1 y UGF. EI SL1 se asocia al promotor del gen y el UVF al regulador (amplificador). Luego el SL1 y 114 el UBF se comunican entre sí y forman un complejo cooperativo que da inicio a la transcripción. Esta termina cuando la ARN polimerasa I llega a la secuencia de terminación. La transcripción de una copia no se inicia si la ubicada precedentemente no finaliza la suya. Transcripción del gen del ARN~ 55. Las aproximadamente 2000 copias del gen se encuentran fuera del nucléolo. Su transcripción es dirigida por la ARN polimerasa III, que actúa cuando tres factores de transcripción distintos se unen al promotor del gen. La síntesis del ARNr 5S cesa cuando la ARN polimerasa III arriba a la secuencia de terminación. Transcripción de los genes de los ARNE La transcripción de las 10 a 100 copias de cada uno de los genes es dirigida también por la ARN polimerasa III, la cual requiere que se unan al promotor dos factores de transcripción. La finalización de la síntesis es similar a los ARNr 45S y 5S. Transcripción de los genes de los ARN pequeños. La mayor parte de los ARNpn son sintetizados por la ARN polimerasa II, y unos pocos por la ARN polimerasa III. Un factor de transcripción SNAPC se vincula con ambas polimerasas. La formación de los restantes ARNpn y de los ARNpno no depende de polimerasas ni de factores de transcripción propios, ya que está supeditada a la síntesis de los ARNm donde se hallan los intrones que les da origen. Respecto del gen del ARNpc, sus múltiples copias son transcriptas por la ARN polimerasa III. Transcripción de los genes en las células procariotas La disponibilidad de la lactosa como alimento para la bacteria Escherichia coli estimula la producción de las enzimas que intervienen en su degradación. Esta regulación se conoce como inducción enzimática. Las tres enzimas necesarias para el aprovechamiento de la lactosa como alimento son la B-galactosidasa, la permeasa y la transacetilasa, cuya codificación corresponde a una unidad genética común, la operón lac. Un operón es un grupo de genes que se encuentran muy próximos entre sí y que son regulados (activados o inhibidos) en forma conjunta por un operador y un promotor. Además, suele intervenir un gen inhibidor que codifica a una proteína represora. Los genes se hallan en el segmento codificador y son transcriptos en un solo ARNm, el ARN policistrónico. 115 El segmento codificador del operón lac posee tres genes que codifican a las tres enzimas. Es regulado por el represor lac, un complejo proteico que posee cuatro subunidades idénticas codificadas por el gen inhibidor. La unión del represor lac al operador impide la síntesis del ARNm policistrónico. El represor lac se une a una secuencia de veintiún pares de bases del operador que tiene regiones de simetría doble (en palíndromo). El objetivo del sistema es lograr una adaptación rápida a cambios en la calidad y cantidad de alimento presente en el medio. La afinidad del represor por el operador se halla regulada por la sustancia inductora (la alolactosa), que es una molécula pequeña que se liga al represor. Cada subunidad del represor tiene un sitio de unión para la sustancia inductora. Ésta provoca un cambio conformacional y el represor abandona al operador. La presencia de la sustancia inductora hace posible la transcripción del operón. En ausencia del inductor, el represor se encuentra unido al operador impidiendo la unión de la ARN polimerasa al promotor, por lo que no se produce la trascripción. El AMP cíclico participa en la regulación de la transcripción de los operones. La E. coli posee una proteína receptora dimérica para el AMPC llamada CAP, la cual se une al promotor del operón cuando se le asocia el AMPC. Ello hace que la ARN polimerasa también se una al promotor. Esta lo reconoce siempre que el complejo AMPC-CAP se encuentre en él. Si la E. coli se desarrolla en presencia de glucosa y lactosa, usará solo la primera. En la E. coli las cinco enzimas que se requieren para sintetizar el aminoácido triptófano son codificadas por el operón triptófano, cuya actividad es controlada por dos mecanismos: la represión enzimática y la interrupción prematura de la transcripción. La actividad de éste depende primordialmente de la concentración del aminoácido en la bacteria y ambos mecanismos de control hacen que las cinco enzimas se produzcan solo cuando son necesarias. En la represión enzimática la síntesis del ARNm que codifica a esas enzimas es bloqueada cuando la concentración del triptófano sobrepasa ciertos niveles. Para ello, el represor triptófano derivado del gen inhibidor ingresa en el operador e impide que la ARN polimerasa se una al promotor. Para que el represor ingrese en el operador se requiere que lo active un correpresor, que en el caso del operón triptófano es el propio aminoácido triptófano cuando se halla en exceso. Cuando el triptofano bacteriano es insuficiente, el represor y el correpresor se separan del operador, la ARN polimerasa retorna al promotor y el ARNm que se genera dirige la producción de las cinco enzimas necesarias para sintetizar el aminoácido. En la interrupción prematura de la transcripción, cuando la concentración de triptofano supera ciertos niveles, el operón triptófano interrumpe su transcripción y genera un ARNm corto, incapaz de producir enzimas que se necesitan para sintetizar el aminoácido. El ARNm resulta corto porque su molécula forma un bucle que pone fin a la transcripción. Opuestamente, cuando el triptófano bacteriano se halla en cantidad insuficiente, ese bucle no se forma. 116 Las células poseen mecanismos de regulación más finos, pues controlan la actividad, no la síntesis de las enzimas. Los más comunes son: 1. La inhibición por retroalimentación, por la cual el producto final de un ciclo metabólico actúa como inhibidor alostérico de la primera enzima de la cadena, de modo que cuando se ha sintetizado una cantidad suficiente del producto toda la cadena entra en reposo y se evita la acumulación inútil de metabolitos. 2. La activación por precursor, en la cual el primer metabolito de la vía sintética actúa como activador alostérico de la última enzima de la cadena. Epigenética La epigenética es el estudio de los cambios heredables en la expresión de los genes, que no pueden ser atribuidos a cambios la secuencia del ADN. Existen más de 20 mecanismos epigenéticos, los cuales cumplen un rol importante en la regulación de la transcripción. Modificaciones postraduccionales de histonas Los factores de transcripción basales no solo activan al promotor del gen sino también el desarmado de los nucleosomas en la parte inicial del segmento codificador, lo que permite la separación local de las dos cadenas del ADN para que la ARN polimerasa pueda comenzar la transcripción. Estos actúan directa o indirectamente sobre las histonas H4, que se modifican y desencadenan la remoción de las otras histonas. Más adelante, a medida que avanza el segmento codificador del gen, la propia ARN polimerasa sería la responsable de desenrollar el ADN de los nucleosomas, los cuales se rearman conforme la enzima los deja atrás. El grado de enrollamiento de la cromatina es regulado por el agregado o la remoción de grupos acetilo, grupos metilo y grupos fosfato en las "colas" de las histonas. La acetilación de algunas lisinas de la histona H3 y H4 disminuye el enrollamiento de la cromatina, lo que favorece el acceso a los factores de transcripción basales al promotor del gen. La desacetilación provoca el efecto contrario, ya que incrementa el enrollamiento de la cromatina y puede llegar a convertirla en heterocromatina. El agregado y la remoción de los grupos acetilo son catalizados por acetilasas y desacetilasas localizadas en la matriz nuclear. Respecto de la metilación y la demetilación producen efectos opuestos a los de la acetilación y la desacetilación, respectivamente. La fosforilación y la desfosforilación de ciertas serinas y treoninas localizadas en las "colas" de la histona H1 también producen efectos opuestos a los de la acetilación y la desacetilación. En síntesis, la acetilación, la demetilación y la desfosforilación de distintas histonas disminuyen el enrollamiento de la cromatina y propician la actividad de los genes. La desacetilación, la metilación y la fosforilación aumentan el enrollamiento y bloquean la 117 actividad génica. Tales combinaciones llevan el nombre de código histónico. La metilación del ADN se halla restringida a citosinas seguidas por guaninas. A nivel del promotor puede abolir la actividad de un gen, mientras que muchas metilaciones en su región codificadora suelen no afectarla. En la impronta genómica o marcaje genómico, algunos genes se expresan exclusiva o predominantemente en un solo alelo (paterno o materno), por lo que uno de sus alelos no se transcribe. Los genes que no se expresan se denominan genes marcados. Para que la impronta de estos genes pueda mantenerse de generación en generación, los genes con impronta materna deben perderla en las células germinativas masculinas y adquirir el patrón de metilación de los genes con impronta paterna, los cuales no se modifican. En las células germinativas femeninas debe ocurrir lo contrario. Es un mecanismo de regulación genética, ya que existe un comportamiento distinto de cada alelo de un gen en función de su origen parental. Ocurre antes de la fertilización y tiene lugar durante la producción de las células germinales masculinas o femeninas. Esto no supone cambios en la secuencia de nucleótidos del ADN. Para que la embriogénesis sea normal, por cada par de alelos con impronta se requiere que uno tenga la impronta paterna y el otro la materna. Si en una célula germinativa de uno de los padres se produce una falla en la reprogramación de la impronta, el embrión formado con la participación de esa célula tendrá una proporción inadecuada de alelos paternos y maternos y se desarrollará defectuosamente, creándose una patología. Esto se conoce como disomías uniparentales. 118 El procesamiento del ARN El procesamiento del ARN es el conjunto de modificaciones que experimentan los transcriptos primarios para convertirse en ARN funcionales. Procesamiento de los ARNm Comprende la remoción de los intrones y el agregado de dos estructuras: cap en el extremo 5' y poliA en el extremo 3'. Estas modificaciones son necesarias para que los ARNm puedan salir del núcleo y funcionar en el citosol. Al nucleósido trifosfato situado en el extremo 5' del ARNm naciente se le une un nucleótido metilado, la 7-metilguanosina. Recibe el nombre de cap y se agrega en el extremo 5' mediante los siguientes pasos: 1. Una enzima específica incorpora un GTP al extremo 5' del transcripto. 2. Otra enzima, la metiltransferasa, toma dos grupos metilo de una molécula donante y los transfiere al ARNm, uno a la guanina del cap y otro al que ha pasado a ser el segundo nucleótido del ARNm. 3. El cap se une al transcripto primario apenas éste comienza a sintetizarse. Su incorporación es cotranscripcional. El cap evita la degradación del extremo 5' del ARNm por fosfatasas o nucleadas y es requerido durante la remoción de intrones. También es necesario para conectar el ARNm al ribosoma en el comienzo de la traducción. La poliadenilación es el agregado de una secuencia de aproximadamente 250 adeninas -llamada poliA- en el extremo 3' del ARNm. Antes que la ARN polimerasa II alcance la secuencia de terminación del gen, varios factores específicos reconocen en el transcripto primario una secuencia llamada señal de poliadenilación. Uno de los factores específicos corta el ARNm unos 20 nucleótidos después de la señal de poliadenilación y el transcripto primario se desconecta del ADN. Una enzima llamada poli-A polimerasa agrega 250 adeninas en su extremo 3'. Ésta no necesita un molde de ADN para realizar su trabajo. La poliA es necesaria para proteger el extremo 3' del ARNm de la degradación enzimática y ayuda al ARNm a salir del núcleo. El extremo 3' de los ARNm de las histonas no se poliadenila, sino que desarrolla una estructura que también protege a la molécula (secuencia corta de aminoácidos que se pliega y forma un bucle). La remoción de los intrones del transcripto primario se cumple en dos pasos: 1. El ARNm es cortado entre los intrones y los exones. 2. Los intrones son expulsados y los exones se empalman entre sí. 119 Los agentes responsables de los cortes y empalmes en el ARNm son los RNPpn, de los que existen varios tipos. No solo son diferentes en su composición sino también en sus funciones, algunas ajenas a los cortes y empalmes. Aquellos que participan en esos cortes y empalmes concurren al sector del transcripto primario que va a ser procesado y forma un complejo macromolecular denominado espliceosoma. El transcripto primario contiene una serie de señales que marcan donde debe cortarse su molécula. En el límite entre el extremo 3' de los exones y el extremo 5' de los intrones aparece la secuencia G/GU, en la que el dinucleótido GU señala el comienzo del intrón. En el otro extremo aparece la secuencia AG/G, en la que el dinucleótido AG marca la terminación del intrón. El transcripto primario posee una serie de segmentos con información para la síntesis de proteínas (exones), alternadas con otras sin información (intrones), que luego son suprimidos y no aparecen en el ARNm maduro. Este proceso se denomina maduración y ocurre en el núcleo. Se lleva a cabo mediante dos pasos (splicing): 1. Consume energía que es tomada del ATP. Después del corte, el intrón se dobla sobre sí mismo y forma un lazo. Cuando esta etapa culmina, de un lado queda el primer exón con su extremo 3' libre y del otro un lazo compuesto por el intrón y el exón siguiente. 2. También requiere energía. El intrón removido es finalmente digerido. Para que las RNPpn den lugar a los cortes y empalmes se necesita la presencia del cap en el extremo 5' del transcripto primario. En cambio, puesto que estas reacciones pueden producirse sin que se haya completado la síntesis del transcripto, no exigen la poliadenilación de su extremo 3¹. El ARNm no puede atravesar los poros de la carioteca y salir al citoplasma si no fueron removidos todos sus intrones. Además, es monocistrónico, por lo que solo contiene información para la síntesis de una cadena polipeptídica. Regulación del procesamiento de los ARNm Para controlar la producción de algunas proteínas existen mecanismos accesorios - postranscripcionales-. Los primeros se cumplen en el interior del núcleo, en algunos casos a través de la regulación del procesamiento del transcripto primario y en otros mediante el control de la salida del ARNm al citoplasma. ● ● Corte y poliadenilación diferencial del extremo 3' del transcripto primario. Algunos genes generan un transcripto primario que pueden dar lugar a dos proteínas semejantes (aunque una un poco más larga que la otra), debido a que un factor regulatorio determina que el corte del ARN en el extremo 3' del transcripto primario se realice en dos lugares diferentes de la molécula. Cortes y empalmes en lugares alternativos del transcripto primario o splicing. Puede ocurrir que uno o más exones sean removidos, que uno o más intrones no sean excluidos o que ambos hechos se combinen. 120 ● Control de la salida de los ARNm al citoplasma. Ciertos ARNm no pasan al citoplasma porque son degradados selectivamente en el núcleo o porque se halla impedida su salida por los poros de la envoltura nuclear. Procesamiento del ARN- 455 Su transcripto primario no forma un cap en su extremo 5' ni poliadenila su extremo 3'. Su procesamiento tiene lugar en el nucléolo y comienza con una serie ordenada de cortes para eliminar las secuencias espaciadoras y hacer que los ARNr 28S, 18S y 5,8S queden como unidades independientes. Las secuencias espaciadoras del transcripto primario son diferidas por enzimas apenas se separan de las secuencias utilizables. Se metilan antes de ser cortado el transcripto primario. Tanto la síntesis como el procesamiento del ARNr 45S se producen en el nucléolo, el cual posee dos regiones: 1. La región fibrilar, ubicada en la parte central, donde se sintetiza el ARNr 45S y se producen los primeros pasos de su procesamiento. 2. La región granular, ubicada en la periferia, en la que se encuentran las subunidades de los ribosomas en distintos estadios de procesamiento. El tamaño del nucléolo varía con la necesidad de la célula de generar ribosomas. La variación depende de la región granular, que se expande o se retrae según el ritmo con que se procesan las subunidades ribosómicas. Cuando estas subunidades están por terminar el procesamiento, abandonan el nucléolo y pasan al citosol. Salen del núcleo por los poros de la carioteca. Como el diámetro de las subunidades supera el diámetro de los poros, debe producirse un cambio conformacional en una de las dos estructuras para que el pasaje pueda concretarse. Procesamiento del ARN-55 Una vez sintetizado ingresa al nucléolo y se incorpora a la subunidad ribosómica mayor. -Procesamiento de los ARNt Incluye la remoción de un intrón, que se elimina por un mecanismo diferente del utilizado por los ARNm, pues prescinde del espliceosoma. Procesamiento de los ARN pequeños Una vez que terminan de sintetizarse, los nucleótidos complementarios de sus propias moléculas se aparean entre sí. Luego salen al citosol, se trimetilan en el extremo 5' y se combinan con un complejo de 7 proteínas Sm. Finalmente, los ARNpn unidos a las Sm retornan al núcleo y se asocian con otras proteínas 121 específicas para cada tipo de ARNpn. Esto se da solo para los ARNpn que intervienen en los cortes y empalmes de los ARNm. Antes de salir del núcleo, el ARNpn experimenta los siguientes cambios: ● Varias secuencias complementarias de su molécula se aparean entre sí. Se asocia con seis proteínas diferentes, lo que da lugar al complejo nucleoproteico PRS. Procesamiento. -en procariotas El transcripto primario es procesado para formar las moléculas de ARNm, ARNt y ARNr mediante la acción de enzimas ARNasas. El ARNm no sufre ningún proceso de maduración. El ARNm procariota es policistrónico: contiene información para la síntesis de proteínas diferentes (cistrones, que son regiones codificantes) alternadas con segmentos espaciadores (no codificantes). Además, carece del cap 5' y de la cola PoliA 3'. 122 la traducción del ARNon La síntesis proteica tiene lugar en el ribosoma que se arma en el citosol a partir de dos subunidades ribonucleoproteicas provenientes del nucléolo. En el ribosoma, el ARNm se traduce en una proteína, para lo cual se requiere también la intervención de los ARNt. Su trabajo consta de tomar a los aminoácidos del citosol y conducirlos al ribosoma en el orden marcado por los nucleótidos del ARNm, que son los moldes del sistema. La síntesis de una proteína comienza con la unión entre sí de dos aminoácidos y continúa por el agregado de nuevos aminoácidos en uno de los extremos de la cadena proteica. La clase de la traducción reside en código genético. Las moléculas intermedias entre los codones del ARNm y los aminoácidos son los ARNt, los cuales tienen un dominio que se liga específicamente a uno de los 20 aminoácidos y otro que lo hace con el codón apropiado. El segundo dominio consta de una combinación de tres nucleótidos -llamado anticodón- que es complementaria de la del codón. Cada tipo de ARNt lleva antepuesto el nombre del aminoácido que transporta. El ARNt unido al aminoácido compatible con él se designa aminoacil-ARNtAA, en el que "AA" corresponde a la sigla del aminoácido. Ya que hay 31 ARNt, el déficit se resuelve por la capacidad que tienen algunos ARNt de reconocer a más de un codón. Lo logran porque sus anticodones suelen poseer la primera base "adaptable", es decir, que puede unirse con una base no complementaria situada en la tercera posición del codón. El primer codón que se traduce en los ARNm es siempre el triplete AUG, cuya información codifica al aminoácido metionina. Este codón cumple dos funciones: señala el sitio de comienzo de la traducción -recibe el nombre de codón de iniciación-, y cuando se halla en otras localizaciones en el ARNm codifica a las metioninas del interior de la molécula proteica. Al especificar el primer aminoácido de la proteína, el codón AUG de iniciación determina el encuadre de los sucesivos tripletes, lo que asegura la síntesis correcta de la molécula. El codón UAA es un codón de terminación. La unión de los aminoácidos entre sí para construir una proteína se produce de modo que el grupo carboxilo del aminoácido se combina con el grupo amino del aminoácido siguiente, con pérdida de una molécula de H₂O. Esta combinación se llama unión peptídica. La proteína se sintetiza a partir del extremo que lleva el grupo amino libre. Ello se corresponde con la dirección 5' → 3' usada para la traducción del ARNm, la misma con que el ADN se transcribe. Los ARNm salen hacia el citoplasma por los poros de la envoltura nuclear. Ya en el citosol, cada ARNm se combina con nuevas proteínas y con ribosomas, lo que lo habilita para ejercer su función codificadora durante la síntesis proteica. Algunos ARNm se localizan en sitios prefijados en el citoplasma, de modo que las proteínas que codifican se sintetizan y se concentran en esos sitios. 123 El extremo 5' de los ARNm contiene una secuencia de alrededor de 10 nucleótidos previa al codón de iniciación que no se traduce. En algunos ARNm esta secuencia participa en el control de la traducción y en otros regula la estabilidad del ARNm, es decir, su supervivencia. Otra secuencia especial del ARNm suele hallarse después del codón de terminación, entre éste y la poliA. Tiene por función controlar la supervivencia del ARNm. Los codones del ARNm no seleccionan a los aminoácidos directamente, sino que lo hacen los ARNt. Su función principal es alinear a los aminoácidos siguiendo el orden marcado por los codones del ARNm. Los ARNt adquieren una forma característica, primero parecida a una hoja de trébol y luego a la letra L. Esquema del ARNt 5° 3 Puentes de hidrógeno Triplete aceptor Sitio de unión del aminoácido Nucleótidos apareados Anticodón 5 Estructura terciaria del ARNt 3 Los cuatro brazos de la hoja de trébol se generan porque los ARNt poseen cuatro pares de secuencias complementarias que se aparean como lo hacen las dos cadenas del ADN. Los extremos 5' y 3' de los ARNt se hallan juntos en la punta de uno de los brazos, la cual recibe el nombre de extremo aceptador debido a que acoge el aminoácido. Esto se conecta con el último nucleótido del extremo 3' del ARNt. Los otros brazos de la hoja de trébol presentan partes distales en forma de asas, cuyas denominaciones derivan de los nucleótidos que las caracterizan: asa T, asa D y asa anticodón. Existe un asa adicional entre el asa T y el asa anticodón. Debido a que su longitud difiere en cada tipo de ARNt, se llama asa variable. El plegamiento ulterior de los ARNt hace que dejen de parecerse a una hoja de trébol y adquiera la forma de la letra L debido a que algunos nucleótidos establecen apareamientos inusuales entre sí. Al cabo de ese plegamiento el asa anticodón se halla en una de las puntas de la L, el extremo aceptor en la otra punta, y las asas D y T quedan juntas en la zona de unión de ambos brazos. 124 El aminoácido se liga a su correspondiente ARNt por la acción de una enzima aminoacil- ARNt sintetasa, que cataliza la unión en dos pasos. 1. El aminoácido se liga a un AMP, con el cual forma un aminoacil-AMP. Dado que el AMP deriva de la hidrolisis de un ATP, se libera un pirofosfato (PP) y energía, que también pasa al aminoacil-AMP. 2. La energía es utilizada por la aminoacil-ARNt sintetasa para transferir el aminoácido del aminoacil-AMP a la del extremo aceptor del ARNt compatible, con lo cual se forma una molécula esencial para la síntesis proteica: el aminoacil-ARNtAA, que reconoce el codón complementario en el ARNm. La célula posee 20 aminoacil-ARNt sintetasas diferentes, cada una diseñada para reconocer a un aminoácido y el ARNt compatible con él. Cada aminoacil-ARNt sintetasa identifica el ARNt por el anticodón. Uno de los ARNt redundantes es el ARNt iniciador, pues transporta a la metionina destinada exclusivamente al codón AUG de iniciación. Los mecanismos para alinear los aminoacil-ARNtAA de acuerdo con el orden de los codones del ARNm requieren de los ribosomas, cuya primera tarea es localizar al codón AUG de iniciación y acomodarlo correctamente para que el encuadre de ese triplete y el de los siguientes sea el adecuado. Luego el ribosoma se desliza hacia el extremo 3' del ARNm y traduce a los sucesivos tripletes en aminoácidos. Las reacciones que ligan a los aminoácidos entre si-las uniones peptídicas- se producen dentro del ribosoma. Cuando este arriba al codón de terminación -en el extremo 3' del ARNm- cesa la síntesis proteica y se libera la proteína. Los ribosomas constituyen las "fabricas" de las proteínas. Cada ribosoma está compuesto por dos subunidades -una menor y otra mayor- que se identifican con las siglas 40S y 60S (eucariotas) y 30S y 50S (procariotas). Juntas forman la unidad 80S (eucariotas) y 70S (procariotas), que representa al ribosoma completo. La subunidad menor del ribosoma es de forma muy irregular. En una de sus caras -la que se relaciona con la subunidad mayor- existe un canal por el que se desliza el ARNm. Junta a él hay tres caras contiguas: el Sitio A (Aminoacil), el Sitio P (Peptidil) y el Sitio E (Exit) La subunidad mayor es también muy irregular. De una de sus caras -la que se relaciona con la subunidad menor- nace un túnel diseñado para que la proteína salga del ribosoma a medida que se sintetiza. Ambas subunidades se reparten el trabajo que realiza el ribosoma. La subunidad menor coloca juntos los ARNt para que los aminoácidos que transportan se liguen entre sí, es decir, para que se produzcan las uniones peptídicas. En cambio, la subunidad mayor cataliza dichas uniones y asiste a los factores que regulan la síntesis proteica. La función catalítica de la subunidad mayor no está a cargo de una de sus proteínas sino de uno de sus ARNr, que obra como una ribozima. Cada ARNm suele ser traducido por varios ribosomas simultáneamente que se deslizan por él en dirección 5'-3'. La asociación de un ARNm con varios ribosomas se llama polisoma o polirribosoma. Los ribosomas se encuentran libres en el citosol o adosados a la membrana del RE. Los 125 primeros elaboran proteínas destinadas al citosol, al núcleo, a las mitocondrias o a los peroxisomas. Los segundos elaboran proteínas que se insertan en la membrana del RE o se vuelcan en la luz del organoide; estas proteínas permanecerán en el RE o se trasferirán al complejo de Golgi, desde donde podrán pasar a los endosomas, a la membrana plasmática o salir al exterior. las etapas de la sintesis proteica La síntesis de las proteínas se divide en tres etapas: 1. La etapa de iniciación es regulada por proteínas citosólicas denominadas factores de iniciación (IF), que provocan dos hechos separados pero concurrentes, uno en el extremo 5' del ARNm y otro en la subunidad menor del ribosoma. El primero involucra al cap y a una secuencia de nucleótidos aledaña, localizada entre el cap y el codón de iniciación. Estas partes del ARNm son reconocidas por el factor IF-4, que se liga a ellas si al ARNm se le ha unido la proteína CBP. La conexión del IF-4 insume energía, que es provista por un ATP. En el segundo, el metionil-ARNtMet se coloca en el sitio P de la subunidad menor del ribosoma. Esta reacción requiere el factor IF-2 y gasta la energía de un GTP. Logrados ambos acontecimientos, el factor de iniciación IF-3, con la ayuda del IF-4 coloca el extremo 5' del ARNm sobre la cara de la subunidad menor del ribosoma que posee los sitios E, P y A. De inmediato la subunidad menor se desliza por el ARNm y detecta el codón AUG de iniciación, que se coloca en el sitio P. El segundo codón del ARNm queda colocado al lado, es decir, en el sitio A. El metionil-ARNt Met se une al codón AUG de iniciación mediante su anticodón CAU. Concluye cuando la subunidad mayor se une a la subunidad menor y se forma el ribosoma. 2. La etapa de elongación es regulada por factores de elongación (EF). Comienza con el ingreso en el ribosoma de un aminoacil-ARNtAA cuyo anticodón es complementario del segundo codón del ARNm, el cual se localiza en el sitio A. EI aminoacil-ARNTAA se ubica en este sitio y su anticodón se conecta con el segundo codón del ARNm mediante el factor de elongación EF-1 y la energía suministrada por un GTP. El aminoacil-ARNtAA recién llegado y el metionil-ARNtMet del sitio P quedan uno al lado del otro, al igual que sus aminoácidos. Esta vecindad es necesaria para que ambos aminoácidos puedan ligarse entre sí por medio de una unión peptídica. Previamente el ribosoma se corre tres nucleótidos en dirección del extremo 3' del ARNm, a causa de lo cual el codón de iniciación (y el metionil-ARNt Met) se transfiere del sitio P al sitio E, el segundo codón (y el aminoacilARNtAA) se transfiere del sitio A al sitio P, y el tercer codón del ARNm se ubica en el sitio A vacante. Este corrimiento, denominado translocación, depende del factor de elongación EF-2 y de la energía suministrada por un GTP. Apenas el metionil-ARNtMet ingresa en el sitio E, su metionina se desacopla del ARNt y se liga al aminoacil-ARNtAA ubicado en el sitio P. El dipeptidil-ARNt que se forma reemplaza al aminoacil-ARNtAA en el sitio P. Después de perder la metionina, el ARNt se desconecta del codón de iniciación, 126 abandona el sitio E y se encamina hacia la salida del ribosoma, lo que determina el fin del primer episodio del alargamiento de la proteína. El segundo comienza cuando el nuevo aminoacil-ARNA ingresa en el ribosoma, se ubica en el sitio A y su anticodón se conecta con el tercer codón del ARNm, otra vez mediante el factor de elongación EF-1 y la energía de un GTP. Luego, debido que el ribosoma se vuelve a translocar, el dipeptidil-ARNt y el aminoacil-ARNTAA se trasladan de los sitios P y A a los sitios E y P, respectivamente, y el cuarto codón del ARNm se ubica en el sitio A vacante. Al cabo de la translocación se produce la segunda unión peptídica, ahora entre el dipéptido del dipeptidil-ARNt y el aminoácido del tercer aminoacil-ARNtAA. EI tripeptidil que se forma queda ubicado en el sitio P. El ARNt que cedió el dipéptido abandona el sitio E y se dirige a la salida del ribosoma, lo que determina el fin del segundo periodo del alargamiento de la proteína. Lo que ocurre durante los dos primeros episodios de la etapa de alargamiento se repite en los siguientes. Por consecuencia, durante el tercer episodio se forma un tripeptidil-ARNt, y luego peptidil-ARNt cada vez más largos, cuyas localizaciones alternan en los sitios P y E a medida que se producen las translocaciones y se suceden las uniones peptídicas. La energía que se gasta mediante la formación de cada unión peptídica proviene de la ruptura de la unión química entre el ARNt ubicado en el sitio E y su aminoácido. Al formarse cada aminoacil-ARNAA, la unión del aminoácido con el extremo aceptor del ARNt consume la energía suministrada por un ATP. Por lo tanto, la energía que emplea la subunidad mayor del ribosoma para unir a los aminoácidos es aportada por ese ATP. La síntesis proteica es un proceso muy costoso, ya que se requiere no solo el ATP sino también los dos GTP: el que se consume en el sitio A para que el aminoacil- ARNTAA se conecte con el ARNm y el que se gasta en la translocación. Con cada translocación el ribosoma se aleja del extremo 5' del ARNm y se acerca al extremo 3'. Cuando el ribosoma se halla a unos 30 codones del codón de iniciación, es abordado por un segundo ribosoma y comienza la síntesis de una nueva copia de proteína. Al cabo de un tiempo se encuentran múltiples ribosomas a lo largo de todo el ARNm. El proceso se vuelve a repetir tantas veces como aminoácidos tenga la proteína. 3. La etapa de terminación es regulada por factores de terminación (eRF) y tiene lugar tras la última translocación, es decir, cuando el codón de terminación del ARNM (UAA, UGA o UAG) llega al sitio A del ribosoma. Debido a que ello deja al sitio A sin el esperado aminoacil-ARNtAA, lo ocupa el factor eRF-1 que es capaz de reconocer a los tres codones de terminación. Ante la ausencia de un nuevo aminoacil-ARNAA, el polipéptido del peptidil-ARNt - ubicado en el sitio P- se desliga del último ARNt y se independiza del ARNm y del ribosoma. El desprendimiento del polipéptido depende del factor eRF-3. Esto requiere energía que es tomada de un GTP. Las subunidades menor y mayor del ribosoma se separan del ARNm. En el citosol integran un fondo común que abastece de subunidades ribosómicas para la formación de nuevos ribosomas en el mismo ARNm o en otros que se están traduciendo o que van a comenzar a hacerlo 127 El número de ribosomas en el polirribosoma, es decir, la suma de sitios en los que tiene lugar la síntesis de una proteína es relativamente constante. Traducción en procariotas. Se da simultáneamente con la transcripción. Ambos tienen lugar en el citoplasma. Mientras que el extremo 3' se termina de transcribir, el extremo 5' libre del ARNm se asocia a un ribosoma y el ARNt iniciador comienza la traducción. Existe una secuencia en el ARNm ubicada antes del codón de inicio que colabora en el correcto posicionamiento del ribosoma sobre el ARNm y es esencial para el inicio de la traducción. Si bien el codón de inicio es AUG, éste codifica para un aminoácido modificado, el Formilmetionina. Al ser invadidas por bacterias, las células de algunos organismos inferiores elaboran sustancias llamadas antibióticos para defenderse de la infección. En muchos casos estos logran sus objetivos interfiriendo la síntesis proteica de los ribosomas de las bacterias, lo que las mata. Regulación de la traducción La regulación es la cantidad de veces que un ARNm debe traducirse y a qué velocidad. Hay distintos tipos: ● ● ● Control general o inespecífico. Parece depender de un factor de iniciación que al ser fosforilado por una quinasa deja de actuar impidiendo el inicio de este proceso. Control particular o específico. Depende de ciertas sustancias reguladoras que suelen modificar la configuración de un tramo de nucleótidos no traducibles. Haciendo que el ARNm se doble y forme un bucle, lo que hace imposible el inicio de la traducción. Control de degradación del ARNm. Se da por varios mecanismos que involucran secuencias ubicadas entre el codón de terminación y la región poliA en el ARNm o secuencias cercadas al extremo 5'. Control de degradación de proteínas. Existen señales de degradación constituidas por secuencias de aminoácidos que son reconocidos por la ubiquitina, cuya intervención es imprescindible para la degradación de proteínas en los proteasomas. 128 El ciclo celular Las células, para dividirse en dos células hijas, pasan por un ciclo que comprende dos periodos: la interfase y la división celular, la cual se divide en cariocinesis (división celular por mitosis o meiosis) y citocinesis (división del citoplasma). La interfase es el periodo en el que ocurren las funciones más importantes del ciclo celular, tanto en el núcleo como en citoplasma. Las células duplican todos sus componentes. Algunos tipos celulares se dividen rara vez y las células nerviosas después del nacimiento no se dividen en absoluto; en las neuronas el periodo de interfase dura toda la vida del individuo, ya que no poseen capacidad de división celular, y cuentan con un alto grado de especialización. Las células de los epitelios se descaman, por lo que tienen una pérdida de células que tienen que reponer con división celular de sus células basales para mantener la cantidad en equilibrio (alta tasa de división celular). En el caso de los hepatocitos (principal célula del hígado) es posible que puedan darse los estímulos adecuados para que la célula regrese al ciclo y se divida. El ciclo celular puede ser considerado como una compleja serie de fenómenos que culminan cuando el material celular duplicado se distribuye en las células hijas. Antes de que la célula se divida por mitosis, sus principales componentes ya se han duplicado. La división celular representa la separación final de las unidades moleculares y estructurales previamente duplicadas. Mitosis La síntesis tiene lugar solamente durante un tramo limitado de la interfase, denominado fase S, que es precedido y seguido por las fases G1 y G2, en las que no hay síntesis de ADN. G2 es el tiempo que transcurre entre el final de las síntesis de ADN y el comienzo de la mitosis. Durante la fase G2 la célula contiene el doble (4c) de la cantidad de ADN presente en la célula diploide original (2c). Después de la mitosis las células hijas ingresan en la fase G1 y recuperan el contenido de ADN de las células diploides (2c). La duración del ciclo varía mucho de un tipo celular al otro. Los periodos S, G2 y M son relativamente constantes en la mayoría de los tipos celulares. El más variable es el periodo G1, que puede durar días, meses o años. Las células que no se dividen (nerviosas o musculo esquelético), o que se dividen poco (linfocitos), se hallan en el periodo G1, que en otros casos se denomina GO porque las células se retiran del ciclo celular; no se dividen nunca o lo hacen muy poco (tasa de división escasa). Fase G2 Prometafase Metafase Fase S Replicaion del ADN Anafase Telofase Interfase Fase G1 129 Control del ciclo celular Las células se reproducen para posibilitar el crecimiento corporal, para reemplazar a las que desaparecen por envejecimiento o por muerte programada o durante ciertas situaciones patológicas. La multiplicación celular aparece al iniciarse la vida embrionaria, con la segmentación de la célula huevo, duplicándose solamente los materiales celulares de esa célula; los componentes de su citoplasma se van repartiendo entre las sucesivas células hijas. Esto concluye cuando en las células del blastocisto se recupera la relación nucleocitoplasmática característica de las células somáticas. Poco antes de finalizar la fase G1, la célula decide dividirse debido a la presencia de sustancias inductoras provenientes de otras células que actúan de manera endocrina o paracrina, repiten el ciclo seguido por la célula predecesora y vuelven a dividirse. Se denomina punto de arranque o de control G1. En caso contrario, la fase G1 se propaga y la célula queda en "arresto celular" o estado quiescente, por lo que pasa a llamarse fase GO. Una situación diametralmente opuesta sucede en las divisiones celulares de la segmentación de la célula huevo, en las cuales la fase G1 prácticamente no existe. Dado que la fase G2 tampoco existe, la interfase se reduce a la fase S, por lo que tiene una corta curación. Las sustancias inductoras actúan sobre receptores específicos, en un momento del ciclo denominado punto de arranque. El cambio que provocan en el receptor promueve la síntesis de la ciclina G1. La secreción de estas sustancias es regulada por mecanismos que tienden a mantener un número adecuado y más o menos constante de células de cada uno de los tipos celulares. Entre las moléculas inductoras de la multiplicación celular se encuentran: 1. La somatomedina, que estimula la proliferación de las células cartilaginosas durante el crecimiento óseo. 2. Varios inductores llamados factores de crecimiento, en su mayoría secretados por células que se localizan en la vecindad de las células blanco. 3. Varias clases de factores hematopoyéticos, cada uno responsable de la proliferación de un tipo particular de célula sanguínea. En el control de las divisiones celulares intervienen dos tipos de moléculas: las ciclinas, las cuales alternan un periodo de síntesis creciente seguido por otro de rápida degradación en el curso de cada ciclo celular; y las quinasas dependientes de ciclinas, que al interactuar con las ciclinas fosforilan y activan a las moléculas responsables de la división celular. Existen varias clases de ciclinas. Las principales pertenecen a dos grandes grupos: las ciclinas G1 y las ciclinas M. Además, existen dos quinasas dependientes de ciclinas, la Cdk2 y la Cdc2. Tomada la decisión de dividirse, la célula deja atrás la fase G1 e ingresa a la fase S, donde comienza a replicar su ADN y sintetizar proteínas histonas. Ello sucede cuando una ciclina 130 G1 activa a la quinasa Cdk2, la cual inicia una cadena de fosforilaciones en sucesivas proteínas intermediarias. La cadena culmina con la activación de las moléculas responsables de la replicación del ADN. La Cdk2 se activa solo cuando la ciclina G1 alcanza un determinado umbral de concentración, ya que es un requisito indispensable para que se produzca la activación. A partir de ese momento la Cdk2 y la ciclina G1 se unen y componen un complejo proteico denominado SPF (factor promotor de la fase S). Este induce la apertura de los orígenes de replicación y activa a moléculas involucradas en la replicación del ADN, actuando a través del complejo pre-RC. Dado que en cierto momento de la fase S la concentración de la ciclina G1 comienza a declinar, cuando cae por debajo del umbral se separa de la Cdk2, con lo cual el SPF deja de existir. Las ciclinas son degradadas por proteasomas. La ciclina G1 es la única cuya concentración varia, ya que los niveles de la Cdk2 se mantienen constantes a lo largo del ciclo celular. La ciclina G1 comienza a sintetizarse a partir del punto de arranque, se incrementa durante gran parte de la fase S, en un momento de ésta comienza a declinar y desaparece en la fase G2. En una fase S normal el ADN se replica una sola vez, pues si así no fuese las células hijas tendrían un número de cromosomas mayor que el normal. El impedimento para la aparición de nuevas duplicaciones del ADN ya replicado depende del complejo proteico ORC. Los cuadros derivados de alteraciones en el control de este proceso se denominan poliploidías. La pausa impuesta por la fase G2 le provee a la célula un lapso durante el cual actúan mecanismos de seguridad para controlar si las moléculas de ADN han completado su replicación y si fueron reparadas. Además, en la fase G2 se completa la duplicación de los componentes citoplasmáticos. Superados tales controles comienza la fase M. El mecanismo que desencadena la mitosis es similar al que inicia la fase S, pero en la mitosis intervienen la Cdc2 y la ciclina M, la cual comienza a sintetizarse a partir de la fase G2, antes que desaparezca la ciclina G1. Cuando la ciclina alcanza un determinado umbral de concentración, se une a la Cdc2 y ambas moléculas componen un complejo MPF (Factor promotor de la fase M). Activada por la ciclina M, la Cdc2 fosforila a diversas proteínas citosólicas y nucleares. Algunas de sus consecuencias son: 1. Se desintegra la red de filamentos de actina. La célula pierde contacto con las células vecinas y se vuelve esférica. 2. Se desarman los microtúbulos y se forman los del huso mitótico. 3. Se disgrega la lámina nuclear, y con ella la carioteca. 4. Se modifica la asociación de la histona H1 con el ADN, lo que aumenta el enrollamiento de la cromatina y la compactación de los cromosomas. Cuando la división celular concluye, estos y otros fenómenos se revierten debido a que las proteínas que los producen se desfosforilan a causa de la desactivación de la Cdc2, la cual lo hace porque la concentración de la ciclina M cae a un nivel inferior del que se necesita para que ambas moléculas se mantengan unidas formando el MPF. La disolución del MPF ocurre al comienzo de la anafase, únicamente si todos los cromosomas arribaron al plano ecuatorial de la célula y todos los cinetocoros se ligaron a 131 los microtúbulos cinetocóricos del huso mitótico, lo cual asegura la segregación normal de los cromosomas hijos y de su desplazamiento hacia los respectivos polos celulares. Lo hace después de formar un complejo proteico llamado ciclosoma o APC (complejo promotor de la anafase) que induce la degradación de la ciclina M y de las cohesinas que unen a las cromátidas entre sí. Antes de ingresar en la fase S la célula controla el estado de sus moléculas de ADN mediante una proteína citoplasmática llamada P53, que es sintetizada por la propia célula en respuesta a la aparición de alteraciones en su ADN. El gen p53 que la codifica pertenece a la categoría de genes supresores de tumores. La proteína se comporta como un factor de transcripción que promueve la expresión de los genes de otras proteínas reguladores (P21 y P16) que tienen por misión bloquear la cdk2. Dado que este efecto se opone al de las ciclinas G1, la célula no replica sus moléculas de ADN y permanece en la fase G1. Finalmente, si se comprueba que el daño en el ADN es peligroso para las futuras células hijas, la proteína p53 vuelve a actuar, pero ahora para provocar la muerte de la célula (apoptosis) y con ella la desaparición del ADN dañado. Existen dos clases de genes ligados al cáncer: los protooncogenes y los genes supresores de tumores. La alteración de los primeros produce un incremento de la proliferación celular, mientras que la falla de los segundos lleva a la pérdida de los mecanismos normales que detienen la proliferación. El cáncer no se genera a partir de células normales que se transforman explosivamente en células malignas, sino que surge al cabo de sucesivas generaciones de células que pasan por estados precancerosos cada vez más acentuados, consecuencia de la suma progresiva de mutaciones en estos genes ligados al cáncer, que al cabo de un tiempo instala la enfermedad en las células descendientes. Es decir, que es un proceso de crecimiento y diseminación descontrolada de células. Los protooncogenes son genes normales que codifican para proteínas implicadas en el control de la proliferación y la muerte celular. Esta denominación se debe a que, como resultado de mutaciones, pueden dar lugar a sus versiones defectuosas: los oncogenes. Éstos se diferencian de los normales porque se transcriben desmesuradamente y generan cantidades excesivas de sus productos, o porque su transcripción genera productos aberrantes. En ambos casos traen como consecuencia un aumento descontrolado de la proliferación celular o una disminución de la muerte celular. Es suficiente un solo alelo alterado de un protooncogén para transformar a una célula normal en una célula cancerosa o que puede llegar a serlo. Los derivados de los genes supresores de tumores inhiben la reproducción excesiva de las células. Si la célula adquiere otros defectos genéticos se genera un cuadro cancerígeno. Dado que estos genes son recesivos, el defecto se manifiesta cuando se alteran los dos alelos del gen. Ejemplos son los genes BRCA1 y BRCA2, los cuales codifican para proteínas que participan en la reparación del ADN. 132 Mitosis La división celular (mitosis) ocurre durante el desarrollo y permite obtener una enorme cantidad de células a partir de una única célula huevo o cigoto. La diferenciación celular permite que existan muchísimos tipos de células diferentes en un individuo adulto. Se da en el adulto para reponer las células que se pierden por envejecimiento y muerte celular. También permite la gametogénesis: producción de gametos o células sexuales. Las células precursoras, es decir aquellas que darán origen a los gametos, son las células germinales; en contraposición a las células somáticas que forman todos los otros tejidos y órganos. Si bien durante la gametogénesis se da una serie de divisiones mitóticas, el proceso de división que permite obtener finalmente a las gametas es la meiosis: permite obtener óvulos y espermatozoides que tienen la mitad de los cromosomas de la célula original, es decir que son haploides. Cuando ocurra la fecundación, la unión de los dos gametos dará como resultado una célula cigoto diploide. La mitosis ocurre en las células somáticas. Permite que una célula que ha atravesado todas las fases de la interfase, por lo que ha duplicado todo su contenido celular, se divida equitativamente en dos células hijas. Es ecuacional, es decir que las células hijas tienen igual ploidía (cantidad de juegos de cromosomas de una célula) que la célula original. Durante la mitosis, las células hijas se separan y cada célula hija recibe una cromátide de cada cromosoma. Las etapas en que se divide son: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. A partir de la penúltima comienza la citocinesis, que culmina cuando concluye la telofase. La detección de los cromosomas como filamentos delgados indica el comienzo de la profase. A medida que avanza, las cromátidas de los cromosomas se hacen más cortas y gruesas. Además, los centrómeros (o constricciones primarias) se vuelven claramente visibles debido a que se les han asociado dos placas proteicas, los cinetocoros, que dan lugar hacia los lados de las cromátidas. Al principio los cromosomas están distribuidos homogéneamente en el nucleoplasma, pero luego se aproximan a la carioteca, de modo que aparece un espacio vacío en el medio del núcleo. Este movimiento centrífugo de los cromosomas indica que se aproxima el momento de la desintegración de la envoltura nuclear. Otro cambio es la reducción del tamaño del nucléolo hasta su desaparición. Debido a la desintegración del citoesqueleto, la célula tiende a hacerse esférica. Además, pierde sus contactos con las células vecinas o con la matriz extracelular. Simultáneamente, el RE y el complejo de Golgi se fragmentan en vesículas pequeñas. Lo que más se destaca en el citoplasma es la formación del huso mitótico: conjuntos de haces de microtúbulos que surgen de ambos centrosomas, los cuales se 133 alejan recíprocamente pues se dirigen a los polos opuestos de la célula. El centrosoma está integrado por la matriz centrosómica y un par de centriolos. Desde los centrosomas las fibras del huso irradian en todas las direcciones. La prometafase es la transición entre la profase y la metafase. Es un periodo muy corto durante el cual la carioteca se desintegra y los cromosomas quedan aparentemente desordenados. Los centrosomas arriban a los polos de la célula y las fibras del huso invaden el área que ocupaba el núcleo. Por sus extremos libres algunas fibras del huso se conectan con los cinetocoros de los cromosomas, las fibras cinetocóricas. Otras fibras, las polares, se extienden más allá del plano ecuatorial de la célula y sus tramos distales se entrecruzan con los provenientes del polo opuesto. Un tercer tipo de fibras son las del áster, más cortas, irradian en todas direcciones y sus extremos se hayan aparentemente libres. centrosoma (polo del huso) cinetocoro microtúbulos astrales microtúbulos cinetocóricos microtúbulos polares En la metafase, los cromosomas aparecen ordenados en el ecuador de la célula. Las dos placas cinetocóricas de cada centrómero quedan orientadas hacia los polos opuestos de la célula, "mirando" a los respectivos centrosomas. Existe un punto de control M del ciclo celular, que verifica que todos los cromosomas se encuentren alineados y conectados a las fibras cinetocóricas. Si esto es así, el complejo APC induce la degradación de la ciclina M y desaparece el complejo MPF. Durante la anafase se produce la partición de las cohesinas de los centrómeros casi simultáneamente en todos los cromosomas. Inmediatamente las cromátidas (o cromosomas hijos) se separan y comienzan a migrar hacia los polos, traccionadas por las fibras cinetocóricas y del huso. Los cromosomas suelen adoptar la forma de una V. Los brazos de la V en los cromosomas metacéntricos tienen la misma longitud, pero en los submetacéntricos y en los acrocéntricos son desiguales. Los microtúbulos de las fibras cinetocóricas se acortan progresivamente y las fibras polares aumentan su longitud debido al mutuo distanciamiento de los polos de la célula, por lo que pierde su forma esférica y adquiere un aspecto ovoide. 134 La telofase comienza con la llegada de los cromosomas hijos a los polos. La célula se ha alargado un poco más, de modo que las fibras polares exhiben una mayor longitud comparadas con las de la anafase. Los cromosomas comienzan a desenrollarse y se muestran cada vez menos condensados. Este proceso representa lo sucedido en la profase, pero en sentido inverso. Al tiempo que los cromosomas se convierten en fibras de cromatina desenrolladas, éstas son rodeadas por partes del RE, las cuales se integran hasta formar las envolturas nucleares definitivas en torno de los dos núcleos hijos. Además, en los núcleos aparecen los respectivos nucléolos. La citocinesis (partición del citoplasma) se inicia en la anafase. El citoplasma se constriñe en la región ecuatorial por la formación de un surco en la superficie, que se profundiza a medida que la célula se divide. Tanto las fibras del áster como las polares se reducen hasta desaparecer. Solo sobreviven los tramos de las fibras polares localizados en la zona ecuatorial de la célula, componiendo el cuerpo intermedio, junto con vesículas y material denso que se les asocian. Estas fibras quedan perpendiculares al surco que divide al citoplasma. Finalmente se restablece el citoesqueleto, por lo cual las células hijas adquieren la forma original de la célula predecesora y se conectan con otras células y a la matriz extracelular. Los centrosomas comienzan a duplicarse al final de la fase G1 o al comienzo de la fase S. Para hacerlo, los dos centriolos del diplosoma se separan y cerca de cada uno aparece un procentriolo que se dispone en ángulo recto con respecto al centriolo. Éstos crecen lentamente y alcanzan su tamaño definitivo durante la profase, que posee dos pares de centriolos. Cada par de centriolos se haya en medio de su matriz centrosómica, proveniente de la matriz centrosómica original, que también se ha duplicado. Los microtúbulos son capaces de generar fuerzas mecánicas sobre los cinetocoros y, por consiguiente, sobre los cromosomas. El empuje y la tracción son consecuencia del alargamiento y el acortamiento de los microtúbulos. Durante la profase, la migración de los centrosomas hacia los polos se debe a que son empujados por el alargamiento de los microtúbulos tendidos entre ellos. Durante la metafase existe un equilibrio entre las fuerzas ejercidas por los microtúbulos de ambos polos, lo cual mantiene a los cromosomas inmovilizados en el ecuador celular. En la anafase se rompe ese equilibrio, lo que provoca la partición de los centrómeros, la separación de las cromátidas hijas y la movilización de los nuevos cromosomas hacia los polos. Existen dos teorías para explicar la migración de los cromosomas durante la anafase: la del equilibrio dinámico y la del deslizamiento. ● ● La teoría del equilibrio dinámico sostiene que la despolimerización de los microtúbulos es la responsable exclusiva del traslado; la fuerza mecánica derivada del desarmado de los microtúbulos bastaría para trasladar a los cromosomas. La teoría del deslizamiento, aunque reconoce la despolimerización de los microtúbulos, considera que éstos se comportan como "rieles" sobre los cuales los 135 cromosomas se desplazan mediante alguna proteína motora asociada a los cinetocoros. En la anafase, el traslado de los cromosomas incluye dos procesos distintos pero concurrentes, los cuales permiten dividirla en dos etapas: anafase A y anafase B. Durante la anafase A, el traslado de los cromosomas hacia los polos corresponde a los movimientos vinculados con los microtúbulos cinetocóricos. En la anafase B el mutuo alejamiento se produce a consecuencia del alargamiento que experimenta la célula, por lo que está vinculado el crecimiento de los microtúbulos de las fibras polares. Al finalizar la profase, la lámina nuclear se desarma, la carioteca se desintegra en vesículas y los complejos del poro quedan ligados a ellas. Al alcanzar la telofase, las vesículas derivadas de la desintegración de la envoltura nuclear se asocian y construyen las cariotecas de los núcleos de las células hijas, con sus respectivos complejos del poro. Simultáneamente, los laminofilamentos se repolimerizan y forman las láminas nucleares. ● La síntesis de ARN se detiene en la mitosis. La velocidad declina rápidamente en la profase tardía y desaparece en la metafase y en la anafase. El ADN no puede ser transcripto porque se haya muy compactado. La síntesis proteica disminuye drásticamente durante la mitosis. Las síntesis comienzan a recuperarse a partir de la telofase. La citocinesis deriva de la formación de un surco en el ecuador de la célula, que aparece en la segunda mitad de la anafase. En la telofase, el surco ecuatorial, se profundiza hasta alcanzar el cuerpo intermedio, lo que indica que la partición del citoplasma está por concluir. El desarrollo del surco ecuatorial es el resultado de la formación de un anillo contráctil en la corteza de la célula. Consiste en un haz unos 20 filamentos de actina circunferenciales situados por debajo de la membrana plasmática, perpendiculares a los microtúbulos del cuerpo intermedio. Estos filamentos se deslizan unos sobre otros en direcciones opuestas por la presencia de proteínas motoras, lo que profundiza el surco hasta llegar al cuerpo intermedio. El lugar donde se forma el anillo contráctil seria determinado por los microtúbulos del áster. Mitosis en células vegetales En los vegetales superiores, las mitosis son anastrales, es decir que carecen de centriolos y de fibras del áster. Para dar lugar a la citocinesis, la región intermedia del huso mitótico se transforma en el fragmentoplasto, que equivale al cuerpo intermedio. Comienza a formarse al promediar la anafase. Al principio el fragmentoplasto se dispone como un anillo en la periferia de la célula, pero luego, por el agregado de nuevos microtúbulos y vesículas, crece centrípetamente hasta extenderse por todo el plano ecuatorial. Las vesículas aumentan de tamaño y se fusionan entre sí; dan lugar a membranas plasmáticas relativamente continuas. El fragmentoplasto se transforma en una placa celular. Ésta sienta las bases para la formación de la pared celular, que es atravesada por túneles muy pequeños denominados plasmodesmos, los cuales permiten el paso de líquidos y solutos entre los citoplasmas de las células contiguas. 136 la meiosis La meiosis es un tipo especial de división celular, exclusiva de los organismos que se reproducen sexualmente. En la mayoría de los organismos multicelulares (animales y vegetales) la reproducción se realiza por medio de gametos o células sexuales generados por meiosis -espermatozoides y óvulos en los humanos-, los cuales se unen por un proceso denominado fecundación. Ello da origen al cigoto o célula huevo, que porta el material hereditario de los dos progenitores y se reproduce por mitosis hasta formar un nuevo individuo multicelular. El genoma humano posee 46 cromosomas. La meiosis es el mecanismo usado por los organismos para que el número de cromosomas no se duplique de generación en generación. Mediante dos divisiones celulares consecutivas las células sexuales reducen a la mitad el número de sus cromosomas (es reduccional), con generación de cuatro gametos haploides. Los procesos que llevan a la producción de gametos (espermatogénesis y ovogénesis) tienen lugar en las gónadas (testículos y ovarios). Se producen: 1) La reproducción de un número de cromosomas a la mitad. 2) La recombinación genética o crossing over. 3) La segregación al azar de los cromosomas homólogos paternos y maternos. Los cromosomas homólogos son los dos cromosomas virtualmente idénticos que conviven en las células diploides. Debido a que en las células somáticas humanas existen dos juegos haploides de 23 pares de cromosomas cada uno, se dice que poseen 23 pares de homólogos. Las divisiones meióticas comienzan después de varias mitóticas de los espermatogonios y los ovogonios (células germinativas menos diferenciadas del testículo y del ovario). Al término de las divisiones mitóticas, parte de los espermatogonios y de los ovogonios se diferencian en espermatocitos I y en ovocitos I, los cuales llevan a cabo la meiosis I. Como corolario de la primera división meiótica se generan los espermatocitos Il y el ovocito II, que son las células que realizan la meiosis II. Finalmente, la segunda división meiótica culmina con la formación de las espermátides y el óvulo. Las cuatro espermátides se convierten en espermatozoides y en la mujer se le da el nombre de óvulo al ovocito II. 137 Consta de dos etapas: I Reduccional, donde se reduce el número de cromosomas a la mitad y II Ecuacional, que mantiene el número de cromosomas constante (semejante a una mitosis). (2n) 2X Profase Metafase Anafase Telofase | || La profase I es un periodo largo que abarca varias etapas: El preleptonema corresponde a la fase temprana de la mitosis. Los cromosomas son muy delgados y difíciles de observar. Al comenzar el leptonema el núcleo aumenta de tamaño y los cromosomas se tornan visibles y se fijan a la envoltura nuclear. Además, presentan una gran diferencia respecto de los cromosomas de la profase mitótica: a pesar de haberse duplicado su ADN y contener dos cromátidas cada uno, parecen ser simples en vez de dobles. Durante el cigonema tiene lugar el primer fenómeno esencial de la meiosis: los cromosomas homólogos se alinean entre sí mediante apareamiento o sinapsis. El apareamiento comprende la formación de una estructura denominada complejo sinaptonémico (CS). El proceso puede comenzar en cualquier punto de los cromosomas. En algunos casos los homólogos se unen primero a nivel de uno de sus extremos y la unión progresa hacia el otro extremo. En otros, la asociación se produce simultáneamente en varios puntos a lo largo de los homólogos. El apareamiento es muy exacto y especifico, pues se produce punto por punto entre los homólogos. El CS está integrado por dos componentes laterales y un componente central. Los componentes laterales se desarrollan al final del leptonema y el central aparece durante el cigonema. Sobre cada componente lateral se aplican las dos cromátidas hermanas de uno de los cromosomas homólogos. Las cromátides que se encuentran como fibras de 30 nm forman asas cada vez más juntas al lado de cada componente lateral. La fijación de los telómeros a la envoltura nuclear facilita el alineamiento de los cromosomas homólogos. Una vez formado el CS, sus extremos también se insertan en la envoltura nuclear. En los puntos donde lo hacen aparecen engrosamientos llamados placas de fijación. Una de las funciones del CS es estabilizar el apareamiento de los homólogos y facilitar su recombinación. Las moléculas proteicas de sus componentes laterales permiten que los ADN de los cromosomas homólogos se dispongan de manera tal que el intercambio entre ellos resulte favorecido. El CS debe ser considerado un armazón proteico que se construye para que se produzca el alineamiento y la recombinación de los homólogos. Durante el paquinema los cromosomas se acortan y el apareamiento de los cromosomas homólogos se completa. Lo más importante de este periodo es que se produce el Citocinesis 138 intercambio de segmentos de ADN entre las cromátidas homologas, llamado recombinación genética o crossing-over: se producen cortes en las dos cromátidas seguidos por el cruce y el empalme de los segmentos que se intercambian. El paquinema es un proceso relativamente prolongado, su duración se mide en días. Es necesario que el intercambio de los segmentos de ADN sea exacto ya que de otra forma una de las cromátides podría ganar o perder segmentos de ADN y de información. El CS es responsable en parte de garantizar una correcta recombinación. El núcleo parece contener un número haploide de cromosomas, pero no es así, ya que cada una de las unidades visibles se compone de dos cromosomas independientes. Cada uno de los 23 pares de cromosomas recibe el nombre de bivalente, ya que está formado por dos cromosomas. Cada uno de los dos cromosomas se encuentra duplicado, es decir que tiene dos cromátides hermanas. Dado que el conjunto está integrado por cuatro cromátidas, se llama también tétrada. Las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma se hallan conectadas por el centrómero, por lo que en un bivalente o tétrada existen dos centrómeros, uno por cromosomas. Cada uno contiene dos cinetocoros, uno por cada cromátida hermana. Hasta la finalización de la meiosis I los cinetocoros hermanos se comportan como una unidad. A lo largo del bivalente, en el CS aparece una sucesión de nódulos densos llamados nódulos de recombinación. A nivel de ellos ocurre el intercambio de los segmentos de ADN entre las cromátidas homólogas. Para que se produzca la recombinación, las moléculas de ADN de las cromátidas homólogas deben situarse a una distancia de aproximadamente 1 nm en el componente central del CS. El nódulo sería un complejo multiproteico que reúne a las cromátidas paternas y maternas y produce los cortes y empalmes necesarios para la recombinación. Entre las proteínas que actúan al comienzo de la recombinación se encuentra la Rad51. Durante el diplonema los cromosomas homólogos comienzan a separarse, de modo que las cromátidas de la tétrada se vuelven visibles y el complejo sinaptonémico se desintegra. La separación no es completa, ya que las cromátidas homologas permanecen conectadas en los puntos donde no ha tenido lugar el intercambio. Tales conexiones llamadas quiasmas- expresan la etapa final de la recombinación, pues muestran a los cromosomas homólogos en vías de separarse, ligados todavía por esos puntos. El número de quiasmas es variable, ya que pueden aparecer pares de cromosomas homólogos con un solo quiasma y otros con varios. La cantidad de quiasmas y sus ubicaciones suelen coincidir con las de los nódulos de recombinación. En la mujer el diplonema es un periodo largo. Todos los ovocitos I arriban a esta fase del ciclo celular antes del séptimo mes de la vida intrauterina y permanecen así como mínimo hasta la pubertad. Durante cada ciclo menstrual, solo un ovocito I reanuda la meiosis (puede pasar que más de un ovocito I continúe). Cuando el ovocito II se libera del ovario en la ovulación, la meiosis continuará y el resultado será una célula cigoto y un cuerpo polar. Diversos sectores de la cromatina experimentan un fuerte desenrollamiento, llamados cromosomas plumulados o en cepillo. Son asas de cromatina muy desenrolladas, cuyo ADN se transcribe a gran velocidad. Tal configuración cromosómica expresa una intensa síntesis de ARN por parte de la célula, que es la causa del enorme crecimiento que experimenta el ovocito antes de ser expulsado por el ovario. 139 Durante la diacinesis la condensación de los cromosomas vuelve a acentuarse. Las tétradas se distribuyen homogéneamente por todo el núcleo y el nucléolo desaparece. Muestra semejanzas con la profase tardía de la mitosis. Durante la prometafase I la condensación de los cromosomas alcanza su grado máximo. La carioteca desaparece y los microtúbulos del huso se conectan con los cinetocoros. Esta conexión es distinta de la de la mitosis porque las fibras del huso provenientes de cada polo celular se asocian con los dos cinetocoros hermanos y no con uno. Durante la metafase I los bivalentes se disponen en el plano ecuatorial de la célula. Debido al modo como se conectan las fibras del huso, los cinetocoros de cada cromosoma homologo "miran" hacia un mismo polo. Los bivalentes continúan exhibiendo sus quiasmas. Cuando los cromosomas son cortos, los quiasmas se localizan en los extremos de los homólogos; cuando son largos, los quiasmas aparecen en varios puntos a lo largo de los ejes cromosómicos. Durante la anafase I los microtúbulos cinetocóricos traccionan los cromosomas homólogos de cada bivalente hacia los polos opuestos. A menudo la recombinación genética se produce entre las cromátidas hermanas Espermatogenesis En del la de los dos pares de homólogos. algunos tramos cromosoma recombinación tiene lugar entre un par de cromátidas homologas y en otros tramos ocurre entre las cromátidas del otro par. Al separarse por completo los cromosomas homólogos, en las células hijas las dos cromátidas de cada cromosoma son mixtas, pues tienen segmentos cromosómicos tanto como Células germinales diploides Espermatogonia/Oogonia diploide Espermatocito /Oocito de 1° orden Espermatocito/Oocito de 2º orden Espermátidas Diferenciación Espermatozoides haploides if Xx Mitosis Mitosis 1a división meiótica 1₁ 2 división meiótica Oogenesis xX xX if if Fase de proliferación Fase de crecimiento Primer cropúsculo polar Fase de maduración Tres cropúsculos polares óvulo haploide paternos maternos. Durante la telofase I los grupos cromosómicos haploides llegan a sus respectivos polos y en torno de ellos se construyen las envolturas nucleares. La telofase I es seguida por la partición del citoplasma y las dos células hijas pasan por un corto periodo de interfase -intercinesis- en el que no hay replicación del ADN (no hay fase S), por lo cual las células hijas derivadas de la meiosis I poseen un numero haploide de cromosomas, cada uno compuesto por dos cromátidas hermanas. En el varón el resultado de la meiosis I es la formación de dos células hijas iguales, denominadas espermatocitos II. En cambio, en la mujer, debido a que el reparto del 140 citoplasma es desigual, se forman dos células de tamaño muy diferente: el ovocito II, que es relativamente voluminoso, y el primer cuerpo polar, que es pequeño y desaparece. Los espermatocitos II y el ovocito II comienzan la meiosis II, cuyas etapas son similares a la mitosis. La profase II es muy breve, aunque suficiente para permitir la repartición de las fibras del huso y la desaparición de la envoltura nuclear. La metafase II lleva a los cromosomas al plano ecuatorial de la célula. Las fibras del huso se conectan a los cinetocoros, los cuales se conectan como en los cromosomas mitóticos: uno apuntando a un polo y el otro al polo opuesto. En la anafase II, debido a la tracción que las fibras del huso ejercen sobre los cinetocoros, el centrómero se divide y las cromátidas hermanas de cada cromosoma son separadas y traccionadas hacia los polos opuestos de la célula. En la telofase II cada uno de los polos de la célula recibe un juego haploide de cromátidas, que pasan a llamarse cromosomas. La formación de una nueva envoltura nuclear en torno de cada conjunto cromosómico haploide, seguida por la partición del citoplasma, pone fin a la meiosis. La meiosis II se asemeja a la mitosis, excepto porque en la primera las células hijas reciben una sola copia de cada cromosoma y no los dos homólogos. En el varón el resultado de la meiosis II es la formación de dos células hijas iguales (espermátides) que al cabo de un tiempo se diferencian en espermatozoides. En cambio, en la mujer, debido a que el reparto del citoplasma del ovocito Il es desigual, se forman dos células de tamaño muy diferente: el óvulo, que es voluminoso, y el segundo cuerpo polar, que como el primero es pequeño y desaparece. En síntesis, la meiosis genera cuatro espermatozoides a partir de cada espermatocito I, y un solo ovulo a partir de cada ovocito I. Meiosis I Replicación previa del ADN T Inicia con 46 cromosomas Larga Tiene intercambio genético Separa cromosomas homólogos Reduccional I Meiosis Ty II Meiosis II No hay replicación previa de ADN₁ Inicia con 23 cromosomas Corta No tiene intercambio genético Separa cromátides hermanas 1 Ecuacional 141 T Diferencias mitosis y meiosis Mitosis Les ocurre a células somáticas En todo el cuerpo Una única división celular Las dos células hijas presentan la misma cantidad de ADN que la célula madre y un numero diploide de cromosomas La síntesis del ADN se produce durante la fase S, que es seguida por la fase G2. Cada cromosoma evoluciona en forma independiente. Profase corta Separa cromátidas hermanas Relativamente corta (horas) Material genético constante Ecuacional Las células hijas son idénticas a la original. Los errores que se produzcan durante la segregación de los cromosomas homólogos solo serán transmitidos a las células hijas, pero no a los hijos del individuo. Meiosis Les ocurre a las células sexuales En las gónadas Dos divisiones celulares consecutivas Resultan cuatro células haploides que contienen la mitad del ADN que la célula madre. La fase S es mas larga y la G2 es corta o falta. Los cromosomas homólogos se relacionan entre si (se aparean) e intercambian partes de sus moléculas (recombinación O crossing-over). Profase larga Separa cromosomas homólogos. Puede ser muy larga (años). Material genético variable. Reduccional. Las células hijas son distintas genéticamente a la original. Los errores que ocurran durante la recombinación o durante la segregación de cromosomas o cromátidas podrán ser transmitidos a la descendencia del individuo 142 Similitudes mitosis y meiosis Ambos ocurren luego de la interfase, en la cual se han duplicado los componentes citoplasmáticos y el ADN, por lo cual comienzan con el ADN replicado. La sucesión de eventos que ocurre en el citoplasma de las células es similar. El ADN es altamente compactado. En la mitosis y en la meiosis II ocurre la separación y segregación de las cromátides hermanas. Consecuencias genéticas de la meiosis Desde el punto de vista genético la meiosis puede considerarse un mecanismo destinado a distribuir al azar los genes paternos y maternos en los gametos, tanto por la recombinación genética como por la segregación de los cromosomas homólogos. Las recombinaciones son señaladas por los quiasmas, y se ve que han tenido lugar solo en uno de los dos pares de cromátidas homólogas. Se produce entre los dos pares de cromátidas homólogas, de modo que al concluir la meiosis todos los cromosomas de los gametos presentan segmentos maternos y paternos alternados, generando cromosomas distintos a los de la célula original. La segmentación al azar de los cromosomas paternos y maternos durante las anafases I y II también contribuye a la diversidad genética de los gametos, pero en distinto grado. La segregación de estos cromosomas es independiente, es decir que durante la anafase I, la separación de los cromosomas homólogos de un par es independiente de la separación de los cromosomas homólogos de otro par. Accidentalmente, la segregación de los homólogos puede fallar, de manera que los dos homólogos de un par no se separan y pasan juntos a una de las células hijas. Este fenómeno -llamado no disyunción- puede ocurrir en la anafase I o en la anafase II de la meiosis por su causa uno de los gametos contendrá un cromosoma de más (24) y el otro uno de menos (22). Si uno de estos gametos participa en la fecundación, las células somáticas del nuevo individuo poseerán un numero anormal de cromosomas (47 y 45, respectivamente). Estos cuadros se denominan aberraciones cromosómicas numéricas, como por ejemplo el síndrome de Down. La profase I dura unos 14 días y la meiosis se completa en alrededor de 24 días. A diferencia de la ovogénesis, la espermatogénesis prosigue hasta una edad relativamente avanzada. 143 Diferenciación celular La diferenciación celular es la actividad génica variada en las células de un organismo. La especialización de las células implica la síntesis de proteínas especificas; en cada tipo celular se expresa un gen singular, distintos de los expresados en los otros tipos celulares. No todos los genes que se expresan en un tipo celular lo hacen en forma exclusiva. Algunos se activan en todos los tipos celulares (genes de mantenimiento) y son necesarios para construir los componentes comunes a todas las células. En cambio, los genes que se expresan en forma diferencial son las funciones de lujo. Depende de la expresión diferencial de genes: genes activados o silenciados en distintas células. La diferenciación celular no acarrea pérdida de información genética, de modo que en todas las células del organismo existen conjuntos de genes idénticos, que son los mismos que se hallaban en la célula huevo. El núcleo y el citoplasma son interdependientes, uno no sobrevive sin la presencia del otro. Esto ha sido demostrado mediante experimentos de fusión celular. El producto de la fusión de dos células diferentes se denomina heterocarión, que es una célula con dos núcleos de distinto origen. Todos los genes poseen la misma información genética. Los genes no se pierden durante la diferenciación celular; las diferencias entre las células especializadas se deben a que en cada una se expresan conjuntos de genes distintos. El control de la actividad génica se desarrolla a diferentes niveles. El control de la trascripción es el más importante. Los organismos multicelulares se desarrollan a partir de una célula huevo que, tras sucesivas divisiones y diferenciaciones, da origen a la totalidad de las células que componen los tejidos corporales. Primero, el cigoto experimenta una serie de divisiones rápidas en las cuales se duplica solo el ADN. Debido a que el citoplasma de las sucesivas células hijas se va reduciendo o segmentando con cada ciclo divisional, a estas divisiones se las denomina de segmentación o clivaje. A partir del estadio de 16 células los citoplasmas se vinculan por uniones comunicantes y las células periféricas se enlazan entre sí por uniones oclusivas. Cuando el embrión alcanza ese estadio adquiere la forma de una esfera solida con aspecto de mora, por lo que se llama mórula. Las células ocupan todo el espacio delimitado por la membrana pelúcida. Posteriormente, el embrión se convierte en una esfera hueca -blastocisto- en la que se visualizan dos tipos de tejidos, el macizo celular interno, primordio del futuro cuerpo del individuo, y el trofoblasto, que interviene en la formación de la placenta. Dos semanas después el macizo celular interno da lugar a un embrión plano discoidal compuesto por tres capas epiteliales superpuestas (ectodermo, mesodermo y endodermo). El citoplasma de la célula huevo contiene -asimétricamente distribuidas- moléculas que se reparten de manera desigual entre las primeras células del embrión y que influyen en la 144 actividad de sus genes. Estas moléculas (determinantes citoplasmáticos) actúan como factores de transcripción específicos. Para que la inducción a la diferenciación se lleve a cabo es necesario que las células a diferenciar presenten los receptores específicos para las moléculas inductoras. Las células totipotenciales pueden dar origen a cualquier tipo de célula. Las células pluripotenciales pueden dar origen a células multipotenciales. Las células multipotenciales dan origen a varios tipos de células. 145 las bases de la citogenética La citogenética se ocupa de las bases cromosómicas y moleculares de la herencia y ayuda a resolver importantes problemas en el campo de la medicina, la ganadería y la agricultura. Mendel descubrió las leyes en el año 1865. Realizó cruzamientos entre arvejas que tenían pares de características diferentes y contrastantes. Utilizó plantas con semillas amarillas y verdes, lisas y rugosas, con flores blancas y rojas, con tallos altos y bajos, etc. Después del primer cruzamiento se observó los híbridos resultantes en la primera generación filial (F1) cruzó híbridos F1 entre sí y estudió los resultados en la segunda generación filial (F2). F1: plantas altas Cuadro de Punnet F1: plantas altas gametas A A A plantas altas, homocigoto dominante A a plantas altas, heterocigota Aa a plantas altas, heterocigota a a plantas bajas, homocigoto recesivo www.biologia.edu.ar En un cruzamiento realizado entre progenitores (P) con semillas amarillas y verdes encontró en la primera generación (F1) que todos los híbridos tenían semillas amarillas y, por lo tanto, solo la característica de uno de los padres. En el segundo cruzamiento (F2), las plantas presentaban las características de sus antepasados con una proporción del 75% para las semillas amarillas y del 25% para las verdes (relación 3:1). Mendel sostuvo que el color de las semillas era controlado por un "factor" que se transmitía a la descendencia por medio de los gametos, y que ese "factor" podía transmitirse sin mezclarse con otros genes. Enunció que los genes que se separan en los híbridos F1, entran en gametos diferentes, y se distribuyen en los híbridos F2. Este principio se llama ley de la segregación de los genes. La primera ley dice que cada individuo lleva un par de factores hereditarios para cada característica que segregan durante la formación de los gametos. 146 Posteriormente observó que las plantas con semillas amarillas en la F2 poseen diferentes constituciones genéticas. Un tercio de este grupo siempre da semillas amarillas en la generación F3, pero los otros dos tercios originan plantas con semillas amarillas y verdes en la proporción 3:1. El 25% de plantas de la F2 con semillas verdes, cuando se cruzan entre sí, producen siempre semillas verdes en la generación F3. Esto demuestra que existen dos líneas puras para ese carácter. En los cruzamientos se representa a los genes por medio de letras: A, al gen con carácter amarillo y a al carácter verde. La generación F1 posee ambos genes (A y a) pero solo el A es visible (color amarillo) porque es dominante. El gen a permanece oculto y se denomina recesivo. En los órganos reproductores los dos genes se separan y pasan a gametos diferentes. La mitad de los gametos recibe el gen A y la otra mitad el gen a. Dado que en ambos sexos las plantas generan los dos tipos de gametos F2 se producen tres combinaciones genéticas posibles en una relación 1:2:1. El 25% corresponde a plantas AA con semillas amarillas puras, el 50% a plantas Aa con semillas amarillas hibridas, y el 25% a plantas aa con semillas verdes puras. Los genes se encuentran de a pares -uno en cada cromosoma homologo- y los dos miembros de cada par se denominan alelos. En cada cromosoma homologo el alelo ocupa un lugar particular llamado locus. Los individuos que tienen alelos iguales se denominan homocigotos, y los que tienen alelos diferentes heterocigotos. El término genotipo define la constitución genética del individuo; el termino fenotipo, las características visibles. En los heterocigotos la dominancia es incompleta. Existe una codominancia. No siempre se cumple la regla de la dominancia y la recesividad. La codominancia es menos frecuente que la dominancia y la recesividad completas. En ésta se da un fenotipo con características intermedias respecto de los fenotipos de los progenitores, aunque sin que se mezclen los alelos. Mientras que el principio de segregación se aplica al comportamiento de un solo par de genes, la ley de la distribución independiente describe el comportamiento simultáneo de dos pares de alelos cuando están localizados en cromosomas diferentes. Los genes que no están localizados en un mismo cromosoma se distribuyen independientemente en los gametos, de modo que la descendencia resulta hibrida en dos loci (más de un cromosoma no homologo). Cuando dos de los híbridos de la F1 se aparean entre sí, debido a que cada uno produce cuatro tipos de gametos, al producirse la fecundación se originan 16 combinaciones diferentes en los cigotos. Esta relación fenotípica de 9:3:3:1 es característica del cruzamiento de dos pares de genes. Esta ley no tiene aplicación universal. En los cruzamientos de dos o más pares de alelos existe una acentuada tendencia por parte de esos genes a quedar ligados, de modo que se produce entre ellos una proporción de combinaciones diferentes de la esperada. Si dos genes distintos (A y B) se localizan en un mismo cromosoma, y sus correspondientes recesivos (a y b) en el cromosoma homologo, se obtienen dos clases de gametos: AB y ab. La coexistencia de dos o más genes en el mismo cromosoma se denomina ligamiento. El ligamiento no es absoluto, sino que se rompe con relativa frecuencia. Luego de una recombinación entre los genes A y B se forman cuatro clases de gametos, dos de los cuales poseen cromosomas que han sufrido recombinación genética. Este intercambio de segmentos entre las cromátidas homologas ha roto el ligamiento. 147 La frecuencia de recombinación entre dos genes ligados en un cromosoma depende de la distancia que los separa. Los que se hallan próximos entre si se recombinan con una frecuencia menor respecto de los que se encuentran apartados. Las proporciones de ligamentos permiten estimar la distancia entre los genes y averiguar sus posiciones relativas en el cromosoma. Un ejemplo de la recombinación se da en los grupos sanguíneos: A, B y 0. Los genes que codifican para los grupos A y B son dominantes: Si es homocigota para A, va a tener solo A. Si es homocigota para B, va a tener solo B. Si hay información para el A y B, se expresan ambas proteínas (grupo AB). Si no hay ninguno, va a ser 0. Aberraciones cromosómicas Accidentalmente pueden producirse cambios en el cariotipo que tienen diversas consecuencias genéticas. Los cromosomas pueden cambiar en su número -aberraciones cromosómicas numéricas- o sufrir alteraciones en sus estructuras -aberraciones cromosómicas estructurales-. Existen dos clases principales de cambios en el número de cromosomas. En las poliploidías existe un número superior de conjuntos haploides -más de dos- pero cada conjunto se presenta equilibrado. En las células somáticas, las poliploidías pueden originarse por la reduplicación de los cromosomas; en los gametos, por la no separación de los cromosomas en cualquiera de las dos divisiones meióticas. ● En las aneuploidías hay ganancia o pérdida de uno o más cromosomas, por lo que el conjunto deja de ser equilibrado. Como la alteración es cuantitativa, el mensaje genético contenido en los cromosomas se mantiene intacto, aunque pueden causar graves alteraciones en el organismo. Se producen por una falla en la separación de los cromosomas homólogos -denominada no disyunción-, durante la división celular. La causa inmediata es la falta de la separación de una de las cromátidas hermanas en la anafase; así, al llegar a la telofase, esa cromátida permanece en una de las células hijas junto a la cromátida hermana. La no disyunción se produce generalmente en la meiosis, pero también puede ocurrir en la mitosis. La meiosis no disyuntiva da lugar a un gameto aneuploide que forma un cigoto portador de una aneuploidía. Si al gameto le falta un cromosoma, el cigoto resultará monosómico. Si le sobra un cromosoma, será trisómico. La mitosis no disyuntiva puede ocurrir en la división mitótica que precede a la formación de los gametos o en las células derivadas de la división del cigoto. En el primer caso, los efectos son similares a los producidos por la meiosis no disyuntiva. En el segundo se originan mosaicos (individuos que exhiben líneas celulares somáticas con cariotipos diferentes). En las aberraciones cromosómicas estructurales se produce una alteración en la composición o en la organización de uno o más cromosomas. La ruptura de ellos puede 148 conducir a la pérdida de un segmento cromosómico -deleción-, a la duplicación de un segmento, a la traslocación de segmentos entre cromosomas no homólogos o a la inversión de un segmento dentro del propio cromosoma. Estos defectos pueden ser detectados si se analiza a los cromosomas en su máxima compactación (metafase). Además, pueden producirse espontáneamente. Sin embargo, su frecuencia aumenta por la acción de agentes químicos mutágenos, ciertos virus o por efecto de las radiaciones ionizantes. ●. ● ● ● Deleción. La pérdida de material cromosómico puede ser terminal -en un extremo del cromosoma- o intersticial -en un segmento intermedio del cromosoma-. En el primer caso la aberración es el resultado de una sola rotura. En el segundo, de dos. Usualmente las deleciones son letales en la condición homocigota, lo cual indica que la mayoría de los genes son imprescindibles para el desarrollo del organismo. Duplicación. Un segmento cromosómico está representado más de una vez en un mismo cromosoma. Producen efectos menos graves que las deleciones. Inversión. Un segmento de un cromosoma se invierte 180°. Son pericéntricas cuando el segmento afectado incluye al centrómero y paracéntricas cuando no lo incluye. Translocación. Se produce al romperse dos cromosomas no homólogos e intercambiarse sus segmentos. Cuando la rotura se registra al lado del centrómero, ambos cromosomas pueden fusionarse y dar origen a un cromosoma metacéntrico más grande (translocación robertsoniana). Aberraciones cromosómicas en ·la especie humana Las alteraciones cromosómicas más comunes en el hombre están representadas por aneuploidías (monosomías y trisomías) y por aberraciones estructurales. Producen malformaciones congénitas graves, retardo mental y esterilidad. El diagnostico puede hacerse antes del nacimiento, mediante el estudio de unas pocas células fetales obtenidas del líquido amniótico (amniocentesis) o de las vellosidades coriónicas (biopsia). Entre las aneuploidías más difundidas se encuentra el Síndrome de Down o mongolismo, en el que existen tres cromosomas del par 21 en lugar de dos. Otras aneuploidías se dan en los cromosomas de los pares 18 (síndrome de Edwards) y 13 (Síndrome de Patau). Las aneuploidías también pueden afectar a los cromosomas sexuales. 149